Водата е познато и необичайно вещество. Почти 3/4 от повърхността на нашата планета е заета от океани и морета. Твърда вода - сняг и лед - покрива 20% от сушата. Климатът на планетата зависи от водата. Това казват геофизиците Земята отдавна щеше да е изстинала и да се е превърнала в безжизнено парче камък, ако не беше водата.Тя има много висок топлинен капацитет. При нагряване поглъща топлина; охлаждайки го раздава. Водата на сушата хем поема, хем връща много топлина и така "изравнява" климата. А тези водни молекули, които са разпръснати в атмосферата – в облаци и под формата на пари предпазват Земята от космическия студ.

Водата е най-мистериозното вещество в природата след ДНК,притежаващи уникални свойства, които не само все още не са напълно обяснени, но далеч не всички са известни. Колкото по-дълго се изучава, толкова повече нови аномалии и мистерии се откриват в него. Повечето от тези аномалии, които осигуряват възможността за живот на Земята, се обясняват с наличието на водородни връзки между водните молекули, които са много по-силни от ван дер Ваалсовите сили на привличане между молекулите на други вещества, но с порядък по-слаби отколкото йонните и ковалентните връзки между атомите в молекулите. Същите водородни връзки присъстват и в молекулата на ДНК.

Молекулата на водата (H 2 16 O) се състои от два водородни атома (H) и един кислороден атом (16 O). Оказва се, че почти цялото разнообразие от свойства на водата и необичайният характер на тяхното проявление в крайна сметка се определя от физическата природа на тези атоми, начина, по който те са комбинирани в молекула и групирането на образуваните молекули.

Ориз. Структурата на водната молекула . Геометрична схема (a), плосък модел (b) и пространствена електронна структура (c) на H2O мономера. Два от четирите електрона на външната обвивка на кислородния атом участват в създаването на ковалентни връзки с водородните атоми, а другите два образуват силно издължени електронни орбити, чиято равнина е перпендикулярна на равнината H-O-H.

Водната молекула H 2 O е изградена под формата на триъгълник: ъгълът между двете кислородно-водородни връзки е 104 градуса. Но тъй като и двата водородни атома са разположени от една и съща страна на кислорода, електрическите заряди в него се разпръскват. Молекулата на водата е полярна, което е причината за особеното взаимодействие между различните й молекули. Водородните атоми в молекулата на H 2 O, имащи частичен положителен заряд, взаимодействат с електроните на кислородните атоми на съседните молекули. Такава химична връзка се нарича водородна връзка. Той комбинира H 2 O молекули в своеобразни асоциирани на пространствената структура; равнината, в която са разположени водородните връзки, е перпендикулярна на равнината на атомите на една и съща молекула H 2 O. Взаимодействието между водните молекули обяснява преди всичко неравномерно високите температури на нейното топене и кипене. Необходима е допълнителна енергия за разхлабване и след това разрушаване на водородните връзки. И тази енергия е много значима. Ето защо топлинният капацитет на водата е толкова висок.

Водната молекула има две полярни H–O ковалентни връзки. Те се образуват поради припокриването на два едноелектронни p-облака от кислороден атом и едноелектронни S-облаци от два водородни атома.

В съответствие с електронната структура на водородните и кислородните атоми водната молекула има четири електронни двойки. Два от тях участват в образуването на ковалентни връзки с два водородни атома, т.е. са задължителни. Другите две електронни двойки са свободни - не се свързват. Те образуват електронен облак. Облакът е нехомогенен - ​​в него могат да се разграничат отделни концентрации и разреждания.

Във водната молекула има четири полюса на заряди: два са положителни и два са отрицателни. Положителните заряди са концентрирани при водородните атоми, тъй като кислородът е по-електроотрицателен от водорода. Два отрицателни полюса попадат върху две несвързани електронни двойки кислород.

В кислородното ядро ​​се създава излишък от електронна плътност. Вътрешната електронна двойка кислород равномерно огражда ядрото: тя е схематично представена от кръг с център - O 2 - ядрото. Четирите външни електрона са групирани в две електронни двойки, гравитиращи към ядрото, но частично некомпенсирани. Схематично общите електронни орбитали на тези двойки са показани като елипси, издължени от общ център - O 2- ядрото. Всеки от останалите два кислородни електрона се сдвоява с един водороден електрон. Тези пари също гравитират към кислородното ядро. Следователно водородните ядра - протоните - са донякъде голи и тук има липса на електронна плътност.

Така във водната молекула се разграничават четири полюса на заряди:две отрицателни (излишна електронна плътност в областта на кислородното ядро) и две положителни (липса на електронна плътност в две водородни ядра). За по-голяма яснота можем да си представим, че полюсите заемат върховете на деформиран тетраедър, в центъра на който има кислородно ядро.

Ориз. Структурата на водната молекула: a – ъгъл между O-H връзките; b - местоположението на полюсите на заряда; c – поява на електронния облак на водната молекула.

Почти сферичната водна молекула има подчертано изразена полярност, тъй като електрическите заряди в нея са разположени асиметрично. Всяка водна молекула е миниатюрен дипол с висок диполен момент от 1,87 debay. Дебай е извънсистемна единица на електрически дипол 3.33564·10 30 C·m. Под въздействието на водни диполи междуатомните или междумолекулните сили на повърхността на потопеното в него вещество отслабват 80 пъти. С други думи, водата има висока диелектрична константа, най-високата от всички познати ни съединения.

До голяма степен поради това водата се проявява като универсален разтворител. Твърдите вещества, течностите и газовете са обект на разтварящото му действие в една или друга степен.

Специфичният топлинен капацитет на водата е най-високият сред всички вещества. В допълнение, той е 2 пъти по-висок от този на леда, докато за повечето прости вещества (например метали) топлинният капацитет практически не се променя по време на топене, а за вещества от многоатомни молекули, като правило, той намалява по време на топене.

Такава идея за структурата на молекулата позволява да се обяснят много свойства на водата, по-специално структурата на леда. В кристалната решетка на леда всяка от молекулите е заобиколена от четири други. В планарно изображение това може да бъде представено по следния начин:

Комуникацията между молекулите се осъществява чрез водороден атом. Положително зареденият водороден атом на една водна молекула е привлечен от отрицателно заредения кислороден атом на друга водна молекула. Такава връзка се нарича водородна връзка (обозначава се с точки). По отношение на силата, водородната връзка е около 15-20 пъти по-слаба от ковалентната връзка. Поради това водородната връзка лесно се разрушава, което се наблюдава например при изпаряване на вода.

Ориз. вляво - Водородни връзки между водните молекули

Структурата на течната вода наподобява тази на леда. В течната вода молекулите също са свързани една с друга чрез водородни връзки, но структурата на водата е по-малко "твърда" от тази на леда. Поради топлинното движение на молекулите във водата някои водородни връзки се разкъсват, други се образуват.

Ориз. Ледена кристална решетка. Молекулите на водата H 2 O (черни топки) в неговите възли са разположени така, че всеки има четири "съседа".

Полярността на водните молекули, наличието на частично некомпенсирани електрически заряди в тях поражда тенденция към групиране на молекулите в разширени "общности" - асоциати. Оказва се, че само водата в състояние на пара напълно отговаря на формулата H2O. Това показват резултатите от определянето на молекулното тегло на водната пара. В температурния диапазон от 0 до 100°C концентрацията на отделни (мономерни молекули) течна вода не надвишава 1%. Всички други водни молекули се комбинират в асоциати с различна степен на сложност и техният състав се описва с общата формула (H 2 O)x.

Непосредствената причина за образуването на асоциати са водородните връзки между водните молекули. Те възникват между водородните ядра на някои молекули и електронните "бучки" на кислородните ядра на други водни молекули. Вярно е, че тези връзки са десет пъти по-слаби от "стандартните" вътрешномолекулни химични връзки и обикновените молекулярни движения са достатъчни, за да ги разрушат. Но под въздействието на топлинни вибрации лесно възникват нови връзки от този тип. Появата и разпадането на асоциациите може да се изрази чрез схемата:

x H 2 O↔ (H 2 O) x

Тъй като електронните орбитали във всяка водна молекула образуват тетраедрична структура, водородните връзки могат да подредят водните молекули под формата на тетраедрични координирани асоциати.

Повечето изследователи обясняват аномално високия топлинен капацитет на течната вода с факта, че когато ледът се топи, неговата кристална структура не се разрушава веднага. В течната вода водородните връзки между молекулите се запазват. Остават, така да се каже, фрагменти от лед - сътрудници от голям или по-малък брой водни молекули. Въпреки това, за разлика от леда, всеки сътрудник не съществува дълго. Постоянно има унищожаване на едни и формиране на други сътрудници. При всяка стойност на температурата във водата в този процес се установява собствено динамично равновесие. И когато водата се нагрява, част от топлината се изразходва за разкъсване на водородни връзки в асоциираните съединения. В този случай 0,26-0,5 eV се изразходват за разкъсване на всяка връзка. Това обяснява аномално високия топлинен капацитет на водата в сравнение със стопилките на други вещества, които не образуват водородни връзки. Когато такива стопилки се нагряват, енергията се изразходва само за предаване на топлинни движения на техните атоми или молекули. Водородните връзки между водните молекули се разрушават напълно само когато водата премине в пара. За правилността на тази гледна точка говори и фактът, че специфичната топлина на водните пари при 100°C практически съвпада със специфичната топлина на леда при 0°C.

Снимка по-долу:

Елементарният структурен елемент на сътрудника е клъстерът: Ориз. Отделен хипотетичен воден клъстер. Отделни клъстери образуват асоциирани водни молекули (H 2 O) x: Ориз. Клъстери от водни молекули образуват асоциати.

Има и друга гледна точка за природата на аномално високия топлинен капацитет на водата. Професор G. N. Zatsepina забеляза, че моларният топлинен капацитет на водата, който е 18 cal/(molgrad), е точно равен на теоретичния моларен топлинен капацитет на твърдо тяло с триатомни кристали. И в съответствие със закона на Dulong и Petit, атомните топлинни мощности на всички химически прости (моноатомни) кристални тела при достатъчно висока температура са еднакви и равни на 6 calDmol o deg). А за триатомните, в чийто грам има 3 N a места на кристална решетка, - 3 пъти повече. (Тук N a е числото на Авогадро).

От това следва, че водата е, така да се каже, кристално тяло, състоящо се от триатомни молекули H 2 O. Това съответства на общата идея за водата като смес от кристални асоциати с малка добавка на свободни водни молекули H 2 O между тях, чийто брой се увеличава с повишаване на температурата. От тази гледна точка не е изненадващ високият топлинен капацитет на течната вода, а ниският топлинен капацитет на твърдия лед. Намаляването на специфичната топлина на водата по време на замръзване се обяснява с липсата на напречни топлинни вибрации на атомите в твърдата кристална решетка на леда, където всеки протон, който причинява водородна връзка, има само една степен на свобода за топлинни вибрации вместо три.

Но поради какво и как могат да възникнат толкова големи промени в топлинния капацитет на водата без съответните промени в налягането? За да отговорим на този въпрос, нека се срещнем с хипотезата на кандидата на геоложките и минералогическите науки Ю. А. Колясников за структурата на водата.

Той посочва, че дори откривателите на водородните връзки J. Bernal и R. Fowler през 1932 г. сравняват структурата на течната вода с кристалната структура на кварца и тези сътрудници, споменати по-горе, са главно 4H 2 0 тетрамери, в които четири молекули вода са свързани в компактен тетраедър с дванадесет вътрешни водородни връзки. В резултат на това се образува тетраедрична пирамида - тетраедър.

В същото време водородните връзки в тези тетрамери могат да образуват както десни, така и леви последователности, точно както кристалите на широко разпространения кварц (Si0 2), които също имат тетраедрична структура, идват в дясно- и ляво-кристални форми. Тъй като всеки такъв воден тетрамер също има четири неизползвани външни водородни връзки (като една водна молекула), тетрамерите могат да бъдат свързани чрез тези външни връзки в един вид полимерни вериги, като ДНК молекула. И тъй като има само четири външни връзки и три пъти повече вътрешни, това позволява на тежките и силни тетрамери в течна вода да огъват, обръщат и дори разрушават тези външни водородни връзки, отслабени от топлинни вибрации. Това е причината за водния поток.

Водата, според Колясников, има такава структура само в течно състояние и, вероятно, частично в състояние на пара. Но в леда, чиято кристална структура е добре проучена, тетрахидролите са свързани помежду си чрез негъвкави директни водородни връзки с еднаква сила в ажурна рамка с големи празнини в нея, което прави плътността на леда по-малка от плътността на водата.

Ориз. Кристалната структура на леда: водните молекули са свързани в правилни шестоъгълници

Когато ледът се разтопи, някои от водородните връзки в него отслабват и се огъват, което води до пренареждане на структурата в гореописаните тетрамери и прави течната вода по-плътна от леда. При 4°C настъпва състояние, когато всички водородни връзки между тетрамерите са максимално огънати, което определя максималната плътност на водата при тази температура. По-нататъшните връзки нямат къде да се огънат.

При температура над 4°С започва разкъсването на отделните връзки между тетрамерите, а при 36–37°С половината от външните водородни връзки се разрушават. Това определя минимума на кривата на зависимостта на специфичния топлинен капацитет на водата от температурата. При температура 70°C почти всички междутетрамерни връзки се разкъсват и заедно със свободните тетрамери във водата остават само къси фрагменти от „полимерни“ вериги от тях. Накрая, когато водата заври, настъпва окончателното разкъсване на вече единични тетрамери в отделни молекули на H 2 O. И фактът, че специфичната топлина на изпарение на водата е точно 3 пъти по-голяма от сумата от специфичните топлина на топенето на леда и последващото нагряване на вода до 100 ° C, е потвърждение на предположението на Колясников За. че броят на вътрешните връзки в тетрамера е 3 пъти по-голям от броя на външните.

Такава тетраедрично-спирална структура на водата може да се дължи на нейната древна реологична връзка с кварца и други силициево-кислородни минерали, преобладаващи в земната кора, от чиито дълбини някога се е появила водата на Земята. Точно както малък кристал сол кара околния разтвор да кристализира в кристали като него, а не в други, така кварцът кара водните молекули да се подреждат в тетраедрични структури, които са най-енергийно благоприятни. И в нашата ера в земната атмосфера водните пари, кондензиращи в капки, образуват такава структура, защото атмосферата винаги съдържа малки капчици аерозолна вода, която вече има тази структура. Те са центрове на кондензация на водни пари в атмосферата. По-долу са възможни верижни силикатни структури, базирани на тетраедър, който също може да бъде съставен от водни тетраедри.

Ориз. Елементарен правилен силициево-кислороден тетраедър SiO 4 4- .

Ориз. Елементарни силициево-кислородни звена-орто групи SiO 4 4- в структурата на Mg-пироксен енстатит (а) и диорто групи Si 2 O 7 6- в Са-пироксеноиден воластонит (б).

Ориз. Най-простите видове островни силициево-кислородни анионни групи: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, g-Si 4 O 12, e-Si 6 O 18.

Ориз. по-долу - Най-важните видове силициево-кислородни верижни анионни групи (според Белов): a-метагерманат, b - пироксен, c - батизит, g-воластонит, d-власовит, е-мелилит, g-родонит, s-пироксмангит , n-метафосфат, k - флуоробериллат, l - барилит.

Ориз. по-долу - Кондензация на пироксенови силициево-кислородни аниони в клетъчен двуредов амфибол (a), триредов амфибол-подобен (b), слоест талк и свързани аниони (c).

Ориз. по-долу - Най-важните видове лентови силициево-кислородни групи (според Белов): а - силиманит, амфибол, ксонотлит; б-епидидимит; s-ортоклаз; g-нарсарсукит; d-фенакит призматичен; e-euclase инкрустиран.

Ориз. вдясно - Фрагмент (елементарен пакет) от слоестата кристална структура на мусковит KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, илюстриращ междинното наслояване на алумосилициево-кислородни мрежи с полиедрични слоеве от големи алуминиеви и калиеви катиони, напомнящи ДНК верига .

Възможни са и други модели на водната конструкция. Тетраедрично свързаните водни молекули образуват особени вериги с доста стабилен състав. Изследователите откриват все по-фини и сложни механизми на "вътрешната организация" на водната маса. В допълнение към структурата, подобна на лед, течна вода и мономерни молекули, е описан и трети елемент от структурата, нететраедричен.

Определена част от водните молекули е свързана не в триизмерни рамки, а в линейни пръстеновидни асоциации. Пръстените, когато са групирани, образуват още по-сложни комплекси от асоциирани.

По този начин водата може теоретично да образува вериги, като ДНК молекула, която ще бъде обсъдена по-долу. В тази хипотеза също е интересно, че тя предполага еднаква вероятност за съществуването на дясната и лявата вода. Но биолозите отдавна са забелязали, че в биологичните тъкани и структури се наблюдават само лява или дясна форма. Пример за това са протеинови молекули, изградени само от леви аминокиселини и усукани само в лява спирала. Но всички захари в дивата природа са десни. Все още никой не е успял да обясни защо в дивата природа има такова предпочитание към лявото в някои случаи и към дясното в други. Наистина, в неживата природа както десните, така и левите молекули се срещат с еднаква вероятност.

Преди повече от сто години известният френски естествоизпитател Луи Пастьор открива, че органичните съединения в растенията и животните са оптически асиметрични – те въртят равнината на поляризация на падащата върху тях светлина. Всички аминокиселини, които изграждат животните и растенията, въртят равнината на поляризация наляво, а всички захари - надясно. Ако синтезираме съединения с еднакъв химичен състав, тогава всяко от тях ще има равен брой ляво- и дясно ориентирани молекули.

Както знаете, всички живи организми са изградени от протеини, а те от своя страна са изградени от аминокиселини. Свързвайки се една с друга в различни последователности, аминокиселините образуват дълги пептидни вериги, които спонтанно се "усукват" в сложни протеинови молекули. Както много други органични съединения, аминокиселините имат хирална симетрия (от гръцки chiros - ръка), тоест могат да съществуват в две огледално-симетрични форми, наречени "енантиомери". Такива молекули са подобни една на друга, като лявата и дясната ръка, затова се наричат ​​D- и L-молекули (от латински dexter, laevus - дясно и ляво).

Сега си представете, че средата с леви и десни молекули е преминала в състояние само с леви или само с десни молекули. Експертите наричат ​​такава среда хирално (от гръцката дума "хейра" - ръка) подредена. Самовъзпроизвеждането на живите (биопоеза - по определението на Д. Бернал) може да възникне и да се поддържа само в такава среда.

Ориз. Огледална симетрия в природата

Друго име за енантиомерните молекули - "десни" и "левичари" - идва от способността им да въртят равнината на поляризация на светлината в различни посоки. Ако линейно поляризирана светлина премине през разтвор на такива молекули, нейната равнина на поляризация се върти: по посока на часовниковата стрелка, ако молекулите в разтвора са десни, и обратно на часовниковата стрелка, ако са наляво. И в смес от равни количества D- и L-форми (нарича се "рацемат"), светлината ще запази първоначалната си линейна поляризация. Това оптично свойство на хиралните молекули е открито за първи път от Луи Пастьор през 1848 г.

Любопитно е, че почти всички естествени протеини се състоят само от леви аминокиселини. Този факт е още по-изненадващ, тъй като синтезът на аминокиселини в лабораторни условия произвежда приблизително еднакъв брой десни и леви молекули. Оказва се, че тази особеност притежават не само аминокиселините, но и много други вещества, важни за живите системи, като всяко има строго определен знак за огледална симетрия в цялата биосфера. Например, захарите, които изграждат много нуклеотиди, както и ДНК и РНК нуклеинови киселини, са представени в тялото изключително от правилни D-молекули. Въпреки че физичните и химичните свойства на "огледалните антиподи" съвпадат, тяхната физиологична активност в организмите е различна: L-caxara не се абсорбира, L-фенилаланинът, за разлика от безвредните си D-молекули, причинява психични заболявания и т.н.

Според съвременните представи за произхода на живота на Земята изборът на определен тип огледална симетрия от органичните молекули служи като основна предпоставка за тяхното оцеляване и последващо самовъзпроизвеждане. Въпросът как и защо е възникнал еволюционният подбор на един или друг огледален антипод обаче все още е една от най-големите загадки на науката.

Съветският учен Л. Л. Морозов доказва, че преходът към хирално подреждане не може да се случи еволюционно, а само с някаква специфична рязка фазова промяна. Академик В. И. Голдански нарече този преход, благодарение на който се е зародил животът на Земята, хирална катастрофа.

Как са възникнали условията за фазовата катастрофа, която е причинила хиралния преход?

Най-важното беше, че органичните съединения се топят при 800-1000 0C в земната кора, а горните се охлаждат до температурата на космоса, тоест абсолютната нула. Температурният спад достигна 1000°C. При такива условия органичните молекули се стопиха под въздействието на висока температура и дори напълно се унищожиха, а горната част остана студена, тъй като органичните молекули бяха замръзнали. Газовете и водните пари, изтичащи от земната кора, променят химичния състав на органичните съединения. Газовете пренасят топлина със себе си, карайки границата на топене на органичния слой да се движи нагоре и надолу, създавайки градиент.

При много ниско налягане на атмосферата водата е била на земната повърхност само под формата на пара и лед. Когато налягането достигне така наречената тройна точка на водата (0,006 атмосфери), водата за първи път може да бъде под формата на течност.

Разбира се, само експериментално е възможно да се докаже какво точно е причинило хиралния преход: земни или космически причини. Но по един или друг начин, в един момент хирално подредените молекули (а именно левите аминокиселини и десните захари) се оказаха по-стабилни и започна неудържимо нарастване на техния брой - хирален преход.

Хрониката на планетата също така разказва, че по това време на Земята не е имало нито планини, нито депресии. Полуразтопената гранитна кора беше повърхност, равна на нивото на съвременния океан. В тази равнина обаче все още имаше депресии поради неравномерното разпределение на масите вътре в Земята. Тези понижения изиграха изключително важна роля.

Факт е, че депресиите с плоско дъно с диаметър стотици и дори хиляди километри и дълбочина не повече от сто метра вероятно са се превърнали в люлка на живота. В крайна сметка водата, която се е събрала на повърхността на планетата, се е вливала в тях. Водата разрежда хиралните органични съединения в слоя пепел. Химическият състав на съединението постепенно се променя и температурата се стабилизира. Преходът от неодушевено към живо, който започна в безводни условия, продължи вече във водната среда.

Това ли е произходът на живота? Най-вероятно да. В геоложкия участък Isua (Западна Гренландия), който е на 3,8 милиарда години, са открити съединения, подобни на бензин и масло, с изотопно съотношение C12/C13, характерно за фотосинтетичния въглерод.

Ако биологичната природа на въглеродните съединения от секцията Isua бъде потвърдена, ще се окаже, че целият период от възникването на живота на Земята - от появата на хирална органична материя до появата на клетка, способна на фотосинтеза и възпроизводство - е бил завършен само за сто милиона години. И в този процес водните молекули и ДНК изиграха огромна роля.

Най-удивителното в структурата на водата е, че водните молекули при ниски отрицателни температури и високи налягания вътре в нанотръбите могат да кристализират под формата на двойна спирала, напомняща на ДНК. Това доказаха компютърни експерименти на американски учени, ръководени от Xiao Cheng Zeng от Университета на Небраска (САЩ).

ДНК е двойна верига, усукана в спирала.Всяка нишка се състои от "тухли" - от последователно свързани нуклеотиди. Всеки ДНК нуклеотид съдържа една от четирите азотни бази - гуанин (G), аденин (A) (пурини), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидини), свързани с дезоксирибозата, към последната от своя страна фосфат групата е прикачена. Помежду си съседните нуклеотиди са свързани във верига чрез фосфодиестерна връзка, образувана от 3 "-хидроксилни (3"-OH) и 5"-фосфатни групи (5"-PO3). Това свойство определя наличието на полярност в ДНК, т.е. противоположна посока, а именно 5"- и 3"-краища: 5"-краят на едната нишка съответства на 3"-края на втората нишка. Последователността от нуклеотиди ви позволява да "кодирате" информация за различни видове РНК, най-важните от които са информация или шаблон (mRNA), рибозомна (rRNA) и транспортна (tRNA). Всички тези видове РНК се синтезират върху матрицата на ДНК чрез копиране на ДНК последователността в синтезираната по време на транскрипцията РНК последователност и участват в най-важния процес на живота - предаването и копирането на информация (транслация).

Първичната структура на ДНК е линейната последователност от ДНК нуклеотиди във верига. Последователността на нуклеотидите във веригата на ДНК се записва под формата на литерална формула на ДНК: например - AGTCATGCCAG, записът е от 5 "до 3" края на ДНК веригата.

Вторичната структура на ДНК се формира поради взаимодействията на нуклеотидите (предимно азотни бази) един с друг, водородни връзки. Класически пример за вторичната структура на ДНК е двойната спирала на ДНК. ДНК двойната спирала е най-често срещаната форма на ДНК в природата, състояща се от две полинуклеотидни вериги на ДНК. Изграждането на всяка нова ДНК верига се осъществява на принципа на комплементарността, т.е. всяка азотна база на една верига на ДНК съответства на строго определена основа на другата верига: в комплементарна двойка срещу А е Т, а срещу G е С и т.н.

За да може водата да образува спирала, като в симулативен експеримент, тя е била "поставена" в нанотръби под високо налягане, вариращо в различните експерименти от 10 до 40 000 атмосфери. След това беше зададена температура, която имаше стойност от -23°C. Резервът спрямо точката на замръзване на водата е направен поради факта, че с увеличаване на налягането точката на топене на водния лед намалява. Диаметърът на нанотръбите варира от 1,35 до 1,90 nm.

Ориз. Общ изглед на структурата на водата (изображение New Scientist)

Молекулите на водата са свързани помежду си с водородни връзки, разстоянието между кислородните и водородните атоми е 96 pm, а между два водорода - 150 pm. В твърдо състояние кислородният атом участва в образуването на две водородни връзки със съседни водни молекули. В този случай отделните молекули на H 2 O влизат в контакт една с друга с противоположни полюси. Така се образуват слоеве, в които всяка молекула е свързана с три молекули от своя слой и една от съседните. В резултат на това кристалната структура на леда се състои от шестоъгълни „тръби“, свързани помежду си като пчелна пита.

Ориз. Вътрешна стена на водната структура (изображение на New Scientist)

Учените очакваха да видят, че във всички случаи водата образува тънка тръбна структура. Моделът обаче показа, че при диаметър на тръбата от 1,35 nm и налягане от 40 000 атмосфери, водородните връзки се усукаха, което доведе до образуването на двустенна спирала. Вътрешната стена на тази структура е четворна спирала, а външната стена се състои от четири двойни спирали, подобни на структурата на ДНК молекулата.

Последният факт засяга не само еволюцията на нашите представи за водата, но и еволюцията на ранния живот и самата ДНК молекула. Ако приемем, че в ерата на възникване на живота криолитните глинести скали са имали формата на нанотръби, възниква въпросът - може ли водата, сорбирана в тях, да служи като структурна основа (матрица) за синтез на ДНК и четене на информация? Може би затова спиралната структура на ДНК повтаря спиралната структура на водата в нанотръбите. Според списание New Scientist сега нашите чуждестранни колеги ще трябва да потвърдят съществуването на такива водни макромолекули в реални експериментални условия с помощта на инфрачервена спектроскопия и спектроскопия на неутронно разсейване.

Доцент доктор. О.В. Мосин

Въведение

1. Структурата на водните молекули

2. Структурата на водата в трите й агрегатни състояния

3. Разновидности на водата

4. Аномални свойства на водата

5. Фазови преобразувания и диаграма на състоянието на водата

6. Модели на структурата на вода и лед

7. Инертни видове лед

Заключение

Библиография

Въведение

Водата е най-важното вещество на Земята, без което не може да съществува нито един жив организъм и не могат да протичат никакви биологични, химични реакции и технологични процеси.

Водата (водороден оксид) е течност без мирис, вкус и цвят (синкава в дебели слоеве); H 2 O, казват. м. 18.016, най-простата стабилна връзка. водород с кислород.

Водата е едно от най-често срещаните вещества в природата. Покрива около 3/4 от цялата земна повърхност, образувайки основата на океаните, моретата, езерата, реките, подземните води и блатата. Голямо количество вода има и в атмосферата. Растенията и живите организми съдържат 50-96% вода в състава си.

В междузвездното пространство са открити водни молекули. Водата е част от кометите, повечето планети от Слънчевата система и техните спътници. Количеството вода на повърхността на Земята се оценява на 1,39 * 10 18 тона, по-голямата част от която се съдържа в моретата и океаните. Количеството прясна вода, налично за използване в реки, езера, блата и резервоари, е 2*10 4 тона.2,5-3,010 16 тона, което е само 0,0004% от масата на цялата ни планета.Това количество обаче е достатъчно да покрие цялата повърхност на земното кълбо с 53-метров слой и ако цялата тази маса внезапно се стопи, превръщайки се във вода, нивото на Световния океан би се повишило с около 64 метра в сравнение със сегашното.), там е приблизително същото количество подпочвена вода и само малка част от нея е прясна. Атмосферата съдържа прибл. 1,3 * 10 13 тона вода. Водата е част от много минерали и скали (глина, гипс и др.), присъства в почвата и е основен компонент на всички живи организми.

Плътност H 2 O \u003d 1 g / cm3 (при 3,98 градуса), t pl. = 0 градуса и t kip = 100 градуса. Топлинният капацитет на водата е 4,18 J / (g / K) Mr (H 2 O) \u003d 18 и съответства на най-простата му формула. Въпреки това, молекулното тегло на течната вода, определено чрез изследване на нейните разтвори в други разтворители, се оказва по-високо. Това показва, че в течната вода има асоцииране на молекули, т.е. комбинирането им в по-сложни агрегати. Водата е единственото вещество в природата, което съществува на земята и в трите агрегатни състояния: Голяма част от водата е в газообразно състояние под формата на пари в атмосферата; под формата на огромни маси от сняг и лед, той лежи през цялата година по върховете на високите планини и в полярните страни. В недрата на земята също има вода, която напоява почвата и скалите.

Климатът зависи от водата. Геофизиците казват, че Земята отдавна би се охладила и би се превърнала в безжизнено парче камък, ако не беше водата. Тя има много висок топлинен капацитет. При нагряване поглъща топлина; охлаждайки го раздава. Водата на сушата хем поема, хем връща много топлина и така "изравнява" климата. А Земята е защитена от космическия студ от тези водни молекули, които са разпръснати в атмосферата - в облаци и под формата на пари ... не можете без вода - това е най-важното вещество на Земята.

Водата е познато и необичайно вещество. известен съветски учен

Академик И. В. Петрянов нарече научно-популярната си книга за водата „най-необикновеното вещество в света“. И "Занимателна физиология", написана от Б. Ф. Сергеев, доктор на биологичните науки, започва с глава за водата - "Веществото, което създаде нашата планета".

1. Структурата на водната молекула

От всички обикновени течности водата е най-универсалният разтворител, течността с най-високи стойности на повърхностно напрежение, диелектрична константа, топлина на изпаряване и най-високата (след амоняка) топлина на топене. За разлика от повечето вещества, водата се разширява, когато замръзне при ниско налягане.

Тези специфични свойства на водата са свързани със специалната структура на нейната молекула. Химическата формула на водата H 2 0 е измамно проста. Във водната молекула ядрата на водородните атоми са разположени асиметрично по отношение на ядрото на кислородния атом и електроните. Ако кислородният атом е в центъра на тетраедъра, центровете на масата на двата водородни атома ще бъдат в ъглите на тетраедъра, а центровете на заряд на двете двойки електрони ще заемат другите два ъгъла (фиг. 1.1). По този начин четири електрона се намират на възможно най-голямото разстояние както от ядрото на кислородния атом, така и от ядрата на водородните атоми, при което те все още се привличат от ядрото на кислородния атом. Останалите шест електрона на водната молекула са разположени по следния начин: четири електрона са в позиция, която осигурява химическа връзка между ядрата на кислородните и водородните атоми, а другите два са разположени близо до ядрото на кислородния атом.

Асиметричното разположение на атомите на водната молекула причинява неравномерно разпределение на електрическите заряди в нея, което прави водната молекула полярна. Тази структура на водната молекула причинява привличането на водните молекули една към друга в резултат на образуването на водородни връзки между тях. Подреждането на водородните и кислородните атоми вътре в образуваните агрегати от водни молекули е подобно на разположението на силициевите и кислородните атоми в кварца. Това се отнася за леда и в по-малка степен за течната вода, чиито агрегати от молекули винаги са в етап на преразпределение. Когато водата се охлади, нейните молекули се групират в агрегати, които постепенно се увеличават и стават все по-стабилни, когато се приближават до температура от 4 ° C, когато водата достига максималната си плътност. При тази температура водата все още няма твърда структура и заедно с дългите вериги от нейните молекули има голям брой отделни водни молекули. При по-нататъшно охлаждане веригите от водни молекули растат поради добавянето на свободни молекули към тях, в резултат на което плътността на водата намалява. Когато водата се превърне в лед, всички нейни молекули влизат в повече или по-малко твърда структура под формата на отворени вериги, които образуват кристали.

Фиг.1.1 Структурата на водната молекула

Взаимно проникване на водородни и кислородни атоми. Ядрата на два водородни атома и две двойки електрони са разположени в ъглите на тетраедъра: ядрото на кислородния атом е разположено в центъра.

Високите стойности на повърхностното напрежение и топлината на изпаряване на водата се обясняват с факта, че е необходим относително голям разход на енергия за отделяне на водна молекула от група молекули. Склонността на водните молекули да установяват водородни връзки и тяхната полярност обяснява необичайно високата разтворимост на водата. Някои съединения, като захари и алкохоли, се държат в разтвор чрез водородни връзки. Съединения с висока степен на йонизация във вода, като натриев хлорид, се задържат в разтвор поради факта, че йони с противоположни заряди се неутрализират от групи от ориентирани водни молекули.

Друга особеност на водната молекула е, че както водородните, така и кислородните атоми могат да имат различни маси за един и същи ядрен заряд. Разновидности на химичен елемент с различно атомно тегло се наричат ​​изотопи на този елемент. Молекулата на водата обикновено се образува от водород с атомно тегло 1 (H 1) и кислород с атомно тегло 16 (O 16). Повече от 99% от водните атоми принадлежат към тези изотопи. Освен това има следните изотопи: H 2, H 3, O 14, O 15, O 17, O 18, O 19. Много от тях се натрупват във водата в резултат на частичното й изпарение и поради голямата им маса. Изотопите H 3 , O 14 , O 15 , O 19 са радиоактивни. Най-често срещаният от тях е тритий Н 3, който се образува в горните слоеве на атмосферата под въздействието на космическите лъчи. Този изотоп се е натрупал и в резултат на ядрени експлозии през последните няколко години. Въз основа на тези и други факти за изотопите, чрез анализиране на изотопния състав на водата е възможно частично да се разкрие историята на някои природни води. По този начин съдържанието на тежки изотопи в повърхностните води показва дългосрочно изпаряване на водата, което се случва например в Мъртво море, Голямото солено езеро и в други ендореични резервоари. Повишените нива на тритий в подземните води може да означават, че тези води са от метеоритен произход с висока скорост на циркулация, тъй като полуживотът на този изотоп е само 12,4 години. За съжаление, изотопният анализ е твърде скъп и поради тази причина не може да се използва широко в изследванията на природните води.

Водната молекула H 2 O е изградена под формата на триъгълник: ъгълът между двете кислородно-водородни връзки е 104 градуса. Но тъй като и двата водородни атома са разположени от една и съща страна на кислорода, електрическите заряди в него се разпръскват. Молекулата на водата е полярна, което е причината за особеното взаимодействие между различните й молекули.

Водородните атоми в молекулата на H 2 O, имащи положителен частичен заряд, взаимодействат с електроните на кислородните атоми на съседните молекули. Такава химична връзка се нарича водородна връзка. Той комбинира H 2 O молекули в полимери с уникална пространствена структура; равнината, в която са разположени водородните връзки, е перпендикулярна на равнината на атомите на една и съща молекула H 2 O. Взаимодействието между водните молекули обяснява преди всичко неравномерно високите температури на нейното топене и кипене. Необходима е допълнителна енергия за разхлабване и след това разрушаване на водородните връзки. И тази енергия е много значима. Ето защо топлинният капацитет на водата е толкова висок.

Както повечето вещества, водата е изградена от молекули, а последната от атоми.

От 14-те известни форми на твърда вода в природата срещаме само една - лед. Останалите се образуват при екстремни условия и не са достъпни за наблюдение извън специални лаборатории. Най-интригуващото свойство на леда е невероятното разнообразие от външни прояви. С една и съща кристална структура може да изглежда напълно различно, приемайки формата на прозрачни градушки и ледени висулки, пухкави снежни люспи, плътна лъскава кора от фирн върху заснежено поле или гигантски ледникови маси.

В малкия японски град Кага, разположен на западния бряг на остров Хоншу, има необичаен музей. Сняг и лед. Основан е от Укихиро Накая - първият човек, който се е научил как да отглежда изкуствени снежинки в лабораторията, красиви като тези, които падат от небето. В този музей правилните шестоъгълници заобикалят посетителите от всички страни, защото именно тази - шестоъгълна - симетрия е характерна за обикновените ледени кристали (между другото, гръцката дума кристалос всъщност означава "лед"). Той определя много от неговите уникални свойства и кара снежинките, с цялото им безкрайно разнообразие, да растат под формата на звезди с шест, по-рядко три или дванадесет лъча, но никога четири или пет.

Молекули в ажур

Ключът към структурата на твърдата вода се крие в структурата на нейната молекула. H2O може просто да си представим като тетраедър (пирамида с триъгълна основа). В центъра е кислородът, в два върха - от водорода, по-точно - от протона, чиито електрони участват в образуването на ковалентна връзка с кислорода. Останалите два върха са заети от двойки валентни електрони на кислорода, които не участват в образуването на вътрешномолекулни връзки, поради което се наричат ​​самотни.

Ледът, който се образува при атмосферно налягане и се топи при 0°C, е най-познатото, но все още не напълно разбрано вещество. Много в неговата структура и свойства изглежда необичайно. Във възлите на кристалната решетка на леда кислородните атоми са подредени по подреден начин, образувайки правилни шестоъгълници, но водородните атоми заемат различни позиции по дължината на връзките. Това поведение на атомите като цяло е нетипично - като правило, в твърда материя всички се подчиняват на един и същ закон: или всички атоми са подредени, и тогава това е кристал, или случайно, и тогава това е аморфно вещество.

„Странността“ на леда включва и генерирането на електромагнитно излъчване от растящите му кристали. Отдавна е известно, че повечето от примесите, разтворени във вода, не се прехвърлят в леда, когато той започне да расте, с други думи, той замръзва. Следователно, дори и върху най-мръсната локва, леденият филм е чист и прозрачен. Примесите се натрупват на границата между твърди и течни среди под формата на два слоя електрически заряди с различни знаци, които причиняват значителна потенциална разлика. Зареденият слой от примеси се движи заедно с долната граница на младия лед и излъчва електромагнитни вълни. Благодарение на това процесът на кристализация може да се наблюдава в детайли. По този начин кристалът, който расте по дължина под формата на игла, излъчва различно от този, покрит със странични израстъци, а излъчването на растящите зърна се различава от това, което се получава, когато кристалите се напукат. От формата, последователността, честотата и амплитудата на радиационните импулси може да се определи скоростта, с която ледът замръзва и какъв вид структура на леда се получава.

Грешен лед

В твърдо състояние водата има според последните данни 14 структурни модификации. Сред тях има кристални (те са мнозинството), има аморфни, но всички те се различават помежду си по взаимното разположение на водните молекули и свойства. Вярно е, че всичко, с изключение на познатия ни лед, се образува при екзотични условия - при много ниски температури и високо налягане, когато ъглите на водородните връзки във водната молекула се променят и се образуват системи, различни от шестоъгълните. Например при температури под -110°C водните пари се утаяват върху метална плоча под формата на октаедри и кубчета с размери няколко нанометра – това е така нареченият кубичен лед. Ако температурата е малко над -110°C и концентрацията на пари е много ниска, върху плочата се образува слой от изключително плътен аморфен лед.

Последните две модификации на лед - XIII и XIV - бяха открити от учени от Оксфорд съвсем наскоро, през 2006 г. Прогнозата преди 40 години, че трябва да съществуват ледени кристали с моноклинни и ромбични решетки, беше трудно да се потвърди: вискозитетът на водата при температура от -160 ° C е много висок и молекулите на свръхчистата преохладена вода се събират в такова количество, че образува се кристално ядро, трудно. Помогнал катализатор - солна киселина, която увеличи подвижността на водните молекули при ниски температури. В земната природа такива модификации на лед не могат да се образуват, но могат да бъдат търсени на замръзналите спътници на други планети.

Снежинката е единичен кристал от лед, вариация на темата за шестоъгълен кристал, но нараства бързо, в неравновесни условия. Най-любознателните умове от векове се борят с тайната на тяхната красота и безкрайно разнообразие. Астрономът Йоханес Кеплер през 1611 г. написва цял трактат "За шестоъгълните снежинки". През 1665 г. Робърт Хук, в огромен обем от скици на всичко, което е видял с микроскоп, публикува много рисунки на снежинки с различни форми. Първата успешна снимка на снежинка под микроскоп е направена през 1885 г. от американския фермер Уилсън Бентли. Оттогава той не може да спре. До края на живота си, повече от четиридесет години, Бентли ги снима. Повече от пет хиляди кристала и нито един от тях не е същият.

Най-известните последователи на случая Бентли са вече споменатият Укихиро Накая и американският физик Кенет Либрехт. Накая беше първият, който предположи, че размерът и формата на снежинките зависят от температурата на въздуха и съдържанието на влага, и блестящо потвърди тази хипотеза експериментално, отглеждайки ледени кристали с различни форми в лабораторията. И Либрехт у дома започна да отглежда снежинки по поръчка - предварително определена форма.

Животът на снежинката започва с образуването на кристални ледени ядра в облак от водна пара, докато температурата пада. Центърът на кристализация може да бъде прахови частици, всякакви твърди частици или дори йони, но във всеки случай тези парчета лед с размер по-малък от една десета от милиметъра вече имат шестоъгълна кристална решетка.

Водните пари, кондензиращи върху повърхността на тези ядра, първо образуват малка шестоъгълна призма, от шестте ъгъла на която започват да растат еднакви ледени игли - странични израстъци. Те са еднакви просто защото температурата и влажността около ембриона също са еднакви. На тях, от своя страна, растат, като на дърво, странични процеси - клонки. Такива кристали се наричат ​​дендрити, тоест подобни на дърво.

Движейки се нагоре и надолу в облака, снежинката навлиза в условия с различна температура и концентрация на водни пари. Формата му се променя, като до последно се подчинява на законите на шестоъгълната симетрия. Така снежинките стават различни. Въпреки че теоретично в един и същи облак на една и съща височина те могат да "възникнат" едно и също. Но всеки има свой собствен път до земята, доста дълъг - средно една снежинка пада със скорост 0,9 км в час. И така, всеки има своя собствена история и своя окончателна форма. Ледът, който образува снежинка, е прозрачен, но когато има много от тях, слънчевата светлина, отразявайки се и разпръсквайки се върху многобройни лица, ни създава впечатлението за бяла непрозрачна маса - наричаме я сняг.

Растежът на скреж, скреж и шарки върху стъкло се подчинява на същите закони. Тези явления, подобно на снежинките, се образуват от кондензация, молекула по молекула - върху земята, тревата, дърветата. Шарките на прозореца се появяват при замръзване, когато влагата от топъл стаен въздух кондензира върху повърхността на стъклото. Но градушка се получава, когато водните капки се втвърдят или когато в облаци, наситени с водни пари, ледът замръзва на плътни слоеве върху зародишите на снежинките. Други, вече образувани снежинки могат да замръзнат върху градушките, стопявайки се с тях, благодарение на което градушките придобиват най-причудливи форми.

На Земята ни е достатъчна една твърда модификация на водата - обикновен лед. Той буквално прониква във всички области на човешкото обитаване или престой. Събирайки се в огромни количества, снегът и ледът образуват специални структури с коренно различни свойства от отделните кристали или снежинки. Планинските ледници, ледените покрития на водните площи, вечната замръзналост и просто сезонната снежна покривка значително влияят върху климата на големи региони и планетата като цяло: дори тези, които никога не са виждали сняг, усещат дъха на неговите маси, натрупани на полюсите на Земята , например, под формата на дългосрочни колебания в нивото на Световния океан. А ледът е толкова важен за външния вид на нашата планета и комфортното обитаване на живите същества на нея, че учените са определили специална среда за него - криосферата, която простира своите владения високо в атмосферата и дълбоко в земната кора.

Олга Максименко, кандидат на химическите науки

Концепцията за молекула (и нейните производни идеи за молекулярната структура на материята, структурата на самата молекула) ни позволява да разберем свойствата на веществата, които създават света. Съвременните, както и ранните физични и химични изследвания се основават на грандиозното откритие на атомната и молекулярната структура на материята. Молекулата е единичен „детайл“ от всички вещества, чието съществуване е предложено от Демокрит. Следователно неговата структура и връзка с други молекули (формиращи определена структура и състав) определят / обясняват всички разлики между веществата, техния вид и свойства.

Самата молекула, тъй като не е най-малкият компонент на веществото (което е атом), има определена структура и свойства. Структурата на една молекула се определя от броя на влизащите в нея определени атоми и естеството на връзката (ковалентна) между тях. Този състав остава непроменен, дори ако веществото се трансформира в друго състояние (както например се случва с водата - това ще бъде обсъдено по-късно).

Молекулярната структура на веществото се фиксира с формула, която предоставя информация за атомите, техния брой. Освен това молекулите, които изграждат дадено вещество/тяло, не са статични: те самите са подвижни – атомите се въртят, взаимодействайки помежду си (привличат/отблъскват).

Характеристики на водата, нейното състояние

Съставът на такова вещество като вода (както и неговата химична формула) е познат на всички. Всяка молекула е изградена от три атома: кислороден атом, обозначен с буквата "О", и водородни атоми - латинското "Н", в количество 2. Формата на водната молекула не е симетрична (подобно на равнобедрен триъгълник).

Водата, като вещество, нейните съставни молекули, реагира на външната "среда", показателите на околната среда - температура, налягане. В зависимост от последното, водата може да промени състоянието, от които има три:

1. Най-познатото, естествено състояние на водата е течност. Молекулна структура (дихидрол) с особен ред, в който единични молекули запълват (чрез водородни връзки) празнини.
2. Състоянието на пара, при което молекулната структура (хидрол) е представена от единични молекули, между които не се образуват водородни връзки.
3. Твърдото състояние (всъщност лед) има молекулна структура (трихидрол) със силни и стабилни водородни връзки.

В допълнение към тези различия, естествено, начините за „преход“ на вещество от едно състояние (течност) към други също се различават. Тези преходи едновременно трансформират веществото и провокират трансфера на енергия (освобождаване/абсорбция). Сред тях има преки процеси - превръщането на течната вода в пара (изпаряване), в лед (замръзване) и обратни - в течност от пара (кондензация), от лед (топене). Също така, състоянията на водата - пара и лед - могат да се трансформират едно в друго: сублимация - лед в пара, сублимация - обратен процес.

Специфика на леда като състояние на водата

Широко известно е, че ледът замръзва (трансформира се от вода), когато температурата премине границата до нула градуса. Въпреки че в това напълно разбираемо явление има някои нюанси. Например, състоянието на леда е двусмислено, неговите видове и модификации са различни. Те се различават преди всичко по условията, при които възникват - температура, налягане. Има петнадесет такива модификации.

Ледът в различните му форми има различна молекулярна структура (молекулите са неразличими от водните молекули). Естественият и естествен лед, в научната терминология наричан лед Ih, е вещество с кристална структура. Тоест всяка молекула с четири заобикалящи я „съседи“ (разстоянието между всички е еднакво) създава геометрична фигура на тетраедър. Други фази на леда имат по-сложна структура, като силно подредената структура на тригонален, кубичен или моноклинен лед.

Основните разлики между леда и водата на молекулярно ниво

Първият и не е пряко свързан с молекулярната структура на водата и леда, разликата между тях е показател за плътността на веществото. Кристалната структура, присъща на леда, когато се образува, допринася за едновременно намаляване на плътността (от почти 1000 kg/m³ до 916,7 kg/m³). И това стимулира увеличаване на обема с 10%.


Основната разлика в молекулярната структура на тези агрегатни състояния на водата (течна и твърда) е в броя, вида и силата на водородните връзки между молекулите. В лед (твърдо състояние) пет молекули са обединени от тях, а самите водородни връзки са по-силни.

Самите молекули на веществата вода и лед, както споменахме по-рано, са еднакви. Но в ледените молекули кислороден атом (за да създаде кристална „решетка“ на вещество) образува водородни връзки (две) със „съседни“ молекули.

Това, което отличава веществото на водата в различните му състояния (агрегат) е не само структурата на подреждането на молекулите (молекулна структура), но и тяхното движение, силата на връзката / привличането между тях. Молекулите на водата в течно състояние се привличат доста слабо, осигурявайки течливостта на водата. В твърдия лед привличането на молекулите е най-силно и следователно тяхната двигателна активност е ниска (тя осигурява постоянството на формата на леда).