Su tanıdık ve alışılmadık bir maddedir. Gezegenimizin yüzeyinin neredeyse 3/4'ü okyanuslar ve denizler tarafından işgal edilmiştir. Katı su - kar ve buz - toprağın %20'sini kaplar. Gezegenin iklimi suya bağlıdır. Jeofizikçiler diyor ki Su olmasaydı, dünya çok daha önce soğur ve cansız bir taşa dönüşürdü.Çok yüksek bir ısı kapasitesine sahiptir. Isıtıldığında ısıyı emer; soğuyor, veriyor. Karasal su hem çok fazla ısıyı emer hem de geri verir ve böylece iklimi "düzeyler". Ve atmosfere dağılmış olan su molekülleri - bulutlarda ve buharlar şeklinde, Dünya'yı kozmik soğuktan korur.

Su, DNA'dan sonra doğadaki en gizemli maddedir. sadece henüz tam olarak açıklanmayan, ancak hepsinden çok uzak bilinen benzersiz özelliklere sahip. Ne kadar uzun süre incelenirse, içinde o kadar çok yeni anomaliler ve gizemler bulunur. Dünya üzerinde yaşam olasılığını sağlayan bu anomalilerin çoğu, su molekülleri arasında, diğer maddelerin molekülleri arasındaki van der Waals çekim kuvvetlerinden çok daha güçlü, ancak bir büyüklük sırası daha zayıf olan hidrojen bağlarının varlığı ile açıklanmaktadır. moleküllerdeki atomlar arasındaki iyonik ve kovalent bağlardan daha fazladır. Aynı hidrojen bağları DNA molekülünde de bulunur.

Su molekülü (H 2 16 O) iki hidrojen atomundan (H) ve bir oksijen atomundan (16 O) oluşur. Suyun hemen hemen tüm özelliklerinin ve tezahürlerinin olağandışı doğasının, nihayetinde bu atomların fiziksel doğası, bir molekül halinde birleştirilme biçimleri ve sonuçta ortaya çıkan moleküllerin gruplanması tarafından belirlendiği ortaya çıktı.

Pirinç. Su molekülünün yapısı . H2O monomerinin geometrik şeması (a), düz modeli (b) ve uzaysal elektronik yapısı (c). Oksijen atomunun dış kabuğunun dört elektronundan ikisi, hidrojen atomları ile kovalent bağların oluşturulmasına katılır ve diğer ikisi, düzlemi H-O-H düzlemine dik olan güçlü bir şekilde uzatılmış elektron yörüngeleri oluşturur.

Su molekülü H 2 O bir üçgen şeklinde inşa edilmiştir: iki oksijen-hidrojen bağı arasındaki açı 104 derecedir. Ancak her iki hidrojen atomu da oksijenin aynı tarafında bulunduğundan, içindeki elektrik yükleri dağılır. Su molekülü polardır, bu da farklı molekülleri arasındaki özel etkileşimin nedenidir. Kısmi pozitif yüke sahip olan H 2 O molekülündeki hidrojen atomları, komşu moleküllerin oksijen atomlarının elektronları ile etkileşime girer. Böyle bir kimyasal bağa hidrojen bağı denir. H 2 O moleküllerini uzamsal yapının kendine özgü ortaklarıyla birleştirir; hidrojen bağlarının bulunduğu düzlem, aynı H 2 O molekülünün atomlarının düzlemine diktir Su molekülleri arasındaki etkileşim, öncelikle erime ve kaynamanın düzensiz yüksek sıcaklıklarını açıklar. Hidrojen bağlarını gevşetmek ve sonra kırmak için ek enerji gereklidir. Ve bu enerji çok önemlidir. Bu nedenle suyun ısı kapasitesi çok yüksektir.

Su molekülü iki polar H-O kovalent bağına sahiptir. Bir oksijen atomunun iki tek elektronlu p-bulutunun ve iki hidrojen atomunun bir elektronlu S-bulutunun örtüşmesi nedeniyle oluşurlar.

Hidrojen ve oksijen atomlarının elektronik yapısına uygun olarak su molekülünün dört elektron çifti vardır. Bunlardan ikisi, iki hidrojen atomu ile kovalent bağların oluşumunda rol oynar, yani. bağlayıcıdır. Diğer iki elektron çifti serbesttir - bağ yapmazlar. Bir elektron bulutu oluştururlar. Bulut homojen değildir - içindeki bireysel konsantrasyonları ve seyrekliği ayırt etmek mümkündür.

Bir su molekülünde dört kutup vardır: ikisi pozitif, ikisi negatif. Oksijen hidrojenden daha elektronegatif olduğundan, pozitif yükler hidrojen atomlarında yoğunlaşır. İki negatif kutup, oksijenin bağ yapmayan iki elektron çifti üzerine düşer.

Oksijen çekirdeğinde fazla elektron yoğunluğu oluşur. Oksijenin iç elektron çifti çekirdeği eşit olarak çerçeveler: şematik olarak merkezi - O2 - çekirdeği olan bir daire ile temsil edilir. Dört dış elektron, çekirdeğe doğru çekim yapan, ancak kısmen telafi edilmeyen iki elektron çifti halinde gruplandırılmıştır. Şematik olarak, bu çiftlerin toplam elektronik yörüngeleri, ortak bir merkezden - O2 çekirdeğinden uzatılmış elipsler olarak gösterilmiştir. Kalan iki oksijen elektronunun her biri bir hidrojen elektronu ile eşleşir. Bu buharlar ayrıca oksijen çekirdeğine doğru çekilir. Bu nedenle, hidrojen çekirdekleri - protonlar - biraz çıplaktır ve burada elektron yoğunluğu eksikliği vardır.

Böylece, bir su molekülünde dört kutuplu yük ayırt edilir: iki negatif (oksijen çekirdeği bölgesinde aşırı elektron yoğunluğu) ve iki pozitif (iki hidrojen çekirdeğinde elektron yoğunluğu eksikliği). Daha fazla netlik için, kutupların, merkezinde bir oksijen çekirdeği bulunan deforme olmuş bir tetrahedronun köşelerini işgal ettiği düşünülebilir.

Pirinç. Su molekülünün yapısı: a – O-H bağları arasındaki açı; b - şarj direklerinin yeri; c - su molekülünün elektron bulutunun görünümü.

Neredeyse küresel su molekülü, içindeki elektrik yükleri asimetrik olarak yerleştirildiğinden, belirgin şekilde belirgin bir polariteye sahiptir. Her su molekülü, 1.87 debay'lık yüksek bir dipol momentine sahip minyatür bir dipoldür. Debye, elektrik dipol 3.33564·10 30 C·m'nin sistem dışı bir birimidir. Su dipollerinin etkisi altında, içine daldırılan bir maddenin yüzeyindeki atomlar arası veya moleküller arası kuvvetler 80 kat zayıflar. Başka bir deyişle, suyun yüksek bir dielektrik sabiti vardır, bu, bildiğimiz tüm bileşiklerin en yükseğidir.

Büyük ölçüde bundan dolayı su, evrensel bir çözücü olarak kendini gösterir. Katılar, sıvılar ve gazlar, bir dereceye kadar çözme etkisine tabidir.

Suyun özgül ısı kapasitesi tüm maddeler arasında en yüksek olanıdır. Ek olarak, buzdan 2 kat daha yüksektir, çoğu basit madde (örneğin metaller) için ısı kapasitesi erime sırasında pratik olarak değişmez ve poliatomik moleküllerden gelen maddeler için kural olarak erime sırasında azalır.

Molekülün yapısı hakkında böyle bir fikir, suyun birçok özelliğini, özellikle buzun yapısını açıklamayı mümkün kılar. Buzun kristal kafesinde, moleküllerin her biri diğer dört molekülle çevrilidir. Düzlemsel bir görüntüde bu şu şekilde temsil edilebilir:

Moleküller arasındaki iletişim bir hidrojen atomu aracılığıyla gerçekleştirilir. Bir su molekülünün pozitif yüklü hidrojen atomu, başka bir su molekülünün negatif yüklü oksijen atomuna çekilir. Böyle bir bağa hidrojen bağı denir (noktalarla gösterilir). Kuvvet açısından, bir hidrojen bağı, bir kovalent bağdan yaklaşık 15-20 kat daha zayıftır. Bu nedenle, örneğin suyun buharlaşması sırasında gözlenen hidrojen bağı kolayca kırılır.

Pirinç. sol - Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları

Sıvı suyun yapısı buza benzer. Sıvı suda, moleküller de hidrojen bağları yoluyla birbirine bağlanır, ancak suyun yapısı buzunkinden daha az "sert"tir. Moleküllerin sudaki termal hareketi nedeniyle bazı hidrojen bağları kırılır, diğerleri oluşur.

Pirinç. Buz kristali kafes. Düğümlerindeki su molekülleri H 2 O (siyah toplar), her birinin dört "komşusu" olacak şekilde yerleştirilmiştir.

Su moleküllerinin polaritesi, içlerinde kısmen telafi edilmemiş elektrik yüklerinin varlığı, molekülleri genişlemiş "topluluklar" - ortaklar halinde gruplandırma eğilimine yol açar. Sadece buhar halindeki suyun H2O formülüne tamamen karşılık geldiği ortaya çıktı. Bu, su buharının moleküler ağırlığının belirlenmesinin sonuçlarıyla gösterilmiştir. 0 ila 100°C sıcaklık aralığında, tek tek (monomerik moleküller) sıvı suyun konsantrasyonu %1'i geçmez. Diğer tüm su molekülleri, değişen karmaşıklık derecelerinde ortaklar halinde birleştirilir ve bunların bileşimi, genel formül (H20)x ile tanımlanır.

Ortakların oluşumunun acil nedeni, su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarıdır. Bazı moleküllerin hidrojen çekirdekleri ile diğer su moleküllerinin oksijen çekirdeklerinin elektronik "kümeleri" arasında ortaya çıkarlar. Doğru, bu bağlar "standart" molekül içi kimyasal bağlardan on kat daha zayıftır ve sıradan moleküler hareketler onları yok etmek için yeterlidir. Ancak termal titreşimlerin etkisi altında, bu türden yeni bağlar da kolayca ortaya çıkar. Ortakların ortaya çıkışı ve çürümesi şema ile ifade edilebilir:

x H 2 O↔ (H 2 O) x

Her su molekülündeki elektron orbitalleri bir tetrahedral yapı oluşturduğundan, hidrojen bağları su moleküllerinin düzenini tetrahedral koordineli ortaklar şeklinde düzenleyebilir.

Çoğu araştırmacı, sıvı suyun anormal derecede yüksek ısı kapasitesini, buz eridiğinde kristal yapısının hemen bozulmaması gerçeğiyle açıklar. Sıvı suda, moleküller arasındaki hidrojen bağları korunur. Büyük veya daha az sayıda su molekülünden gelen buz parçaları olarak kalır. Bununla birlikte, buzdan farklı olarak, her bir ortak uzun süre var olmaz. Sürekli olarak bazılarının yıkımı ve diğer ortakların oluşumu vardır. Bu süreçte sudaki her sıcaklık değerinde kendi dinamik dengesi kurulur. Ve su ısıtıldığında, ısının bir kısmı ortaklardaki hidrojen bağlarını kırmak için harcanır. Bu durumda, her bir bağı kırmak için 0.26-0.5 eV harcanır. Bu, hidrojen bağı oluşturmayan diğer maddelerin eriyiklerine kıyasla suyun anormal derecede yüksek ısı kapasitesini açıklar. Bu tür eriyikler ısıtıldığında, enerji yalnızca termal hareketleri atomlarına veya moleküllerine iletmek için harcanır. Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları ancak su buhara geçtiğinde tamamen kopar. Bu bakış açısının doğruluğu, aynı zamanda, 100°C'deki su buharının özgül ısısının, 0°C'deki buzun özgül ısısıyla pratik olarak çakışması gerçeğiyle de gösterilir.

Resim aşağıda:

İlişkilendirmenin temel yapısal öğesi kümedir: Pirinç. Ayrı bir varsayımsal su kümesi. Ayrı kümeler, su moleküllerinin (H 2 O) x ortaklarını oluşturur: Pirinç. Su moleküllerinin kümeleri ortaklar oluşturur.

Suyun anormal derecede yüksek ısı kapasitesinin doğası hakkında başka bir bakış açısı var. Profesör G. N. Zatsepina, 18 cal/(molgrad) olan suyun molar ısı kapasitesinin, triatomik kristallere sahip katı bir cismin teorik molar ısı kapasitesine tam olarak eşit olduğunu fark etti. Ve Dulong ve Petit yasasına göre, yeterince yüksek bir sıcaklıkta kimyasal olarak basit (monatomik) tüm kristal cisimlerin atomik ısı kapasiteleri aynıdır ve 6 calDmol o dereceye eşittir). Ve gramında 3 N kristal kafes bölgesi bulunan triatomik olanlar için - 3 kat daha fazla. (Burada N a, Avogadro'nun sayısıdır).

Suyun, olduğu gibi, triatomik H 2 0 moleküllerinden oluşan kristal bir cisim olduğu izler.Bu, suyun küçük bir serbest H 2 O su molekülü karışımı ile kristal benzeri ortakların bir karışımı olarak ortak fikrine karşılık gelir. aralarında, sayısı artan sıcaklıkla artar. Bu açıdan bakıldığında, şaşırtıcı olan sıvı suyun yüksek ısı kapasitesi değil, katı buzun düşük ısı kapasitesidir. Donma sırasında suyun özgül ısısındaki azalma, bir hidrojen bağına neden olan her protonun termal titreşimler için üç yerine yalnızca bir serbestlik derecesine sahip olduğu, buzun sert kristal kafesindeki atomların enine termal titreşimlerinin olmamasıyla açıklanır.

Ancak, basınçta karşılık gelen değişiklikler olmadan suyun ısı kapasitesindeki bu kadar büyük değişiklikler ne ve nasıl olabilir? Bu soruyu cevaplamak için buluşalım jeolojik ve mineralojik bilimler adayı Yu. A. Kolyasnikov'un suyun yapısı hakkındaki hipotezi ile.

1932'de J. Bernal ve R. Fowler'ın hidrojen bağlarını keşfedenlerin bile sıvı suyun yapısını kuvarsın kristal yapısıyla karşılaştırdığına ve yukarıda bahsedilen ortakların esas olarak 4H20 tetramerleri olduğuna ve bunların içinde dört molekül suyun bulunduğuna dikkat çekiyor. on iki dahili hidrojen bağı ile kompakt bir tetrahedron içinde bağlanmıştır. Sonuç olarak, bir tetrahedral piramit oluşur - bir tetrahedron.

Aynı zamanda, bu tetramerlerdeki hidrojen bağları, tıpkı tetrahedral bir yapıya sahip olan yaygın kuvars kristallerinin (Si02) sağ ve sol kristal olarak gelmesi gibi hem sağ hem de sol el dizileri oluşturabilir. formlar. Bu tür su tetramerlerinin her biri aynı zamanda (bir su molekülü gibi) dört kullanılmamış harici hidrojen bağına sahip olduğundan, tetramerler bu harici bağlarla bir DNA molekülü gibi bir tür polimer zincirine bağlanabilir. Ve sadece dört dış bağ ve üç kat daha fazla iç bağ olduğundan, bu, sıvı sudaki ağır ve güçlü tetramerlerin termal titreşimlerle zayıflamış bu dış hidrojen bağlarını bükmesine, döndürmesine ve hatta kırmasına izin verir. Su akışının nedeni budur.

Kolyasnikov'a göre su, yalnızca sıvı halde ve muhtemelen kısmen buhar halinde böyle bir yapıya sahiptir. Ancak, kristal yapısı iyi çalışılmış olan buzda, tetrahidroller, esnek olmayan eşit güçte doğrudan hidrojen bağları ile, buzun yoğunluğunu suyun yoğunluğundan daha az yapan, içinde büyük boşluklar bulunan bir açık çerçeve çerçevesine bağlanır.

Pirinç. Buzun kristal yapısı: su molekülleri düzenli altıgenler halinde bağlanır

Buz eridiğinde, içindeki hidrojen bağlarının bir kısmı zayıflar ve bükülür, bu da yapının yukarıda açıklanan tetramerler halinde yeniden düzenlenmesine yol açar ve sıvı suyu buzdan daha yoğun hale getirir. 4°C'de, tetramerler arasındaki tüm hidrojen bağlarının maksimum düzeyde büküldüğü ve bu sıcaklıkta suyun maksimum yoğunluğunu belirleyen bir durum ortaya çıkar. Diğer bağlantıların bükülecek yeri yoktur.

4°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda tetramerler arasındaki bireysel bağların kopması başlar ve 36-37°C'de dış hidrojen bağlarının yarısı kopar. Bu, suyun özgül ısı kapasitesinin sıcaklığa bağımlılık eğrisindeki minimumu belirler. 70°C'lik bir sıcaklıkta, hemen hemen tüm intertetramer bağları zaten kopmuştur ve serbest tetramerlerle birlikte, bunların sadece kısa "polimerik" zincirleri suda kalır. Son olarak, su kaynadığında, artık tekli tetramerlerin bireysel H2 0 moleküllerine son kırılması meydana gelir ve suyun özgül buharlaşma ısısının, buzun erimesinin özgül ısılarının toplamından tam olarak 3 kat daha büyük olması ve sonraki suyun 100 ° C'ye ısıtılması, Kolyasnikov'un Hakkında varsayımını doğrular. tetramerdeki iç bağların sayısı, dış bağların sayısından 3 kat daha fazladır.

Suyun böyle bir tetrahedral sarmal yapısı, kuvars ve yerkabuğunda yaygın olan ve bir zamanlar suyun derinliklerinden Dünya'da ortaya çıktığı diğer silikon-oksijen mineralleri ile eski reolojik ilişkisinden kaynaklanıyor olabilir. Küçük bir tuz kristali, çevreleyen çözeltinin diğerlerine değil de kendisine benzer kristallere kristalleşmesine neden olduğu gibi, kuvars da su moleküllerinin enerji açısından en uygun olan tetrahedral yapılarda sıralanmasına neden oldu. Ve çağımızda, dünya atmosferinde su buharı, damlalar halinde yoğunlaşarak böyle bir yapı oluşturur, çünkü atmosfer her zaman zaten bu yapıya sahip olan küçük aerosol su damlacıkları içerir. Atmosferdeki su buharının yoğunlaşma merkezleridir. Aşağıda, su tetrahedralarından da oluşabilen bir tetrahedron bazlı olası zincir silikat yapıları bulunmaktadır.

Pirinç. Temel düzenli silikon-oksijen tetrahedron SiO 4 4- .

Pirinç. Elementer silisyum-oksijen birimleri-orto grupları SiO 4 4- yapısında Mg-piroksen enstatit (a) ve diorto grupları Si 2 O 7 6- Ca-piroksenoid volastonit (b).

Pirinç. Ada silikon-oksijen anyonik gruplarının en basit türleri: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, g-Si 4 O 12, e-Si 6 O 18.

Pirinç. aşağıda - Silikon-oksijen zinciri anyonik gruplarının en önemli türleri (Belov'a göre): a-metahermanat, b - piroksen, c - batisit, d-volastonit, d-vlasovit, e-melilitik, g-rhodonite, s-piroksmangitik , n-metafosfat, k - floroberillat, l - barilit.

Pirinç. aşağıda - Piroksen silikon-oksijen anyonlarının hücresel iki sıralı amfibol (a), üç sıralı amfibol benzeri (b), katmanlı talk ve ilgili anyonlara (c) yoğunlaşması.

Pirinç. aşağıda - En önemli şerit silikon-oksijen grupları türleri (Belov'a göre): a - sillimanit, amfibol, ksonotlit; b-epididimit; s-ortoklaz; g-narsarsukit; d-fenasit prizmatik; e-öklas kakma.

Pirinç. sağda - Muskovit KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2'nin katmanlı kristal yapısının bir parçası (temel paket), bir DNA zincirini andıran, alüminosilikon-oksijen ağlarının çokyüzlü büyük alüminyum ve potasyum katyonları katmanları ile ara katmanlamasını gösterir. .

Su yapısının diğer modelleri de mümkündür. Dörtyüzlü olarak bağlı su molekülleri, oldukça kararlı bileşime sahip özel zincirler oluşturur. Araştırmacılar, su kütlesinin "iç organizasyonunun" giderek daha incelikli ve karmaşık mekanizmalarını keşfediyorlar. Buz benzeri yapıya, sıvı suya ve monomerik moleküllere ek olarak, yapının tetrahedral olmayan üçüncü bir elementi de tanımlanmıştır.

Su moleküllerinin belirli bir kısmı, üç boyutlu çerçevelerle değil, doğrusal halka ilişkileriyle ilişkilendirilir. Halkalar gruplandıklarında daha da karmaşık ortak kompleksler oluştururlar.

Böylece su, teorik olarak, aşağıda tartışılacak olan bir DNA molekülü gibi zincirler oluşturabilir. Bu hipotezde, sağ ve sol elli suyun varlığının eşit olasılığını ima etmesi de ilginçtir. Ancak biyologlar, biyolojik dokularda ve yapılarda yalnızca sol veya sağ elli oluşumların gözlemlendiğini uzun zamandır fark ettiler. Bunun bir örneği, yalnızca solak amino asitlerden yapılmış ve yalnızca solak bir sarmalda bükülmüş protein molekülleridir. Ancak vahşi yaşamdaki şekerlerin hepsi sağlaktır. Vahşi yaşamda neden bazı durumlarda sol, bazı durumlarda da sağ için böyle bir tercih olduğunu henüz kimse açıklayamadı. Nitekim cansız doğada hem sağlak hem de solak moleküller eşit olasılıkla bulunur.

Yüz yıldan fazla bir süre önce, ünlü Fransız doğa bilimci Louis Pasteur, bitkilerdeki ve hayvanlardaki organik bileşiklerin optik olarak asimetrik olduğunu keşfetti - üzerlerine düşen ışığın polarizasyon düzlemini döndürüyorlar. Hayvanları ve bitkileri oluşturan tüm amino asitler, polarizasyon düzlemini sola ve tüm şekerleri sağa döndürür. Aynı kimyasal bileşime sahip bileşikleri sentezlersek, her birinin eşit sayıda sol ve sağ elini kullanan molekülleri olacaktır.

Bildiğiniz gibi, tüm canlı organizmalar proteinlerden oluşur ve sırayla amino asitlerden oluşurlar. Çeşitli dizilimlerde birbirine bağlanan amino asitler, kendiliğinden karmaşık protein moleküllerine "bükülen" uzun peptit zincirleri oluşturur. Diğer birçok organik bileşik gibi, amino asitler de kiral simetriye sahiptir (Yunanca chiros - elden), yani "enantiyomerler" adı verilen iki ayna simetrik formda bulunabilirler. Bu tür moleküller, sol ve sağ el gibi birbirine benzer, bu nedenle D- ve L-molekülleri (Latince dexter, laevus - sağ ve soldan) olarak adlandırılırlar.

Şimdi sol ve sağ moleküllü ortamın sadece sol veya sadece sağ moleküllü bir duruma geçtiğini hayal edin. Uzmanlar böyle bir ortama kiral olarak (Yunanca "heira" - el kelimesinden) emretti. Canlının kendi kendine üremesi (biyopoez - D. Bernal'in tanımına göre) ancak böyle bir ortamda ortaya çıkabilir ve korunabilir.

Pirinç. Doğada ayna simetrisi

Enantiyomerik moleküller için başka bir isim - "sağ elini kullanan" ve "sol elini kullanan" - ışığın polarizasyon düzlemini farklı yönlerde döndürme yeteneklerinden gelir. Bu tür moleküllerin bir çözeltisinden lineer olarak polarize ışık geçirilirse, polarizasyon düzlemi döner: çözeltideki moleküller sağdaysa saat yönünde, solsa saat yönünün tersine. Ve eşit miktarlarda D- ve L-formlarının bir karışımında ("rasemat" olarak adlandırılır), ışık orijinal lineer polarizasyonunu koruyacaktır. Kiral moleküllerin bu optik özelliği ilk olarak 1848'de Louis Pasteur tarafından keşfedildi.

Neredeyse tüm doğal proteinlerin yalnızca solak amino asitlerden oluşması ilginçtir. Laboratuar koşullarında amino asitlerin sentezi yaklaşık olarak aynı sayıda sağ ve sol molekül ürettiğinden, bu gerçek daha da şaşırtıcıdır. Bu özelliğin sadece amino asitler tarafından değil, aynı zamanda canlı sistemler için önemli olan diğer birçok madde tarafından da sahip olduğu ve her birinin biyosfer boyunca kesin olarak tanımlanmış bir ayna simetri işaretine sahip olduğu ortaya çıktı. Örneğin, DNA ve RNA nükleik asitlerinin yanı sıra birçok nükleotidi oluşturan şekerler, vücutta yalnızca doğru D-molekülleri ile temsil edilir. "Ayna antipodların" fiziksel ve kimyasal özellikleri çakışmasına rağmen, organizmalardaki fizyolojik aktiviteleri farklıdır: L-caxara emilmez, L-fenilalanin, zararsız D-moleküllerinden farklı olarak akıl hastalığına neden olur, vb.

Dünyadaki yaşamın kökeni hakkındaki modern fikirlere göre, organik moleküller tarafından belirli bir ayna simetrisi türünün seçimi, hayatta kalmaları ve daha sonra kendi kendine üremeleri için ana ön koşul olarak hizmet etti. Bununla birlikte, şu veya bu ayna antipodun evrimsel seçiminin nasıl ve neden meydana geldiği sorusu hala bilimin en büyük gizemlerinden biridir.

Sovyet bilim adamı L. L. Morozov, kiral sıralamaya geçişin evrimsel olarak gerçekleşemeyeceğini, sadece belirli bir keskin faz değişikliği ile gerçekleşebileceğini kanıtladı. Akademisyen V. I. Gol'danskii, dünyadaki yaşamın ortaya çıkması sayesinde bu geçişi kiral bir felaket olarak adlandırdı.

Kiral geçişe neden olan faz felaketinin koşulları nasıl ortaya çıktı?

Bunlardan en önemlisi, organik bileşiklerin yerkabuğunda 800-1000 0C'de eridiği ve üsttekilerin uzay sıcaklığına yani mutlak sıfıra kadar soğumasıydı. Sıcaklık düşüşü 1000°C'ye ulaştı. Bu koşullar altında, organik moleküller yüksek sıcaklığın etkisi altında eridi ve hatta tamamen yok oldu ve organik moleküller donduğu için üst kısım soğuk kaldı. Yerkabuğundan sızan gazlar ve su buharı, organik bileşiklerin kimyasal bileşimini değiştirdi. Gazlar yanlarında ısı taşıyarak organik tabakanın erime sınırının yukarı ve aşağı hareket etmesine neden olarak bir gradyan yarattı.

Atmosferin çok düşük basınçlarında, su dünya yüzeyinde sadece buhar ve buz şeklindeydi. Basınç, suyun üçlü noktası olarak adlandırılan noktaya (0,006 atmosfer) ulaştığında, su ilk kez sıvı şeklinde olabilir.

Tabii ki, kiral geçişe tam olarak neyin neden olduğunu kanıtlamak yalnızca deneysel olarak mümkündür: karasal veya kozmik nedenler. Ama öyle ya da böyle, bir noktada, kiral olarak düzenlenmiş moleküller (yani, solak amino asitler ve sağ el şekerler) daha kararlı hale geldi ve sayılarında durdurulamaz bir artış başladı - kiral bir geçiş.

Gezegenin tarihçesi ayrıca, o zamanlar Dünya'da ne dağların ne de çöküntülerin olmadığını söylüyor. Yarı erimiş granit kabuğu, modern okyanusun seviyesi kadar düz bir yüzeydi. Ancak, bu ovada, kütlelerin Dünya içindeki düzensiz dağılımı nedeniyle hala çöküntüler vardı. Bu düşüşler son derece önemli bir rol oynamıştır.

Gerçek şu ki, yüzlerce hatta binlerce kilometre çapında ve yüz metreden fazla olmayan derinliğe sahip düz tabanlı çöküntüler muhtemelen yaşamın beşiği haline geldi. Sonuçta, gezegenin yüzeyinde toplanan su onlara aktı. Su, kül tabakasındaki kiral organik bileşikleri seyreltmiştir. Bileşiğin kimyasal bileşimi yavaş yavaş değişti ve sıcaklık stabilize oldu. Susuz koşullarda başlayan cansızdan canlıya geçiş, su ortamında zaten devam etti.

Hayatın kaynağı bu mu? Büyük olasılıkla evet. 3,8 milyar yaşında olan Isua jeolojik kesiminde (Batı Grönland) fotosentetik karbonun karakteristik özelliği olan C12/C13 izotop oranına sahip benzin ve yağ benzeri bileşikler bulundu.

Isua bölümündeki karbon bileşiklerinin biyolojik doğası doğrulanırsa, dünyadaki yaşamın kökeninin tüm süresinin - kiral organik maddenin ortaya çıkmasından fotosentez ve üreme yeteneğine sahip bir hücrenin ortaya çıkmasına kadar - olduğu ortaya çıkacaktır. sadece yüz milyon yılda tamamlandı. Ve bu süreçte su molekülleri ve DNA çok büyük bir rol oynadı.

Suyun yapısıyla ilgili en şaşırtıcı şey, nanotüplerin içindeki düşük negatif sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda su moleküllerinin DNA'yı anımsatan çift sarmal şeklinde kristalleşebilmesidir. Bu, Nebraska Üniversitesi'nde (ABD) Xiao Cheng Zeng liderliğindeki Amerikalı bilim adamları tarafından yapılan bilgisayar deneyleriyle kanıtlandı.

DNA, sarmal şeklinde bükülmüş bir çift sarmaldır. Her iplikçik "tuğlalardan" - sıralı olarak bağlı nükleotidlerden oluşur. Her DNA nükleotidi, deoksiriboz ile ilişkili dört azotlu bazdan birini içerir - guanin (G), adenin (A) (pürinler), timin (T) ve sitozin (C) (pirimidinler), ikincisine sırasıyla bir fosfat grup ektedir. Kendi aralarında, bitişik nükleotitler, 3 "-hidroksil (3"-OH) ve 5"-fosfat grupları (5"-PO3) tarafından oluşturulan bir fosfodiester bağı ile bir zincire bağlanır. Bu özellik, DNA'da polaritenin varlığını belirler, yani. ters yön, yani 5 "- ve 3"-uçlar: bir dişin 5"-ucu, ikinci ipliğin 3"-ucuna karşılık gelir. Nükleotit dizisi, en önemlileri bilgi veya şablon (mRNA), ribozomal (rRNA) ve taşıma (tRNA) olan çeşitli RNA türleri hakkındaki bilgileri "kodlamanıza" izin verir. Tüm bu RNA türleri, DNA dizisinin transkripsiyon sırasında sentezlenen RNA dizisine kopyalanmasıyla DNA şablonu üzerinde sentezlenir ve yaşamın en önemli sürecinde yer alır - bilginin iletilmesi ve kopyalanması (çeviri).

DNA'nın birincil yapısı, bir zincirdeki DNA nükleotitlerinin doğrusal dizisidir. DNA zincirindeki nükleotidlerin dizisi, bir DNA değişmez formülü biçiminde yazılır: örneğin - AGTCATGCCAG, kayıt DNA zincirinin 5 "den 3" ucuna kadardır.

DNA'nın ikincil yapısı, nükleotitlerin (çoğunlukla azotlu bazlar) birbirleriyle, hidrojen bağlarıyla etkileşimleri nedeniyle oluşur. DNA'nın ikincil yapısının klasik bir örneği, DNA çift sarmalıdır. DNA çift sarmalı, iki polinükleotit DNA dizisinden oluşan, doğada en yaygın DNA şeklidir. Her yeni DNA zincirinin inşası, tamamlayıcılık ilkesine göre gerçekleştirilir, yani. DNA'nın bir sarmalının her azotlu bazı diğer sarmalın kesin olarak tanımlanmış bir bazına tekabül eder: tamamlayıcı bir çiftte, zıt A, T'dir ve zıt G, C'dir, vb.

Suyun, simüle edilmiş bir deneyde olduğu gibi bir spiral oluşturabilmesi için, farklı deneylerde 10 ila 40.000 atmosfer arasında değişen yüksek basınç altında nanotüplere "yerleştirildi". Bundan sonra, -23°C değerine sahip sıcaklık ayarlandı. Suyun donma noktasına kıyasla rezerv, artan basınçla su buzunun erime noktasının düşmesi nedeniyle yapılmıştır. Nanotüplerin çapı 1.35 ila 1.90 nm arasında değişiyordu.

Pirinç. Suyun yapısına genel bir bakış (image New Scientist)

Su molekülleri hidrojen bağları ile birbirine bağlanır, oksijen ve hidrojen atomları arasındaki mesafe 96 pm ve iki hidrojen arasındaki mesafe - 150 pm. Katı halde oksijen atomu, komşu su molekülleriyle iki hidrojen bağının oluşumuna katılır. Bu durumda bireysel H 2 O molekülleri zıt kutuplarla birbirleriyle temas eder. Böylece, her molekülün kendi katmanından üç molekül ve komşu olanlardan biriyle ilişkili olduğu katmanlar oluşur. Sonuç olarak, buzun kristal yapısı, bir petek gibi birbirine bağlı altıgen "tüplerden" oluşur.

Pirinç. Su yapısının iç duvarı (New Scientist resmi)

Bilim adamları, suyun her durumda ince boru şeklinde bir yapı oluşturduğunu görmeyi bekliyordu. Bununla birlikte, model, 1,35 nm'lik bir tüp çapında ve 40.000 atmosferlik bir basınçta, hidrojen bağlarının bükülerek çift duvarlı bir sarmal oluşumuna yol açtığını gösterdi. Bu yapının iç duvarı dörtlü bir sarmaldır ve dış duvar, bir DNA molekülünün yapısına benzer şekilde dört çift sarmaldan oluşur.

İkinci gerçek, yalnızca su hakkındaki fikirlerimizin evrimini değil, aynı zamanda erken yaşamın ve DNA molekülünün kendisinin evrimini de etkiler. Hayatın kökeni çağında, kriyolitik killi kayaların nanotüpler şeklinde olduğunu varsayarsak, şu soru ortaya çıkar - içlerinde emilen su, DNA sentezi ve bilgi okuma için yapısal bir temel (matris) olarak hizmet edebilir mi? Belki de bu yüzden DNA'nın sarmal yapısı, nanotüplerdeki suyun sarmal yapısını tekrarlıyor. New Scientist dergisine göre, şimdi yabancı meslektaşlarımız, kızılötesi spektroskopi ve nötron saçılma spektroskopisi kullanarak gerçek deneysel koşullarda bu tür su makromoleküllerinin varlığını doğrulamak zorunda kalacaklar.

Doktora O.V. mossin

Tanıtım

1. Su moleküllerinin yapısı

2. Üç kümelenme durumunda suyun yapısı

3. Su çeşitleri

4. Suyun anormal özellikleri

5. Suyun faz dönüşümleri ve durum diyagramı

6. Su ve buz yapısının modelleri

7. Agrega buz türleri

Çözüm

bibliyografya

Tanıtım

Su, onsuz hiçbir canlı organizmanın var olamayacağı, biyolojik, kimyasal reaksiyonların ve teknolojik süreçlerin gerçekleşemeyeceği en önemli maddedir.

Su (hidrojen oksit) kokusuz, tatsız ve renksiz bir sıvıdır (kalın tabakalarda mavimsi); H 2 O derler. m.18.016, en basit kararlı bağlantı. oksijen ile hidrojen.

Su doğada en çok bulunan maddelerden biridir. Tüm dünya yüzeyinin yaklaşık 3/4'ünü kaplar ve okyanusların, denizlerin, göllerin, nehirlerin, yeraltı sularının ve bataklıkların temelini oluşturur. Atmosferde de büyük miktarda su bulunur. Bitkiler ve canlı organizmalar, bileşimlerinde %50-96 oranında su içerir.

Yıldızlararası uzayda su molekülleri bulundu. Su, güneş sisteminin gezegenlerinin çoğu ve uyduları olan kuyruklu yıldızların bir parçasıdır. Dünya yüzeyindeki su miktarının 1,39 * 10 18 ton olduğu tahmin edilmektedir, bunun çoğu denizlerde ve okyanuslarda bulunmaktadır. Nehirlerde, göllerde, bataklıklarda ve rezervuarlarda kullanılabilecek tatlı su miktarı 2*10 4 tondur.2.5-3.010 16 ton, yani tüm gezegenimizin kütlesinin sadece %0.0004'ü kadardır.Ancak bu miktar yeterlidir. dünyanın tüm yüzeyini 53 metrelik bir tabaka ile kaplamak ve eğer tüm bu kütle aniden eriyip suya dönüşseydi, Dünya Okyanusu'nun seviyesi mevcut olana kıyasla yaklaşık 64 metre yükselmiş olurdu.), orada aşağı yukarı aynı miktarda yeraltı suyudur ve sadece küçük bir kısmı tazedir. Atmosfer yaklaşık içerir. 1.3*10 13 ton su. Su, birçok mineralin ve kayanın (kil, alçıtaşı vb.) bir parçasıdır ve toprakta bulunur ve tüm canlı organizmaların temel bir bileşenidir.

Yoğunluk H 2 O \u003d 1 g / cm3 (3.98 derecede), t pl. = 0 derece ve t kip = 100 derece. Suyun ısı kapasitesi 4.18 J / (g / K) Mr (H 2 O) \u003d 18'dir ve en basit formülüne karşılık gelir. Bununla birlikte, diğer çözücülerdeki çözeltileri incelenerek belirlenen sıvı suyun moleküler ağırlığının daha yüksek olduğu ortaya çıkıyor. Bu, sıvı suda bir molekül ilişkisi olduğunu, yani bunların daha karmaşık agregalar halinde birleştiğini gösterir. Su, doğada her üç kümelenme durumunda da var olan tek maddedir: Birçok su, atmosferde buhar şeklinde gaz halindedir; büyük kar ve buz kütleleri şeklinde, tüm yıl boyunca yüksek dağların tepelerinde ve kutup ülkelerinde bulunur. Toprağın bağırsaklarında toprağı ve kayaları emen su da vardır.

İklim suya bağlıdır. Jeofizikçiler, su olmasa Dünya'nın uzun zaman önce soğuyacağını ve cansız bir taş parçasına dönüşeceğini söylüyorlar. Çok yüksek bir ısı kapasitesine sahiptir. Isıtıldığında ısıyı emer; soğuyor, veriyor. Karasal su hem çok fazla ısıyı emer hem de geri verir ve böylece iklimi "düzeyler". Ve Dünya, atmosfere saçılan su molekülleri tarafından - bulutlarda ve buharlar şeklinde - kozmik soğuktan korunur ... susuz yapamazsınız - bu, Dünyadaki en önemli maddedir.

Su tanıdık ve alışılmadık bir maddedir. ünlü Sovyet bilim adamı

Akademisyen I. V. Petryanov, su hakkındaki popüler bilim kitabını "dünyanın en olağanüstü maddesi" olarak nitelendirdi. Ve Biyolojik Bilimler Doktoru B.F. Sergeev tarafından yazılan "Eğlenceli Fizyoloji", suyla ilgili bir bölümle başlar - "Gezegenimizi yaratan madde."

1. Su molekülünün yapısı

Tüm yaygın sıvılar arasında su en çok yönlü çözücüdür, en yüksek yüzey gerilimi, dielektrik sabiti, buharlaşma ısısı ve en yüksek (amonyaktan sonra) füzyon ısısı değerlerine sahip sıvıdır. Çoğu maddenin aksine, su düşük basınçta donduğunda genleşir.

Suyun bu spesifik özellikleri, molekülünün özel yapısı ile ilişkilidir. Suyun H 2 0 kimyasal formülü aldatıcı bir şekilde basittir. Su molekülünde, hidrojen atomlarının çekirdekleri, oksijen atomunun çekirdeğine ve elektronlara göre asimetrik olarak yerleştirilmiştir. Oksijen atomu tetrahedronun merkezindeyse, iki hidrojen atomunun kütle merkezleri tetrahedronun köşelerinde olacaktır ve iki elektron çiftinin yük merkezleri diğer iki köşeyi işgal edecektir (Şekil 8). 1.1). Böylece, dört elektron, hem oksijen atomunun çekirdeğinden hem de oksijen atomunun çekirdeği tarafından hala çekildikleri hidrojen atomlarının çekirdeğinden mümkün olan en büyük mesafede bulunur. Su molekülünün diğer altı elektronu şu şekilde yer alır: dört elektron oksijen ve hidrojen atomlarının çekirdekleri arasında kimyasal bir bağ sağlayan bir konumda, diğer ikisi ise oksijen atomunun çekirdeğinin yakınında bulunur.

Su molekülünün atomlarının asimetrik düzeni, su molekülünü polar hale getiren, içindeki elektrik yüklerinin eşit olmayan bir dağılımına neden olur. Su molekülünün bu yapısı, aralarında hidrojen bağlarının oluşması sonucu su moleküllerinin birbirini çekmesine neden olur. Oluşan su molekülleri kümeleri içindeki hidrojen ve oksijen atomlarının düzeni, kuvarstaki silikon ve oksijen atomlarının düzenine benzer. Bu, buz ve daha az ölçüde, molekül kümeleri her zaman yeniden dağılma aşamasında olan sıvı su için geçerlidir. Su soğutulduğunda, molekülleri, su maksimum yoğunluğuna ulaştığında 4 ° C'ye yaklaştıkça kademeli olarak artan ve daha kararlı hale gelen agregalar halinde gruplanır. Bu sıcaklıkta su henüz katı bir yapıya sahip değildir ve moleküllerinin uzun zincirleriyle birlikte çok sayıda ayrı su molekülü vardır. Daha fazla soğutma ile, su moleküllerinin zincirleri, onlara serbest moleküllerin eklenmesi nedeniyle büyür ve bunun sonucunda suyun yoğunluğu azalır. Su buza dönüştüğünde, tüm molekülleri kristalleri oluşturan açık zincirler şeklinde az çok katı bir yapıya girer.

Şekil.1.1 Su molekülünün yapısı

Hidrojen ve oksijen atomlarının karşılıklı penetrasyonu. İki hidrojen atomunun çekirdeği ve iki elektron çifti tetrahedronun köşelerinde bulunur: oksijen atomunun çekirdeği merkezde bulunur.

Yüksek yüzey gerilimi ve suyun buharlaşma ısısı değerleri, bir su molekülünü bir molekül grubundan ayırmak için nispeten büyük bir enerji harcamasının gerekli olduğu gerçeğiyle açıklanır. Su moleküllerinin hidrojen bağları oluşturma eğilimi ve polariteleri, suyun alışılmadık derecede yüksek çözünme gücünü açıklar. Şekerler ve alkoller gibi bazı bileşikler çözeltide hidrojen bağları ile tutulur. Sodyum klorür gibi suda yüksek derecede iyonizasyona sahip bileşikler, zıt yüklü iyonların yönlendirilmiş su molekülleri grupları tarafından nötralize edilmesinden dolayı çözelti içinde tutulur.

Su molekülünün bir başka özelliği de, aynı nükleer yük için hem hidrojen hem de oksijen atomlarının farklı kütlelere sahip olabilmesidir. Bir kimyasal elementin farklı atom ağırlıklarına sahip çeşitlerine o elementin izotopları denir. Su molekülü genellikle atom ağırlığı 1 (H 1) olan hidrojen ve atom ağırlığı 16 (O 16) olan oksijenden oluşur. Su atomlarının %99'dan fazlası bu izotoplara aittir. Ayrıca şu izotoplar vardır: H 2, H 3, O 14, O 15, O 17 O 18, O 19. Birçoğu kısmen buharlaşması ve büyük kütleleri nedeniyle suda birikir. İzotoplar H 3 , O 14 , O 15 , O 19 radyoaktiftir. Bunlardan en yaygın olanı, kozmik ışınların etkisi altında üst atmosferde oluşan trityum H3'tür. Bu izotop, son birkaç yıldaki nükleer patlamaların bir sonucu olarak da birikmiştir. İzotoplarla ilgili bu ve diğer gerçeklere dayanarak, suyun izotopik bileşimini analiz ederek, bazı doğal suların tarihini kısmen ortaya çıkarmak mümkündür. Bu nedenle, yüzey sularındaki ağır izotopların içeriği, örneğin Ölü Deniz, Büyük Tuz Gölü ve diğer endorik rezervuarlarda meydana gelen uzun süreli su buharlaşmasına işaret eder. Yeraltı suyundaki yüksek trityum seviyeleri, bu izotopun yarı ömrü sadece 12,4 yıl olduğundan, bu suların yüksek sirkülasyon hızına sahip meteorik kökenli olduğu anlamına gelebilir. Ne yazık ki, izotop analizi çok pahalıdır ve bu nedenle doğal sularla ilgili çalışmalarda yaygın olarak kullanılamaz.

Su molekülü H 2 O bir üçgen şeklinde inşa edilmiştir: iki oksijen-hidrojen bağı arasındaki açı 104 derecedir. Ancak her iki hidrojen atomu da oksijenin aynı tarafında bulunduğundan, içindeki elektrik yükleri dağılır. Su molekülü polardır, bu da farklı molekülleri arasındaki özel etkileşimin nedenidir.

H 2 O molekülündeki pozitif kısmi yüke sahip hidrojen atomları, komşu moleküllerin oksijen atomlarının elektronları ile etkileşime girer. Böyle bir kimyasal bağa hidrojen bağı denir. H 2 O moleküllerini benzersiz uzaysal yapı polimerlerinde birleştirir; hidrojen bağlarının bulunduğu düzlem, aynı H 2 O molekülünün atomlarının düzlemine diktir Su molekülleri arasındaki etkileşim, öncelikle erime ve kaynamanın düzensiz yüksek sıcaklıklarını açıklar. Hidrojen bağlarını gevşetmek ve sonra kırmak için ek enerji gereklidir. Ve bu enerji çok önemlidir. Bu nedenle suyun ısı kapasitesi çok yüksektir.

Çoğu madde gibi, su da moleküllerden, ikincisi ise atomlardan oluşur.

Doğada bilinen 14 katı su formundan sadece bir tanesi buzla karşılaşırız. Geri kalanlar aşırı koşullar altında oluşturulur ve özel laboratuvarlar dışında gözlemler için uygun değildir. Buzun en ilgi çekici özelliği, şaşırtıcı çeşitlilikteki dış tezahürlerdir. Aynı kristal yapısıyla, şeffaf dolu taneleri ve buz sarkıtları, kabarık kar taneleri, karlı bir alanda yoğun parlak bir köknar kabuğu veya dev buzul kütleleri şeklini alarak tamamen farklı görünebilir.

Honshu adasının batı kıyısında bulunan küçük Japon şehri Kaga'da sıra dışı bir müze var. Kar ve buz. Laboratuvarda gökten düşenler kadar güzel yapay kar taneleri yetiştirmeyi öğrenen ilk kişi olan Ukihiro Nakaya tarafından kuruldu. Bu müzede, düzenli altıgenler ziyaretçileri her taraftan çevreler, çünkü sıradan buz kristallerinin özelliği olan tam da bu - altıgen - simetridir (bu arada, Yunanca kristallos kelimesi aslında "buz" anlamına gelir). Eşsiz özelliklerinin çoğunu belirler ve tüm sonsuz çeşitliliğiyle kar tanelerinin altı, daha az sıklıkla üç veya on iki ışınlı, ancak asla dört veya beş ışınlı yıldızlar şeklinde büyümesine neden olur.

Ajurdaki moleküller

Katı suyun yapısının ipucu, molekülünün yapısında yatmaktadır. H2O basitçe bir tetrahedron (üçgen tabanlı bir piramit) olarak hayal edilebilir. Merkezde oksijen, iki köşede - hidrojenle, daha kesin olarak - elektronları oksijenle kovalent bir bağ oluşumunda yer alan proton tarafından. Kalan iki köşe, molekül içi bağların oluşumuna katılmayan oksijenin değerlik elektron çiftleri tarafından işgal edilir, bu yüzden onlara yalnız denir.

Atmosferik basınçta oluşan ve 0°C'de eriyen buz, en bilinen ancak henüz tam olarak anlaşılamayan maddedir. Yapısında ve özelliklerinde çoğu olağandışı görünüyor. Buzun kristal kafesinin düğümlerinde, oksijen atomları düzenli bir şekilde düzenlenir, düzenli altıgenler oluşturur, ancak hidrojen atomları bağlar boyunca çeşitli konumlarda bulunur. Atomların bu davranışı genellikle atipiktir - kural olarak, katı bir maddede herkes aynı yasaya uyar: ya tüm atomlar sıralanır ve sonra bir kristaldir ya da rastgele ve sonra amorf bir maddedir.

Buzun "garipliği", büyüyen kristalleri tarafından elektromanyetik radyasyon üretilmesini de içerir. Suda çözünen yabancı maddelerin çoğunun büyümeye başladığında buza aktarılmadığı, başka bir deyişle donduğu uzun zamandır bilinmektedir. Bu nedenle, en kirli su birikintisinde bile buz tabakası temiz ve şeffaftır. Safsızlıklar, katı ve sıvı ortamın sınırında, önemli bir potansiyel farklılığa neden olan, farklı işaretlere sahip iki elektrik yükü katmanı şeklinde birikir. Yüklü kirlilik tabakası, genç buzun alt sınırı ile birlikte hareket eder ve elektromanyetik dalgalar yayar. Bu sayede kristalleşme süreci detaylı olarak gözlemlenebilir. Bu nedenle, bir iğne şeklinde uzunlamasına büyüyen bir kristal, yanal süreçlerle kaplanmış olandan farklı bir şekilde yayılır ve büyüyen tanelerin radyasyonu, kristaller çatladığında meydana gelenden farklıdır. Radyasyon darbelerinin şekli, sırası, frekansı ve genliğinden buzun donma hızı ve ne tür bir buz yapısının elde edildiği belirlenebilir.

yanlış buz

Katı halde su, en son verilere göre 14 yapısal değişikliğe sahiptir. Aralarında kristal (çoğunluk) vardır, amorf olanlar vardır, ancak hepsi su moleküllerinin ve özelliklerinin karşılıklı düzenlenmesinde birbirinden farklıdır. Doğru, bize tanıdık gelen buz dışında her şey egzotik koşullar altında - çok düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda, bir su molekülündeki hidrojen bağlarının açıları değiştiğinde ve altıgen dışındaki sistemler oluştuğunda oluşur. Örneğin, -110°C'nin altındaki sıcaklıklarda, su buharı metal bir plaka üzerinde oktahedronlar ve birkaç nanometre büyüklüğünde küpler şeklinde çökelir - bu sözde kübik buzdur. Sıcaklık –110°C'nin biraz üzerindeyse ve buhar konsantrasyonu çok düşükse, plaka üzerinde son derece yoğun amorf bir buz tabakası oluşur.

Buzun son iki modifikasyonu - XIII ve XIV - Oxford'dan bilim adamları tarafından oldukça yakın bir zamanda 2006'da keşfedildi. 40 yıllık monoklinik ve eşkenar dörtgen kafesli buz kristallerinin var olması gerektiği tahminini doğrulamak zordu: -160 ° C sıcaklıktaki suyun viskozitesi çok yüksektir ve ultra saf aşırı soğutulmuş su molekülleri böyle bir miktarda bir araya gelir. bir kristal çekirdeğin oluştuğunu, zor. Yardımcı katalizör - düşük sıcaklıklarda su moleküllerinin hareketliliğini artıran hidroklorik asit. Karasal doğada, bu tür buz modifikasyonları oluşamaz, ancak diğer gezegenlerin donmuş uydularında aranabilir.

Bir kar tanesi, tek bir buz kristalidir, altıgen kristal temasının bir varyasyonudur, ancak denge dışı koşullarda hızla büyür. En meraklı beyinler, yüzyıllardır güzelliklerinin ve sonsuz çeşitliliğinin sırrıyla boğuşuyor. 1611'de gökbilimci Johannes Kepler, "Altıgen kar taneleri üzerine" bütün bir inceleme yazdı. 1665'te Robert Hooke, mikroskopla gördüğü her şeyin çok sayıda eskizinde, çeşitli şekillerde birçok kar tanesi çizimi yayınladı. Bir kar tanesinin mikroskop altında ilk başarılı fotoğrafı 1885 yılında Amerikalı çiftçi Wilson Bentley tarafından çekildi. O zamandan beri, onu durduramadı. Bentley, yaşamının sonuna kadar kırk yıldan fazla bir süre onları fotoğrafladı. Beş binden fazla kristal ve hiçbiri aynı değil.

Bentley davasının en ünlü takipçileri, daha önce adı geçen Ukihiro Nakaya ve Amerikalı fizikçi Kenneth Libbrecht'tir. Nakaya, kar tanelerinin boyutunun ve şeklinin hava sıcaklığına ve nem içeriğine bağlı olduğunu öne süren ilk kişiydi ve laboratuvarda çeşitli şekillerde buz kristalleri büyüterek bu hipotezi deneysel olarak parlak bir şekilde doğruladı. Ve Libbrecht evde sipariş vermek için kar taneleri yetiştirmeye başladı - önceden belirlenmiş bir şekil.

Bir kar tanesinin ömrü, sıcaklık düştükçe bir su buharı bulutunda kristal buz çekirdeklerinin oluşmasıyla başlar. Kristalleşmenin merkezi, toz parçacıkları, herhangi bir katı parçacık ve hatta iyonlar olabilir, ancak her durumda, milimetrenin onda birinden daha küçük olan bu buz parçalarının zaten altıgen bir kristal kafesi vardır.

Bu çekirdeklerin yüzeyinde yoğunlaşan su buharı, önce altı köşesinden özdeş buz iğnelerinin büyümeye başladığı küçük bir altıgen prizma oluşturur - yanal süreçler. Aynıdırlar çünkü embriyonun etrafındaki sıcaklık ve nem de aynıdır. Onlara, sırayla, bir ağaçta olduğu gibi, yanal süreçlerde büyür - dallar. Bu tür kristallere dendrit denir, yani bir ağaca benzer.

Bulutta yukarı ve aşağı hareket eden kar tanesi, farklı sıcaklık ve su buharı konsantrasyonlarına sahip koşullara girer. Şekli değişir, en son altıgen simetri yasalarına uyar. Böylece kar taneleri farklı hale gelir. Teorik olarak aynı bulutta aynı yükseklikte olmasına rağmen, aynı şeyi "başlangıçta" yapabilirler. Ancak her birinin zemine giden kendi yolu vardır, oldukça uzun bir yol - ortalama olarak, bir kar tanesi saatte 0,9 km hızla düşer. Yani, her birinin kendi hikayesi ve kendi nihai formu vardır. Bir kar tanesi oluşturan buz saydamdır, ancak birçoğu olduğunda, çok sayıda yüze yansıyan ve saçılan güneş ışığı bize beyaz opak bir kütle izlenimi verir - biz buna kar deriz.

Kırağı, don ve cam üzerindeki desenlerin büyümesi aynı yasalara uyar. Kar taneleri gibi bu fenomenler yoğunlaşma, molekül molekül - yerde, çimenlerde, ağaçlarda oluşur. Penceredeki desenler, sıcak oda havasından gelen nem camın yüzeyinde yoğuştuğunda donda görünür. Ancak dolu taneleri, su damlaları katılaştığında veya su buharına doymuş bulutlarda, kar tanelerinin embriyoları üzerinde yoğun katmanlar halinde buz donduğunda elde edilir. Halihazırda oluşmuş diğer kar taneleri, dolu tanelerinin en tuhaf şekilleri alması sayesinde, dolu taneleri üzerinde donabilir, onlarla birlikte erir.

Dünyada, suyun katı bir modifikasyonu bizim için yeterlidir - sıradan buz. Kelimenin tam anlamıyla insan yerleşiminin veya kalışının tüm alanlarına nüfuz eder. Büyük miktarlarda toplanan kar ve buz, bireysel kristallerden veya kar tanelerinden temelde farklı özelliklere sahip özel yapılar oluşturur. Dağ buzulları, su alanlarının buz örtüsü, permafrost ve sadece mevsimlik kar örtüsü, geniş bölgelerin ve bir bütün olarak gezegenin iklimini önemli ölçüde etkiler: hiç kar görmemiş olanlar bile, Dünya'nın kutuplarında biriken kütlelerinin nefesini hissederler. örneğin, Dünya Okyanusu seviyesindeki uzun vadeli dalgalanmalar şeklinde. Ve buz, gezegenimizin görünümü ve üzerindeki canlıların rahat yerleşimi için o kadar önemlidir ki, bilim adamları onun için özel bir ortam atamışlardır - sahip olduklarını atmosfere ve yer kabuğunun derinliklerine kadar genişleten kriyosfer.

Olga Maksimenko, Kimya Bilimleri Adayı

Molekül kavramı (ve maddenin moleküler yapısı, molekülün kendisinin yapısı hakkındaki türev fikirleri), dünyayı yaratan maddelerin özelliklerini anlamamızı sağlar. Modern ve aynı zamanda erken, fiziksel ve kimyasal araştırmalar, maddenin atomik ve moleküler yapısının görkemli keşfine dayanmaktadır. Bir molekül, varlığı Democritus tarafından önerilen tüm maddelerin tek bir “detayıdır”. Bu nedenle, maddeler arasındaki tüm farklılıkları, türlerini ve özelliklerini belirleyen / açıklayan, yapısı ve diğer moleküllerle (belirli bir yapı ve bileşim oluşturan) ilişkisidir.

Bir maddenin (bir atom olan) en küçük bileşeni olmayan molekülün kendisi belirli bir yapıya ve özelliklere sahiptir. Bir molekülün yapısı, içine giren belirli atomların sayısı ve aralarındaki bağın (kovalent) doğası ile belirlenir. Bu bileşim, madde başka bir duruma dönüşse bile değişmez (örneğin suyla olduğu gibi - bu daha sonra tartışılacaktır).

Bir maddenin moleküler yapısı, atomlar ve sayıları hakkında bilgi sağlayan bir formülle sabitlenir. Ek olarak, bir maddeyi/cismi oluşturan moleküller statik değildir: kendileri hareketlidir - atomlar döner, birbirleriyle etkileşir (çeker / iter).

Suyun özellikleri, durumu

Su gibi bir maddenin bileşimi (ve kimyasal formülü) herkese aşinadır. Her molekül üç atomdan oluşur: "O" harfi ile gösterilen bir oksijen atomu ve 2 miktarında hidrojen atomları - Latince "H". Su molekülünün şekli simetrik değildir (bir ikizkenar üçgene benzer).

Bir madde olarak su, kurucu molekülleri, dış "çevreye", çevresel göstergelere - sıcaklık, basınca tepki verir. İkincisine bağlı olarak, su, üçü olan durumu değiştirebilir:

1. Su için en tanıdık, doğal hal sıvıdır. Tek moleküllerin boşlukları doldurduğu (hidrojen bağları ile) özel bir düzende moleküler yapı (dihidrol).
2. Moleküler yapının (hidrol) aralarında hidrojen bağı oluşmayan tek moleküller tarafından temsil edildiği bir buharın durumu.
3. Katı hal (aslında buz), güçlü ve kararlı hidrojen bağları olan bir moleküler yapıya (trihidrol) sahiptir.

Bu farklılıklara ek olarak doğal olarak bir maddenin bir halden (sıvıdan) diğerine “geçiş” yolları da farklılık gösterir. Bu geçişler hem maddeyi dönüştürür hem de enerji transferini (salım/absorpsiyon) tetikler. Bunlar arasında doğrudan süreçler vardır - sıvı suyun buhara (buharlaşma), buza (donma) ve tersine - buhardan sıvıya (yoğunlaşma), buzdan (erime). Ayrıca, su - buhar ve buz - durumları birbirine dönüştürülebilir: süblimasyon - buzdan buhara, süblimasyon - tersi işlem.

Suyun bir hali olarak buzun özgüllüğü

Sıcaklık sınırı sıfır dereceye geçtiğinde buzun donduğu (sudan dönüştüğü) yaygın olarak bilinmektedir. Her ne kadar bu anlaşılabilir fenomende bazı nüanslar olsa da. Örneğin, buzun durumu belirsizdir, türleri ve modifikasyonları farklıdır. Öncelikle ortaya çıktıkları koşullarda farklılık gösterirler - sıcaklık, basınç. Bu tür on beş değişiklik var.

Buzun çeşitli formları farklı bir moleküler yapıya sahiptir (moleküller su moleküllerinden ayırt edilemez). Bilimsel terminolojide buz Ih olarak adlandırılan doğal ve doğal buz, kristal yapıya sahip bir maddedir. Yani, çevresinde dört “komşu” bulunan her molekül (hepsi arasındaki mesafe eşittir) geometrik bir tetrahedron figürü oluşturur. Buzun diğer fazları, yüksek derecede düzenli trigonal, kübik veya monoklinik buz yapısı gibi daha karmaşık bir yapıya sahiptir.

Moleküler düzeyde buz ve su arasındaki temel farklar

Birincisi ve doğrudan su ve buzun moleküler yapısı ile ilgili olmayan, aralarındaki fark maddenin yoğunluğunun bir göstergesidir. Buzun doğasında bulunan kristal yapı, oluştuğunda yoğunluğun aynı anda azalmasına katkıda bulunur (yaklaşık 1000 kg/m³'den 916,7 kg/m³'e). Bu da hacimde %10'luk bir artışı uyarır.


Suyun bu toplu hallerinin (sıvı ve katı) moleküler yapısındaki temel fark, Moleküller arasındaki hidrojen bağlarının sayısı, türü ve gücü. Buzda (katı halde), beş molekül onlar tarafından birleştirilir ve hidrojen bağlarının kendileri daha güçlüdür.

Daha önce de belirtildiği gibi, su ve buz maddelerinin molekülleri aynıdır. Ancak buz moleküllerinde, bir oksijen atomu (bir maddenin kristalimsi bir "kafesini" oluşturmak için) "komşu" moleküllerle hidrojen bağları (iki) oluşturur.

Suyun maddesini farklı hallerinde (agrega) ayıran şey, sadece moleküllerin dizilişinin yapısı (moleküler yapı) değil, aynı zamanda hareketleri, aralarındaki ilişkinin / çekiciliğin gücüdür. Sıvı haldeki su molekülleri oldukça zayıf çekilir ve suyun akışkanlığını sağlar. Katı buzda, moleküllerin çekimi en güçlüdür ve bu nedenle motor aktiviteleri düşüktür (buz şeklinin sabitliğini sağlar).