Ученые из Кембриджского университета и Института исследования полимеров Общества имени Макса Планка в Германии провели исследование, которое опровергло распространенную модель поведения молекул воды.
Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной
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. Исследователи из NASA и Немецкого космического агентства DLR впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероидов. Как сообщает информационное издание «МедиаПоток», специалистами Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США впервые была зафиксирована ионизация молекул воды.
Water Molecule Model - Сток картинки
Так что же сокрыто в воде? Шаг за шагом мы узнаем все больше, пытаясь заглянуть в самую суть вещей. Поэтому пятиклассники обратились к основам и попробовали нарисовать модель молекулы воды в масштабе. На этом ребята не остановились и даже использовали 3D-печать! Моделирование оказалось совсем не простым; от пятого центра требовалось все их внимание и сосредоточенность.
Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. 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.
Многие важные реакции, связанные с климатом и экологическими процессами, происходят там, где молекулы воды взаимодействуют с воздухом. Например, испарение океанской воды играет важную роль в химии атмосферы и науке о климате. Понимание этих реакций имеет решающее значение для усилий по смягчению воздействия человека на нашу планету. Распределение ионов на границе раздела воздуха и воды может влиять на атмосферные процессы. Однако точное понимание микроскопических реакций на этих важных границах раздела до сих пор активно обсуждается. В статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry, исследователи из Кембриджского университета и Института исследования полимеров Макса Планка в Германии показывают, что ионы и молекулы воды на поверхности большинства растворов соленой воды, известных как растворы электролитов, организованы в совершенно иным способом, чем традиционно понимается.
Планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются по мере вращения планеты, создавая огромные магнитные поля. Напротив, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и сложными, с более чем двумя полюсами. Они также не выравнивались близко к вращению своих планет. Один из способов добиться такого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, лишь тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра. Но идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, вы бы ожидали сперва столкнуться со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах также будет жидкостью, но это наивно. У планетологов есть шутка о том, что недра Урана и Нептуна вообще не могут быть твердыми. Но оказалось, что могут. Взрывной лед Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе. В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале 2018 года, физики получили косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных алмазов. Когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, что примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, воды превратилась в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перешел в лед-VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует в крошечных карманах внутри природных алмазов. Такая вода нам привычна. Когда лазер ударил по поверхности алмаза, он испарил материал вверх, по сути отбросив алмаз в противоположном направлении и отправив ударную волну через лед. Команда Милло обнаружила, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов. После того, как прогнозы относительно объемных свойств суперионного льда подтвердились, новое исследование Коппари и Милло должно было подтвердить его структуру. Если вы хотите подтвердить кристаллическую природу, вам нужна дифракция рентгеновских лучей. Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен.
Другие новости
- Эту иллюстрацию можно купить в следующих форматах:
- Орбитальная модель молекулы воды - YouTube
- Квантово-механические свойства воды - Вода Квантовая механика Молекула » 2024
- Ученые впервые обнаружили молекулы воды на астероидах
- Вода в нанотрубках приняла квадратную форму
- Молекула воды – Новости частной школы «Золотое сечение»
Проекты по теме:
- Информация
- Ученые США и Швеции наблюдали взаимодействие между молекулами воды на атомном уровне
- Продолжается изучение структуры воды
- Компьютерная модель взаимодействия молекул воды
- Физики показали, что вода превращается в две жидкости при низких температурах
Физики показали, что вода превращается в две жидкости при низких температурах
| Фото и Изображения - Молекула воды | Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды, что в два раза больше, чем в модели Зенина. |
| Физики записали, как молекулы воды движутся вокруг ионов соли | water molecule model stock illustrations. |
| Молекула воды: удивительное строение простого вещества | «Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. |
| Ученые зафиксировали движение молекул воды вокруг ионов соли | Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости с высокой плотностью образуют структуры, которые считаются «топологически сложными», такие как узел-трилистник (похоже на крендель) или связь Хопфа (напоминает звенья цепи). |
Модель молекулы воды
Шары соответствовали атомам, стержни - химическим связям в молекуле. Конечно, в то время Дальтон не мог указать величину расстояний между атомами в молекуле и валентных углов. Это и сейчас составляет трудности, например для воды в жидком состоянии. Именно поэтому авторы статьи [1] пишут, что не могут экспериментально подтвердить свою гипотезу. Однако если рассматривать вещества в газообразном или твердом состоянии, то геометрические конфигурации и параметры молекул можно определить.
Соответствующие данные имеются в справочниках, например, в книге Ромбиди Н. Геометрическая конфигурация и межъядерные расстояния молекул и ионов в газовой среде". Книга вышла в 1978 году в Издательстве стандартов. Используя справочные данные такого рода и экстраполируя их, авторы работы [1] приходят к модели молекулы талой воды, показанной на рис.
На рисунке приведены величины межъядерных расстояний они, очевидно, одинаковы и величина валентного угла НОН. Соединив далее вершины НН и присоединив к полученному треугольнику симметрично еще один такой же треугольник, получаем один из двух знаменитых ромбов Пенроуза рис. Мы его, для краткости, назовем первым золотым треугольником. На рис.
Заметим, что угол при вершине В тупой и его косинус отрицательный. Первый треугольник получается, если разрезать ромб на рис. Об этих треугольниках мы поговорим ниже, а пока заметим, что в конце 1970-х годов Пенроуз [3] разработал алгоритм разбиения плоскости без пустот и перекрытий указанными двумя сортами ромбов и даже запатентовал несколько образцов комнатных обоев и их разбиений на ромбы. Разбиение Пенроуза не является периодическим, но любой конечный кусок встречается в нем бесконечное число раз и обязательно появляется в круге достаточно большого радиуса с любым центром на плоскости.
Через несколько лет после открытия Пенроуза, в 1980-х годах, были обнаружены новые виды двухмерных и трехмерных материалов, названные квазикристаллами, атомы которых расположены в вершинах ромбов, образующих разбиение Пенроуза. В дальнейшем физики нашли квазикристаллы с осями симметрии восьмого, десятого и двенадцатого порядков. После открытия квазикристаллов были рассмотрены разбиения трехмерного пространства на призмы, основаниями которых служили ромбы Пенроуза. Вспомним теперь другую историю, казалось бы не связанную с предыдущей.
Еще до открытия Пенроуза американский архитектор Ричард Бакминстер Фуллер в 1942 году! Увлекательный рассказ об этом изобретении можно прочитать в статье Александра Лейзеровича "Марка Фуллера", опубликованной в 2004 году в журнале "Знание - сила". Через два года после смерти Фуллера, в 1985 году, были открыты молекулы сфероидальной структуры, образованные многоугольниками с атомами углерода в вершинах см. В честь Фуллера их назвали фуллеренами, а молекулярные кристаллы, состоящие из них, - фуллеритами см.
Спроецировав определенным образом здесь не уточняем каким кристалл фуллерита на плоскость, мы получим разбиение Пенроуза плоскости, если считать, как принято в кристаллографии, этот кристалл бесконечным. В статье В.
Изображение: Andreas Neophytou et al. Ну что ж, будем ждать новых результатов данных экспериментов, а с уже проделанной работой ученых можно ознакомиться в материале, который был опубликован на портале Nature Physics. Понравился материал? Тогда не забудьте его оценить, а также подписаться на канал.
Спасибо за ваше внимание!
В рамках изучения специалисты создали слои воды толщиной 100 нм и заставили молекулы вибрировать благодаря инфракрасному лазеру, а потом разрушали их короткими импульсами высокоэнергетических электронов от SLAC MeV-UED. Как заявили авторы новой научной работы, их результаты приближают понимание свойств воды, которые играют главную функцию в ключевых химических и биологических процессах. Статья опубликована на страницах издания Nature.
Перейти в корзину… удалить из корзины Размеры в сантиметрах указаны для справки, и соответствуют печати с разрешением 300 dpi. Купленные файлы предоставляются в формате JPEG. При использовании требуется указывать источник произведения.
Ученые впервые увидели процесс, который обеспечивает «странные» свойства воды
РИА Новости, 26.08.2021. Новости окружающая среда Испарение воды от света уже стало научны. Модель молекулы воды Вода образует водородные связи Благодаря водородным связям вода, являясь жидкостью, обладает аномальными свойствами При нагревании вода сжимается, при замерзании же расширяется, в то время как другие жидкости сжимаются.
Физики доказали способность света испарять молекулы воды
Следовательно, это значение можно принять равным нулю, т. Второй член разложения также равен нулю, так как первая производная функции в точке ее экстремума обращается в нуль. Таким образом, получаем, что потенциальная энергия зависит от третьего и высших членов разложения функции в ряд. Расчет энергии деформации по формуле 3 не требует больших затрат машинного времени.
В случаях, когда молекулы имеют длинные связи и выходят за пределы применимости формулы 3 , можно ввести дополнительный член ряда, пропорциональный ДДАВ. Для описания второго слагаемого в выражении 1 - энергии деформации валентных углов - можно также использовать разложение в ряд Тейлора. Как и для энергии деформации длин связей, в некоторых случаях разложение в ряд Тейлора обрывают на членах более высоких порядков.
Следует отметить, что в ранних вариантах силовых полей учитывались только функции деформации длин связей и деформации валентных углов, которые использовались для вычисления потенциальных энергий без оптимизации геометрии. Современные силовые поля включают в себя больше различных типов потенциальных функций, что позволяет получать расчетные данные, близкие к экспериментальным [2]. Наиболее важна среди подобных функций энергия деформации торсионных углов.
Торсионные углы описывают внутреннее вращение молекул вокруг связей, а потому являются периодическими функциями. Величины Un определяют высоту барьера вращения относительно связи C-D. В определенных молекулах при некоторых значениях n величины Un могут быть равны нулю [3].
Невалентные взаимодействия рассчитываются как сумма энергии отталкивания и энергии притяжения атомов. Отталкивание проявляется на малых расстояниях и может быть выражено членом в степенной зависимости от расстояния r-12 , либо в экспоненциальной форме e-ar. Кроме того, расчеты энергии молекул, включающих экспоненциальные функции, более требовательны к вычислительным ресурсам.
Притяжение нейтральных атомов между собой на больших расстояниях обусловлено дисперсионными силами, главная составляющая энергии которых пропорциональна r-6.
Продолжая посещать сайты проектов вы соглашаетесь с нашей Политикой в отношении файлов cookie Вода на астероидах: как ученые впервые нашли молекулы воды на древних космических телах Пост опубликован в блогах iXBT. Это удивительное вещество, которое дало начало жизни на Земле и может быть ключом к ее поиску в космосе. Но откуда взялась вода на нашей планете? И как она распределена по солнечной системе и за ее пределами? Ответы на эти вопросы могут скрываться на астероидах — древних кусках камня и металла, которые остались после рождения планет. Астероиды — это своего рода космические архивы, которые хранят в себе информацию о том, как выглядела солнечная система в самом начале. Они образовались из солнечной туманности — гигантского облака газа и пыли, которое вращалось вокруг молодого солнца. В зависимости от расстояния до солнца, температура и давление в туманности были разными, и поэтому разные материалы сгущались и склеивались в астероиды.
Ближе к солнцу было жарко, и там появлялись сухие астероиды, состоящие из силикатов — минералов, из которых состоит земная кора.
Эти поверхности потенциальной энергии вводятся в модели МД для беспрецедентной степени точности при вычислении физических свойств систем конденсированной фазы. Другая классификация многих моделей тел основана на расширении лежащих в основе электростатических свойств, например, модель SCME одноцентровое многополюсное расширение Вычислительные затраты Вычислительные затраты на моделирование воды возрастают с увеличением количества точек взаимодействия в модели воды. Время ЦП примерно пропорционально количеству межатомных расстояний, которые необходимо вычислить. При использовании моделей жесткой воды в молекулярной динамике существуют дополнительные затраты, связанные с удержанием структуры в ограниченном состоянии с использованием алгоритмов ограничения хотя при ограниченной длине связей часто можно увеличить время шаг.
На положение поверхности вращения влияет также расположение центра масс, относительно которого происходит вращение молекулы. Он несколько сдвинут в сторону атомов водорода. Адекватность представленной модели молекулы воды также подтверждается данными по её динамике. Для воды характерны три частоты поглощения в инфракрасной области 1595, 3657 и 3756 см-1. Анализируя представленную на рис. 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.
3d модель молекулы воды H2O для печати
В этот момент молекулярная структура воды изменяется, образуя набор тетраэдров каждая молекула воды связана с четырьмя другими. Новый тип фазового перехода, объясняющий такое поведение, был впервые предложен 30 лет назад в исследовании ученых из Бостонского университета. В новом исследовании представлены доказательства существования фазового перехода жидкость-жидкость, происходящего в условиях переохлаждения. Две более или менее плотные жидкие формы Согласно теории, предложенной 30 лет назад для объяснения происхождения термодинамических аномалий воды, в переохлажденной области фазовой диаграммы воды существует линия фазового перехода первого рода жидкость-жидкость. Эта линия разделяла бы две жидкие фазы, образованные сетью переходных водородных связей — жидкость низкой плотности LDL и жидкость высокой плотности HDL — и заканчивалась бы в критической точке жидкость-жидкость. Если в условиях переохлаждения существуют два жидких состояния, то их очень трудно наблюдать экспериментально: при таких низких температурах вода находится в метастабильном состоянии, и малейшее возмущение может вызвать затвердевание. Поэтому команда использовала компьютерное моделирование, чтобы определить, какие характеристики отличают две жидкости на микроскопическом уровне.
Учёные из МФТИ построили достоверную модель, позволяющую с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. В атомистическом моделировании многое завязано на взаимодействии между атомами системы. Для расчётов жидкостей часто применяются потенциалы межатомного взаимодействия. Создание потенциалов — отдельное искусство: при разработке авторы ориентируются на квантово-механические расчёты, потом проверяют, насколько хорошо модель воспроизводит экспериментальные данные. Оказалось, что популярные потенциалы плохо подходят для описания динамических свойств водных растворов простых сахаров, таких как сахароза и глюкоза. Владимир Дещеня, магистрант МФТИ, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, рассказывает: «Для исследования различных физических систем всё чаще применяются методы суперкомпьютерного моделирования. Точность достигаемых результатов при этом напрямую зависит от потенциала межатомного взаимодействия, который получается при помощи квантово-механических расчётов и экспериментов. Опираясь на последние улучшения различных потенциалов, описывающих взаимодействия атомов в жидкостях, мы подобрали подходящий для описания свойств раствора сахарозы в воде. Таким образом мы получили достоверную модель раствора».
Воспроизведение этого нестабильного комплекса осуществляется лазерными операциями и лучевой терапией, что приводит к активизации многих химических реакций в организме человека. Благодаря данному комплексу возможно очищение питьевой воды от микробов. Дарья Волкова.
Горизонтальная сдвигающая сила на каждый атом верхней пластины изменялась от 0. Для взаимодействия вода - алмаз учитывались взаимодействия атомов поверхностей только с сайтом О молекулы воды. Потенциал имеет ЛД вид 2. Экспериментально установлено, что алмаз имеет высокую гидрофильность [33]. Также отмечалось, что используемая в экспериментах слюда также гидрофильна. Для имитации этих условий в модели использовались следующие значения величин: , , отвечающих вдвое большему притяжению молекул воды к атомам углерода, чем друг к другу. Для гладких поверхностей в модели не включалось их непосредственное взаимодействие друг с другом. Молекула аргона Молекулы аргона моделировались упругими шарами, взаимодействие для которых имеет ЛД вид 2. Параметры в 2. Взаимодействие молекул аргона с атомами поверхностей считалось таким же, как и для воды.
3d-модель молекулы воды на черном фоне
| Современная модель воды | В эксперименте Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США ученые впервые напрямую наблюдали, как возбужденные атомы водорода в молекуле воды. |
| Оригами молекула воды (42 фото) | Смотрите 62 онлайн по теме фото молекулы воды. |
Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной
Многие необычные характеристики воды объясняются тем, что ее молекулы связаны между собой особым типом нековалентных связей, получившем название водородной связи. В статье подробно разбирается уникальное строение молекулы воды, образованной двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Первая модель эволюции поверхности Земли с высоким разрешением. Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. Полученные с обсерватории SOFIA данные сигнализируют о наличии молекул воды, замеченных на астероидах Ирида и Массалия. РИА Новости, 26.08.2021.