Ученые создали струи воды толщиной в 100 нанометров (примерно в 1000 раз тоньше, чем человеческий волос) и заставили молекулы вибрировать с помощью лазерного луча.
Открыто новое состояние молекулы воды
Для этого специально подготовленная медная поверхность при температуре минус 172 градуса по Цельсию обрабатывалась водным паром. В результате подобной обработки на поверхности образовывались одномерные ледяные структуры толщиной всего в один атом и шириной около нанометра. При помощи сканирующего туннельного микроскопа и инфракрасной спектрометрии исследователям удалось установить, что цепочки состоят из пятиугольников, в вершинах которых находятся молекулы воды. Ранее предполагалось, что при образовании упорядоченной структуры льда молекулы воды собираются в шестиугольники.
В нем рассматривают не силы, действующие на частицу, а гамильтониан, то есть полная энергию системы. При этом считается, чтопотенциальная энергия квадратично как и в классическом случае зависит от координат. Модель квантового гармонического осциллятора служит первым приближением для описания колебательного движения в молекулах и является одной из немногих систем, для которой может быть получено точное решение уравнения Шредингера. Поделиться В рамках новой работы исследователи во главе с Владом Соханом Vlad Sokhan из NPL применили для описания молекул воды квантовые осцилляторы Друде - следующую итерацию классической модели, основанной на частице Друде, в которой вместо классических осцилляторов подставлены квантовые. Для учета глобальных эффектов ученые использовали разветвленную сеть водородных связей.
По их словам, в рамках их модели свойства жидкой воды возникают естественным образом при нормальных условиях.
Еще одно необычное свойство воды — высокое поверхностное натяжение. Из-за него насекомые могут ходить по воде, а температура океана остается стабильной. Каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Сеть водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженным атомом кислорода в соседней молекуле держит их вместе. Эта сложная сеть обеспечивает «странные» свойства воды, но до сегодняшнего дня никто не наблюдал напрямую, как молекулы взаимодействуют друг с другом. Возлюби ближнего своего Раньше было сложно наблюдать маленькие и быстрые движения водородных связей.
Надо отметить, что примененная ими модель фиксирует все взаимодействия атомов углерода между собой, а также с тремя атомами и молекулой воды. Правда, сам фуллерен при этом рассматривается, как жесткая структура поскольку его размер много больше, чем характерные размеры молекулы воды. В рамках своих расчетов ученые помещали молекулу, диаметр которой — порядка 1 нм в углеродную нанотрубку диаметром 8,2 нм.
Расчеты показали, что молекула воды даже при температуре в 300 градусов по Кельвину постоянно находится в центре молекулы фуллерена. Однако из-за теплового движения ее ориентация в пространстве меняется случайным образом. При включении внешнего электрического поля вдоль упомянутой выше нанотрубки поведение молекулы воды существенно изменяется. Молекула воды представляет собой электрический диполь: положительно-заряженные атомы водорода уравновешиваются отрицательным кислородом. Находясь в электрическом поле, такие диполи не перемещаются в пространстве поскольку являются электрически-нейтральными , а совершают крутильные колебания вокруг оси совпадающей с направлением действия поля. Как оказалось, если молекула воды находится внутри фуллерена, она, не совершая колебаний, просто ориентируется под некоторым углом к линиям поля, причем, чем сильнее электрическое поле, тем меньше этот угол.
Сейчас на главной
- Исследование подтверждает, что вода может принимать две различные жидкие формы |
- Категории статьи
- Структура молекул воды и их ассоциатов
- Журнал «За науку»: Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
- Квантово-механические свойства воды - Вода Квантовая механика Молекула » 2024
- Физики показали, что вода превращается в две жидкости при низких температурах
ABC: Появились доказательства того, что вода состоит из двух жидкостей
Облако неоднородно — в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения. У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностью с центром - ядром O2 рис. Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически суммарные электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра — ядра O2-. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра — протоны — оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности.
Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных избыток электронной плотности в области кислородного ядра и два положительных недостаток электронной плотности у двух водородных ядер. Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода рис. Общий вид электронного облака молекулы воды показан на рис. Вода - диполь: полярность воды Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.
Уже в работах 100-летней давности Вильсоном было установлено, что молекулы водяного пара взаимодействуют с ионами. При этом было обнаружено, что взаимодействие с ионами положительного и отрицательного знаков различно изложение соответствующих результатов можно найти в монографиях [1, 2]. Большая роль ионизации воздуха в процессах конденсации водяного пара была установлена в многочисленных работах, посвященных влиянию космических лучей на облакообразование [3—6]. Было установлено также влияние космических лучей на грозовую активность [7, 8]. Механизм этого влияния качественно понятен в свете зарядовой асимметрии, установленной Вильсоном. Как указывается в [8], отрицательно заряженные капли более активно конденсируют пар и быстро растут, вследствие чего происходит гравитационное разделение положительных и отрицательных зарядов. Появление сильных электрических полей в сочетании с наличием электронов в составе вторичных космических лучей вызывает пробой Гуревича [9] и создает грозовую активность. Природа зарядовой асимметрии процесса конденсации изучалась Русановым [10] с феноменологической химической точки зрения. Здесь мы попытаемся описать конденсацию пара на каплях и их испарение, опираясь на микромоделирование взаимодействий с участием молекул воды. При этом будет уделяться внимание зарядовой асимметрии этих процессов. В основу положена феноменологическая модель "растворенного" пара. Далее предпринимается попытка воспроизвести указанную зависимость и ее подгоночные параметры как результат микромоделирования взаимодействий с участием молекул воды. Молекулы в кластерах мы будем считать плотно упакованными и находящимися на фиксированных расстояниях от ближайших соседей. Формально это соответствует потенциалу типа Ленарда—Джонса с очень большой константой связи. Успешный исход дает возможность применить модель молекулы для изучения взаимодействий с ионами. Результаты численного эксперимента с ионами описываются более простой моделью молекулы воды, представляющей собой электрический диполь, сдвинутый от центра молекулы. Настройка параметров этой модели по результатам численного эксперимента позволяет затем проводить описание в более грубых терминах сплошной среды. Таким способом решение поставленной задачи доводится до конца. Авторы выполнили моделирование кластера, состоящего из 55 молекул воды [11].
В своей статье авторы объединяют эти и другие материалы в новый класс веществ, которые они называют «твердые вещества гидратации», которые, по их словам, «приобретают свою структурную жесткость, определяющую характеристику твердого состояния, благодаря жидкости, пронизывающей их поры». Новое понимание биологической материи может помочь ответить на вопросы, которые годами преследовали ученых. Термин, введенный в статье, «твердые вещества гидратации» относится к любому природному материалу, реагирующему на окружающую влажность окружающей среды. С помощью уравнений, которые определила команда, они и другие исследователи теперь могут предсказывать механические свойства материалов на основе основных принципов физики. До сих пор это было верно в основном для газов благодаря хорошо известному общему газовому уравнению, известному ученым с XIX века.
Существуют возможности формирования молекулы воды не с десятью, а с восемью электронами рис. Такую модель назовем второй. Схема второй разряженной модели молекулы воды Главные различия между первой рис. Когда спаренные электроны расположены только на одном конце оси атома кислорода, то такую модель назовем третьей рис. Схема третьей полу заряженной модели молекулы воды Если гипотеза о разном количестве электронов в молекулах воды подтвердится, то этот факт окажется решающим при получении избыточной энергии при электролизе воды. Он определит причину положительных и отрицательных результатов многочисленных экспериментов, которые ставились для проверки факта существования дополнительной энергии при электролизе воды и явлениях её кавитации. Если вода содержит больше заряженных молекул, то эксперимент даст положительный результат.
Модели молекул исследуемых жидкостей
Излучение с частотой 1595 см-1 возможно обусловлено орбитальным движением самой молекулы воды в ассоциате, который по литературным данным [1] состоит из 4-х молекул. Выполним оценочный расчёт для проверки выдвинутых предположений. Полученная величина весьма близка к справочным значениям 3657 и 3756 см-1, так что действительно можно полагать, что атомы водорода в молекуле воды обращаются по экваториальной орбите, отстоящей от ядра атома кислорода на 96 пм. Небольшое отличие между значениями справочных величин между собой, видимо, вызвано некоторыми различиями радиусов, угла наклона или эксцентриситета орбит. Другая частота, выражаемая волновым числом 1595 см-1, судя по её величине, отражает орбитальное движение молекулы воды в ассоциате. Существование ассоциатов в воде в связи с её аномальными тепловыми свойствами высокие значения теплоёмкости, температур плавления и кипения считается весьма вероятным. Оценим возможную частоту обращения молекулы воды в ассоциате, используя для этого уравнение 4. За радиус орбиты примем расстояние между атомами кислорода в воде, равное 285 пм, которое установлено рентгенографически с достаточной точностью [1]. Полученный результат является дополнительным доводом в пользу правильности предложенной модели молекулы воды. Выводы 1.
Эксперименты, проведенные исследовательской группой из Университета Южной Калифорнии , положили конец разногласиям. Их результаты, опубликованные в недавней статье R. Moro et al. Впечатляет эксперимент, позволивший прийти к такому выводу. Герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру и из него через очень узкое отверстие вода испарялась наружу, в вакуум. Отверстие имело форму миниатюрного реактивного сопла , и, выходя через него, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Такая схема испарения, избегающая нагрева, позволяет получить пар, состоящий не только из отдельных молекул воды, но и из разнообразных водных кластеров. Струйка пара проходила через камеру метровой длины с неоднородным электрическим полем, слегка отклонялась в электрическом поле, а затем попадала в масс-спектрограф, который расщеплял ее на несколько отдельных пучков в соответствии с количеством молекул в кластере.
По отклонению струйки в электрическом поле и измерялся дипольный момент кластеров. Непосредственное измерение дипольного момента кластеров разного размера уже само по себе имеет большое значение для понимания структуры воды. Действительно, получается, что когда кластеры воды «складываются» в сплошную среду, они чувствуют друг друга не только через непосредственный контакт, но и через электрическое взаимодействие диполей.
Показаны только атомы кислорода. Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями. Кластеры могут разрастаться в суперкластеры гигантские икосаэдры , примеры которых приведены на рисунке 19. Рисунок 19 - Гигантсские икосаэдры из молекул воды по М. В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул. Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде рисунок 20.
Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы "эмулонами". Микроизображения 2х2 мм. Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм. При этой температуре вода имеет наибольшую плотность. Таким образом, с рассмотренной точки зрения жидкая вода - это дисперсная система, каждая форма которой существует в определенном температурном диапазоне. Как уже упоминалось ранее, наряду с кластерной развивалась клатратная теория, основоположником которой в 1946 году стал О. Он представлял структуру жидкой воды льдоподобной, полости которой частично заполнены мономерами одна полость - одна молекула воды. Каркас структуры нарушен тепловым движением молекул. Клатраты в целом не только вода делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина.
Молекулярные клатраты образуются "хозяевами", имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если "хозяин" способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты рисунок 21 , устойчивые лишь в твердом состоянии. Рисунок 21 - Гидрат метана - пример решетчатого клатрата. В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями. В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды: Сверхкритические температуры и давления; Магнитные и электромагнитные поля, акустические и вибрационные воздействия с определенными характеристиками; Растворение электролитов, образующих при диссоциации ионы с относительно малым радиусом и большим зарядом; Растворение неэлектролитов, вызывающих явление гидрофобной гидратации; Длительный контакт с поверхностью нерастворимых в воде минералов, таких, как кварц. Возможность такого рода воздействий обуславливается тем, что вода - очень чувствительная система множества метастабильных состояний. Вода, по сути, может откликаться на воздействия практически любой природы. Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.
Особенности строения воды в твердом виде. Рисунок 22 - Фрагмент фазовой диаграммы воды. Джоном получены первые результаты по рентгеноструктурному исследованию льда. Джон отметил, что лед собран из прямых треугольных призм. Деннисон уточняет это предположение. Брэгг в статье "Кристаллическая структура льда" пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда.
Варне обнаружил, что молекулы во льду полностью ионизированы, а каждый водород находится на равном расстоянии между двумя соседними ядрами кислорода. Он заявил о трехмерности каркаса льда, который должен иметь форму тетраэдра. В нем каждый атом кислорода окружен еще четырьмя, т. Кристаллическая решетка льда называется ажурной рисунок 23. Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды. Рисунок 23 - Тетраэдрическое окружение молекул воды в кристалле льда. Рисунок 24 - Изображение структуры льда в нанотрубках. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры.
Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул. Особенности строения воды в газообразном виде. Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы. Продолжение статьи:.
Им удалось заснять сверхбыструю реакцию, которую ранее при использовании различных методов отследить так и не удавалось. Возникновение ионизации происходит в процессе попадания высокоэнергетического излучения в молекулы воды.
При этом протону удается присоединиться к другой молекуле, а электрон выбивается.
Ученые наблюдают за перемещением молекул воды вокруг Луны
Они создали слои воды толщиной 100 нм и заставили молекулы вибрировать с помощью инфракрасного лазера, а затем разрушали их короткими импульсами высокоэнергетических электронов от SLAC MeV-UED. В статье подробно разбирается уникальное строение молекулы воды, образованной двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Модель водного раствора сахарозы с массовой долей 30%, включающей 12 молекул сахарозы и 532 молекулы воды, использованная для расчётов на суперкомпьютере.
Квантово-механические свойства воды - Вода Квантовая механика Молекула » 2024
Измерение RSP до порога ионизации позволило нам количественно сравнить вероятность перехода 1S электрона на первую незанятую молекулярную орбиталь. Сравнение вероятности этого перехода в газе, жидкой воде и во льду было ключевым моментом нашего эксперимента. Из этого сравнения мы извлекли такой фундаментальный параметр жидкой воды, как среднее число водородных связей, приходящееся на одну молекулу. Это число оказалось равным 3. Тем самым мы показали, что локальная структура воды очень близка к структуре льда. Данный эксперимент был выполнен на пучке жестких рентгеновских фотонов «ID20» синхротрона European Synchrotron Radiation Facility, в Гренобле, Франция. Во втором случае измерялся спектр резонансного неупругого рассеяния рентгеновского излучения PHPPИ газообразной и жидкой водой. Как объяснил профессор, «резонансноe неупругоe рассеяниe рентгеновского излучения может приблизительно рассматриваться как 2-этапный процесс. На первом этапе молекула поглощает падающий рентгеновский фотон и переходит из основного в высоковозбужденное промежуточное состояние с «дыркой» на 1s-уровне соответствующего атома.
Это промежуточное состояние неустойчиво и оно распадается в конечное состояние, испустив конечный рентгеновский фотон. Очевидно, энергия испустившего фотона меньше энергии начального фотона на разницу энергии конечного и начального состояния молекул». Далее, экспериментальный материал был детально проанализирован теоретиками при помощи соответствующих расчетов и опубликован в престижном международном журнале Nature Communications 10: 1013 2019. Здесь акцент ставится на прочности водородной связи в жидкой воде, а в основе лежат показания, снятые при помощи метода PHPPИ. Фарис Гельмуханов подробно прокомментировал основные положения этого исследования: «Mногие ученые считают, что вода есть флуктуирующая смесь кластеров двух типов лёгкая и тяжёлая фракции , в одном из которых молекулы связаны друг с другом, как во льду, а в другом связи нарушены, благодаря чему эти кластеры более плотные. Но так ли это? Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление этого резонанса на два пика. В научной литературе часть ученых приписывает этот дублет двум вышеупомянутым структурным мотивам.
Из этого делаются далеко идущие заключения о локальной структуре и критических свойствах воды. Как заверил профессор Гельмуханов, «эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе, где очевидно водородная связь отсутствует и вопрос о легкой и тяжелой фракциях не возникает. Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют данное расщепление сверхбыстрой диссоциациeй молекулы воды в 1s-дырочном состоянии. Таким образом, данное исследование, однозначно свидетельствуя о динамической природе расщепления 1b1 резонанса, опровергает структурный механизм, тем самым свидетельствуя, что структура воды однородна». Левая панель показывает распределение молекул воды в жидкой фазе. Средняя врезка показывает процесс неупругого рассеяния молекулой воды, а правый рисунок показывает колебательную d-структуру в PHPPИ спектре.
Исследование было недавно опубликовано в журнале Science.
В своем исследовании ученые Пабло Дебенедетти и Гюль Х. Зерце из Принстонского университета и Франческо Шортико из Ла Сапиенца в Риме предполагают, что «вторая критическая точка воды» возникает при температурах от минус 83 до минус 100 градусов и при атмосферном давлении почти в 2 000 раз выше, чем давление над уровнем моря. Критическая точка — это единственное значение температуры и давления, при котором две фазы вещества становятся неразличимыми, и происходит это непосредственно перед тем, как вещество переходит из одной фазы в другую. Вода, например, имеет хорошо известную критическую точку при переходе от жидкости к пару. До сих пор эксперименты с использованием реальных молекул воды для проверки второй критической точки «суперохлаждения» воды не могли дать однозначных доказательств его существования. По словам Дебенедетти, это во многом связано с тем, что ледяная вода обычно превращается в лед. По этой причине исследователи решили прибегнуть к использованию компьютерных моделей.
Процесс по-настоящему трудоемкий.
Было показано, что явные модели воды влияли на специфическую сольватацию и динамику развернутых пептидов, в то время как конформационное поведение и гибкость свернутых пептидов оставались неизменными. Модель MB. Более абстрактная модель, напоминающая логотип Mercedes-Benz , которая воспроизводит некоторые особенности воды в двухмерных системах. Он не используется как таковой для моделирования «реальных» т. Трехмерных систем, но полезен для качественных исследований и в образовательных целях.
По этой причине, а также из-за того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря чему, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: два атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда.
Строение молекулы воды [1] а - угол между связями O-H; б - расположение полюсов заряда; в - внешний вид электронного облака молекулы воды При испарении рвутся все оставшиеся связи. Для разрыва связей требуется большое количество энергии, отсюда высокая температура, удельная теплота плавления и кипения, высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем.
Структура молекул воды и их ассоциатов
Стоковая иллюстрация: модель молекулы воды, научная или медицинская справка, 3d иллюстрация. Надо отметить, что примененная ими модель фиксирует все взаимодействия атомов углерода между собой, а также с тремя атомами и молекулой воды. Строение молекулы воды Самая простая принятая сегодня модель молекулы воды – тетраэдр. 3d-модель молекулы воды на черном фоне. © Guru3d / Фотобанк Лори. 3d illustration of a water molecule isolated on white background. water molecule model stock illustrations.
Открыто новое состояние молекулы воды
3d-модель молекулы воды на черном фоне. © Guru3d / Фотобанк Лори. 3d illustration of a water molecule isolated on white background. Во всех моделях молекулы воды (рис. 6-9) шестой электрон атома кислорода остается свободным, формируя зону отрицательного потенциала на ее поверхности. В статье подробно разбирается уникальное строение молекулы воды, образованной двумя атомами водорода и одним атомом кислорода.
Специально для вас
- Научная электронная библиотека
- Открыто новое состояние молекулы воды
- Ученые впервые нашли молекулы воды на астероидах - Hi-Tech
- Две более или менее плотные жидкие формы
- Запутывание, которое можно наблюдать в других жидкостях
Современная модель воды
С учетом этого структура молекулы воды может отличаться количеством электронов в ней, и возникает необходимость дать названия этим структурам. Так вот, загрузив все необходимые вводные данные в модель, ученые установили, что молекулы воды с повышенной плотностью формируют «топологически сложные структуры». В эксперименте Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США ученые впервые напрямую наблюдали, как возбужденные атомы водорода в молекуле воды. Ниже представлена подборка изображений, изображающих молекулу воды. В статье подробно разбирается уникальное строение молекулы воды, образованной двумя атомами водорода и одним атомом кислорода.