«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. Используя данные Стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии НАСА (SOFIA), ученые Юго-Западного научно-исследовательского института впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероида. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды, что в два раза больше, чем в модели Зенина.
Вода | Строение молекулы и структура воды в жидком, твердом и газообразном виде.
До сих пор эксперименты с использованием реальных молекул воды для проверки второй критической точки «суперохлаждения» воды не могли дать однозначных доказательств его существования. H2o или молекула воды внутри клетки фуллерен c60. Во всех моделях молекулы воды (рис. 6-9) шестой электрон атома кислорода остается свободным, формируя зону отрицательного потенциала на ее поверхности. Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.5.
Загадочный эффект воды впервые зафиксирован учеными на камеру
Молекула метана CH4 3d модель для печати. Молекула воды Для объяснения свойств воды необходима картина распределения заряда в ее молекуле. Были предложены разнообразные модели, например, ST2, TIP3P и др., но до сих пор еще не существует единой модели, которая была бы способной удовлетворительно учесть. Поэтому пятиклассники обратились к основам и попробовали нарисовать модель молекулы воды в масштабе. Если взять очень много молекул (например, стакан воды), то дипольные моменты отдельных молекул скомпенсируются, и суммарное электрическое поле исчезнет, в чём нас убеждает и повседневный опыт. 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. Нейтронное рассеяние и компьютерное моделирование выявили уникальное и неожиданное поведение молекулы воды, нетипичное для какого-либо из известных газов, жидкостей или твердых тел.
Другие новости
Поверхность потенциальной энергии системы в методах молекулярной механики зависит от собственных геометрических параметров молекулы и межмолекулярных взаимодействий с ее участием. Всякое отклонение геометрических параметров от их наиболее энергетически выгодных значений, называемых равновесными, ведет к повышению потенциальной энергии. В методах молекулярной механики учитываются также межмолекулярные взаимодействия, которые можно рассчитать с учетом дисперсионных и полярных взаимодействий [1]. Выпишем отдельно каждую компоненту потенциальной энергии. Энергию ДЕд растяжения и сжатия связи между атомами А и В представим в виде разложения потенциальной энергии двухатомной молекулы в ряд Тейлора в окрестности точки равновесия До. Ограничив ряд третьим членом, имеем ЛЕ 1 г!
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.
Вода может менять климат, эрозию, тектонику и другие процессы на планетах, делая их более или менее пригодными для жизни. Кроме того, вода может быть переносчиком органических молекул, которые являются строительными блоками жизни.
Поэтому зная, где и как много воды в космосе, мы можем лучше понять, как она появилась на Земле и каковы шансы найти ее на других планетах. Но как определить, есть ли вода на астероидах? Один из способов — это посмотреть на них через специальный прибор, который может измерять свет, исходящий от астероидов, в разных спектрах.
Вода имеет особый спектр, который можно увидеть в инфракрасном свете. Но есть проблема: земная атмосфера поглощает большую часть инфракрасного света, и поэтому мы не можем увидеть воду на астероидах с земли. SOFIA — это необычный самолет, в котором есть огромный телескоп.
Он может летать на высоте до 13,7 километров, где атмосфера уже не мешает наблюдениям.
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. Колебания в данном случае заменяет вращение молекулы воды вокруг оси, совпадающей с линиями магнитного поля.
Такие кластеры могут объединяться как друг с другом, так и со свободными молекулами воды. На рисунке ниже показаны возможные структуры конформации кластеров воды.
Считается, что тетрагональная структура льда разрушается при плавлении с образованием смеси, состоящей из три-, тетра-, пента-, гексамеров воды и свободных молекул. В 1999 г. Секайли удалось расшифровать строение тримера воды, а в 2001 г. Оригинальной кластерной моделью является теория С. Согласно модели С. Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур "ассоциато".
Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 простой тетраэдр или 5 объемно-центрированный тетраэдр молекул воды. При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13. Рисунок 13 - Формирование сложных ассоциатов из молекул воды по С. Кластеры, содержащие 20 молекул воды додэкаэдры более стабильны. Схема их образования показана на рисунке 14. Рисунок 14 - Формирование кластеров воды из 20 молекул.
Из четырех таких образований возникают энергетически выгодные "кванты" - тетраэдрические додекаэдры рисунок 15. Рисунок 15 - Модель ассоциата воды из 57 молекул - "квант" тетраэдр из четырех додекаэдров. Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей. Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа "четырехконечной звезды" и "шестилучевой снежинки". Рисунок 16 - Принципиальная модель кластера воды из 912 молекул 16 "квантов" воды. На каждой грани такого куба существует уже по 24 центра образования водородных связей.
Данные цифры были подтверждены экспериментально. На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной нейтральной. Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком "режиме" из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 микроизображение в режиме фазового контраста. Рисунок 17 - Микроизображение объемной структуры воды. Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации.
Интересно, что по мнению Зенина, если степень возмущения структурных элементов воды недостаточна для перестройки всей структуры, то после снятия возмущения система релаксирует 30-40 минут до возвращения в исходное состояние. Если же переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то оказанное воздействие отразится на новом состоянии. Альтернативную, но похожую теорию выдвинул М. В его теории структурные элементы - это икосаэдры. Кластеры из 100 молекул могут образовывать цепочки с уменьшенными напряжением и степенью деформации водородных связей. В дальнейшем теоретически формируются сети, как показано на рисунке 18.
Рисунок 18 - Формирование упорядоченной сети кластерных образований икосаэдрической формы, формирующих структуру воды. Компьютерные расчеты. 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.
Модель воды
Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды, что в два раза больше, чем в модели Зенина. Надо отметить, что примененная ими модель фиксирует все взаимодействия атомов углерода между собой, а также с тремя атомами и молекулой воды. Они помещают отдельные молекулы воды, обладающие довольно большим дипольным моментом, в так называемую диэлектрическую матрицу.
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Только недавно выяснилось, что водные кластеры обладают большими электрическими дипольными моментами изображение с сайта www. Попутно выяснилось, что отдельные кластеры не замерзают даже при минус 150 градусах Цельсия. Структура воды становится еще более интересной, чем считалось ранее. Несмотря на простую химическую формулу, вода — вещество с очень нетривиальными свойствами.
Причина этого в том, что молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. В жидком состоянии вода представляет собой не просто мешанину молекул, а сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров. Каждый отдельный кластер живет очень небольшое время, однако именно поведение кластеров влияет на структуру воды.
Свойства и динамика водных кластеров H20 n — предмет активных исследований. В отличие от металлических кластеров с их фиксированной пространственной структурой, водные кластеры размером от нескольких до нескольких десятков молекул даже при температурах ниже комнатной остаются жидкими: у таких кластеров есть много равноправных форм, между которыми они непрерывно перескакивают. Такая особенность водных кластеров отражается и на их электрических свойствах.
Как известно уже более полувека, молекула воды — полярна.
Авторы исследования тогда предположили, что при значительном охлаждении жидкая вода должна разделяться на две формы с разной плотностью. Однако экспериментально подтвердить эту гипотезу пока не удавалось, потому что переход должен происходить при температурах, когда в нормальных условиях вода превращается в лед. В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи из Бирмингемского университета и университета Сапиенца в Риме приводят доказательства существования «плотной воды». Физики использовали компьютерное моделирование, чтобы объяснить, какие особенности отличают две жидкости на микроскопическом уровне.
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.
Фото: Unsplash Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC министерства энергетики США, Стэнфордского и Стокгольмского университетов напрямую наблюдали, как атомы водорода в молекулах воды тянут и толкают соседние молекулы при возбуждении лазером. Это может объяснить странные свойства воды.
Некоторые свойства воды загадочны, и ученым до сих пор сложно их объяснить. Например, все жидкости становятся плотнее, когда температура падает. Поэтому менее плотный лед плавает на поверхности, а не погружается на дно.
Водоемы замерзают сверху вниз, и их обитатели выживают.
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]. Избыточный отрицательный заряд в количестве двух электронов находится в центре треугольника. Дипольный момент такой молекулы 1. Молекулы плотно упакованы, и радиус Д соответствует плотной упаковке. Кластер состоит из центральной молекулы, ее окружения из 12 молекул и 42 молекул, соприкасающихся с окружением. В начальном состоянии молекулы были ориентированы случайным образом. Специальная программа градиентного спуска в 165-мерном пространстве приводила кластер к минимуму электростатической энергии. Работа программы заключалась в повороте каждой молекулы вокруг всех трех осей.
Поворотом вокруг первой оси достигался минимум и происходил переход ко второй оси, а затем к третьей. Потом операция проводилась со второй молекулой и так далее.
Ученые из Великобритании получили необычные молекулы воды
В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на идеях сетевой запутанности. Я уверен, что эта работа вдохновит на новое теоретическое моделирование, основанное на топологических концепциях. Франческо Шортино , профессор университета Сапиенца и соавтор исследования Исследователи полагают, что разработанная ими модель, поможет спроектировать экспериментальные условия для подтверждения фазового перехода в жидкости. Кроме того, они считают, что аналогичные состояния могут наблюдаться и у других веществ, например, кремния. Читать далее:.
Cults3D - это независимый и самофинансируемый сайт, который не подчиняется ни одному инвестору или бренду. Почти все доходы сайта возвращаются создателям платформы.
Это полная противоположность моделям из учебников, которые учат, что ионы образуют двойной электрический слой и ориентируют молекулы воды только в одном направлении. Соавтор исследования д-р Яир Литман из химического факультета Юсуфа Хамида сказал: «Наша работа демонстрирует, что поверхность растворов простых электролитов имеет другое распределение ионов, чем считалось ранее, и что обогащенная ионами подповерхностная поверхность определяет, как будет выглядеть граница раздела. Соавтор, доктор Куо-Янг Чан из Института Макса Планка, сказал: «Эта статья показывает, что сочетание HD-VSFG высокого уровня с моделированием является бесценным инструментом, который будет способствовать пониманию границ раздела жидкостей на молекулярном уровне». Профессор Миша Бонн, возглавляющий отдел молекулярной спектроскопии Института Макса Планка, добавил: «Такие типы интерфейсов встречаются повсюду на планете, поэтому их изучение не только помогает нашему фундаментальному пониманию, но также может привести к созданию более совершенных устройств и технологий. При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна Последние аномальные новости.
Многие необычные характеристики воды объясняются тем, что ее молекулы связаны между собой особым типом нековалентных связей, получившем название водородной связи. Такие связи образуются между атомом водорода, который связан с так называемым электроотрицательным атомом в случае воды - с кислородом , и другим электроотрицательным атомом, находящимся в той же или соседней молекуле. Авторы новой работы проверяли, насколько хорошо модель, описывающая свойства воды только с опорой на водородные связи так называемая электростатическая модель , согласуется с данными экспериментов. Ученые отслеживали такой параметр как распределение протонов в молекулах воды по уровням кинетической энергии. Исследователи "загоняли" молекулы H2O в углеродные нанотрубки диаметром 1,6 нанометра, и подвергали систему воздействию высокоэнергетичных нейтронов, которые производил источник ISIS из лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Оксфордшире, Великобритания. Из-за того, что нейтроны обладали очень высокой энергией, они успевали отразиться от встреченных на пути протонов до того, как последние успевали провзаимодействовать с окружающими их частицами.
Ученые обнаружили, что молекулы воды определяют материалы вокруг нас
С учетом этого структура молекулы воды может отличаться количеством электронов в ней, и возникает необходимость дать названия этим структурам. О сервисе Прессе Авторские права Связаться с нами Авторам Рекламодателям Разработчикам. Многие необычные характеристики воды объясняются тем, что ее молекулы связаны между собой особым типом нековалентных связей, получившем название водородной связи. Краткое содержание Рассмотрена модель молекулы воды на основе представлений об орбитальном движении частиц под действием сил тяготения, подчиняющихся обратно квадратичному закону с константой тяготения равной 1,847.1028 см3/ гс2. Исследователи из Массачусетского технологического института сделали новое открытие: свет может испарять воду без тепла.