Однако ученые опровергли общепризнанную модель поведения воды, описанную в учебниках, выяснив, что на самом верху находится слой чистой воды, под которым находится обогащенный ионами слой, а затем идет объемный раствор соли. Учёные проследили за электронами в молекулах воды, чтобы уточнить последствия действия радиации на людей.
Ученые зафиксировали движение молекул воды вокруг ионов соли
Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды. Кристаллическая структура льда Когда лёд плавится, его тетрагональная структура разрушается и образуется смесь кластеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс можно представить себе так. Заказать работу Рис. Структура жидкой воды.
В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10-12 секунд. Изучить строение этих образующихся ассоциатов оказалось довольно сложно, поскольку вода — смесь различных полимеров, которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом, полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.
Разделить эту смесь на отдельные компоненты тоже практически невозможно. Лишь в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского университета г. Беркли, США под руководством доктора Р. Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г.
К этому времени уже было установлено, что жидкая вода состоит из полимерных ассоциатов кластеров , содержащих от трех до шести молекул воды. Более сложным оказалось строение гексамера. Самая простая структура — шесть молекул воды в вершинах шестиугольника, — как выяснилось, не столь прочна, как структура клетки. Более того, структуры призмы, раскрытой книги или лодки тоже оказались менее устойчивыми.
В шестиугольнике может быть только шесть водородных связей, а экспериментальные данные говорят о наличии восьми. Это значит, что четыре молекулы воды связаны перекрёстными водородными связями. Структуры кластеров воды были найдены и теоретически, сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать. В 1999 г.
Станислав Зенин провёл совместно с Б. Применив современные методы анализа - рефрактометрию, протонный резонанс и жидкостную хроматографию им удалось обнаружить ассоциаты молекул воды - кластеры. Возможные кластеры воды Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры: Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более стабильными.
Формирование кластера из 20 молекулы воды. Анализируя полученные данные предложил, что вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" clathrates , в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды квантов , образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров правильных 12-гранников.
Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами тетраэдр, додекаэдр , форма которых связана с золотой пропорцией.
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. Напротив, молекулы в жидкости с низкой плотностью в основном образуют простые кольца, и, следовательно, молекулы в жидкости с низкой плотностью не запутаны. Компьютерная модель состояния воды с высокой плотностью.
Даже поваренная соль содержит их, как и все соли. В водных растворах могут двигаться от четырех до шести молекул воды вместе или по отдельности. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса использовалась Алексеем Ершоу и его сотрудниками для определения и просмотра молекулярной структуры. Они обнаружили, что молекулы воды колеблются более триллиона раз в секунду вблизи ионов NaCl.
Ученые из Кембриджского университета и Института исследования полимеров Общества имени Макса Планка в Германии провели исследование, которое опровергло распространенную модель поведения молекул воды Источник фото: Фото редакции Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Chemistry. Ученые изучали влияние ионов электролитов на распределение молекул воды на поверхности солевого раствора. Они использовали модифицированный метод генерации суммарной частоты колебаний VSFG.
"Nature Chemistry": опровергнута описанная в учебниках организация молекул воды
| Современная модель воды | 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). |
| Ученые наблюдают за перемещением молекул воды вокруг Луны | «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. |
| Загадочный эффект воды впервые зафиксирован учеными на камеру | 360° | В предыдущих работах рассматривались отдельные модельные молекулы, в настоящей работе рассмотрено движение трех молекул воды, помещенных внутрь фуллерена. |
| Загадочный эффект воды впервые зафиксирован учеными на камеру | Надо отметить, что примененная ими модель фиксирует все взаимодействия атомов углерода между собой, а также с тремя атомами и молекулой воды. |
Молекула воды
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. Ученые Кембриджского университета и Института исследования полимеров Общества имени Макса Планка в Германии обнаружили, что молекулы воды на поверхно. Модель водного раствора сахарозы с массовой долей 30%, включающей 12 молекул сахарозы и 532 молекулы воды, использованная для расчётов на суперкомпьютере.
Ученые зафиксировали движение молекул воды вокруг ионов соли
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. Дальше от солнца было холодно, и там формировались астероиды с большим количеством льда, углерода и других органических веществ.
SOFIA — это необычный самолет, в котором есть огромный телескоп. Он может летать на высоте до 13,7 километров, где атмосфера уже не мешает наблюдениям. Они сделали удивительное открытие: на двух из них — Ирис и Массалия — они нашли молекулярную воду, то есть воду в виде свободных молекул H2O.
Это важно, потому что раньше на астероидах находили только гидроксиль, то есть группу OH, которая может быть привязана к минералам или приклеена к поверхности. Молекулярная вода говорит о том, что на астероидах есть свободная вода, которая может быть заперта или растворена в стекле, образованном при столкновениях. Откуда взялась молекулярная вода на астероидах? Есть несколько возможных объяснений. Одно из них — это то, что вода была на астероидах с самого начала, когда они образовывались из солнечной туманности.
Это значило бы, что вода была повсеместна в солнечной системе и могла достигать даже близких к солнцу областей.
Ученые изучали влияние ионов электролитов на распределение молекул воды на поверхности солевого раствора. Они использовали модифицированный метод генерации суммарной частоты колебаний VSFG. Оказалось, что ионы, как положительно, так и отрицательно заряженные, создают два слоя на границе раздела раствора и воздуха.
В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.
Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. Он определяет энергию взаимодействия последней с её окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и её теплоёмкость», — дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института Стокгольм, Швеция , старший научный сотрудник Сибирского федерального университета. Рисунки A Молекула воды, поглотив фотон, возбуждается из основного состояния 0 в высоковозбуждённое диссоциативное состояние с , где атом водорода быстро покидает точку равновесия. В процессе диссоциации возбуждённая молекула возвращается в основное 0 или конечное состояние f испуская другой фотон и формируя спектр вблизи 535 эВ и 526 эВ, соответственно.
Модель молекулы воды
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). Если рассмотреть модель молекулы воды, особенности ее строения, можно сказать, что она представляет собой две единицы одновалентных ионов водорода и один двухвалентный ион кислорода, а формула выглядит так: H2О. В работе выяснены характерные особенности в строении воды для объяснения ее свойств; созданы и проверены компьютерные модели молекулы воды; сделан вывод: молекулы воды образуют определенные структуры, основанные на наличии водородных связей. молекулы воды 3d PNG, модель, вода, молекулы PNG картинки и пнг PSD рисунок для бесплатной загрузки.
Продолжается изучение структуры воды
Холодная вода обладает меньшей сжимаемостью, чем горячая. Более того, при заморозке молекулы воды могут всячески менять свое расположение. Всему этому сложно найти объяснения, причем существующие теории вызывают ожесточенную полемику в научных кругах. Одна из них была сформулирована почти три десятилетия назад и заключалась в том, что ледяная вода может существовать в двух разных жидких формах, одна из которых обладает менее плотной структурой. Другими словами, существует два вида воды, каждый из которых является отдельной жидкостью. 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.
Формирование кластеров воды Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» — ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы водяного пара. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой H2O x Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуют своеобразные "рои" довольно стабильного состава.
Пространства между "роями" заполняют мономерные молекулы воды. Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Кроме льдоподобной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и третий элемент структуры — нететраэдрической. Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов. Изучение структуры жидкой воды еще не закончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире.
Райк, В.
Потенциальная энергия системы рассчитывалась методом молекулярной механики, учитывающим атом-атомные взаимодействия с помощью модельных полуэмпирических потенциалов. Фрагмент поверхности кристалла был представлен кластерной моделью, состоящей из конечного числа атомов, принадлежащих самой поверхности и ближайшим к ней атомным плоскостям. Были описаны различные кластерные модели, содержащие от 9 до 24 атомов оксида магния. Для них была определена равновесная геометрия системы с адсорбированной молекулой воды. Вычислены частоты валентных колебаний адсорбированной на поверхности молекулы воды. Полученные результаты сравниваются с результатами квантово-механических расчетов. Ключевые слова: молекулярная механика, потенциалы межмолекулярного взаимодействия, адсорбция, оксиды металлов.
Raik A. Petersburg University. Applied mathematics, computer science, control processes. Issue 1. An interaction model between a water molecule and magnesium oxide crystal surface is considered. Fragment of the crystal surface is represented by the cluster model, that consists of a finite number of atoms belonging to the surface and the nearest atomic planes. Different cluster models containing from 9 to 24 atoms of magnesium oxide were considered.
It is shown that the distance between the water molecule and the surface in equilibrium point is 3 A. Table 1.
Модели многих тел. Модели воды, построенные с использованием конфигураций обучающих наборов, решаемых квантово-механически, которые затем используют протоколы машинного обучения для извлечения поверхностей потенциальной энергии. 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.
Вода на астероидах: как ученые впервые нашли молекулы воды на древних космических телах
Научная работа, описанная в журнале PNAS, рассказывает о том, что свет, попадая в место соприкосновения воздуха и воды, способен расщеплять молекулы H2O и поднимать их в воздух, вызывая испарение без участия сторонних источников тепла. В работе выяснены характерные особенности в строении воды для объяснения ее свойств; созданы и проверены компьютерные модели молекулы воды; сделан вывод: молекулы воды образуют определенные структуры, основанные на наличии водородных связей. Объемная модель молекулы воды. Спектроскопия PHPPИ воды качественно отличается от ИК спектроскопии тем, что при возбуждении рентгеновским фотоном глубокого 1s электрона кислорода на первую незанятую молекулярную орбиту, молекула воды быстро диссоциирует.
Орбитальная модель молекулы воды
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). Каждая молекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом. Большинство моделей воды с четырьмя участками используют расстояние OH и угол HOH, которые соответствуют расстояниям свободной молекулы воды. Ученые Юго-Западного исследовательского института заявили об интригующей находке — они обнаружили молекулы воды на поверхности космических камней. Они помещают отдельные молекулы воды, обладающие довольно большим дипольным моментом, в так называемую диэлектрическую матрицу.
Другие новости
Кроме того, она не должна иметь неприятных запаха и привкуса. Техническая вода. Техническая вода, используемая, к примеру, для охлаждения оборудования может содержать различные соли, но не должна вызывать коррозию металлов или отложение солей. Очистка воды Существует несколько основных методов очистки воды: Фильтрование через песчаные фильтры или мембраны; Хлорирование для обеззараживания; Умягчение путем удаления солей жесткости; Адсорбция примесей активированным углем. Несмотря на кажущуюся обильность запасов пресной воды, ее надо беречь.
Рекомендации по экономии: Установка счетчиков; Использование специальных насадок и режимов при пользовании кранами, душем; Сбор дождевой воды для полива; Повторное использование технической воды. Многие значительные источники пресной воды пересекают границы нескольких государств. Для их сохранения необходимы: Заключение международных соглашений по использованию таких водных объектов; Совместный мониторинг качества воды; Выработка правил эксплуатации гидротехнических сооружений; Соблюдение экологических нормативов в бассейнах трансграничных водотоков. Пути решения проблемы нехватки пресной воды Несмотря на предпринимаемые меры по рациональному использованию водных ресурсов и охране окружающей среды, в ряде регионов планеты остро стоит проблема нехватки пресной воды: Опреснение морской воды.
Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы. Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ. Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами. Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW Standard Mean Ocean Water удалить все тяжелые изотопы и заменить их на 1H216O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, то есть на четверть. Структура воды. Водородные связи. Структура - есть конкретное пространственное расположение атомов, ионов или молекул в соответствии с особенностями их взаимодействия между собой. Существует несколько базовых гипотез строения воды.
Основной строительной единицей здесь является дигидроль. Отметим, что по этой гипотезе пар состоит преимущественно из моногидроля, а лед - из тригидроля. Самойлова, Дж. Попла, Г. Зацепиной XX век. Вода, пар или лед состоят из простых молекул H2O, объединенных в группы или агрегаты с помощью водородных связей Дж. Бернал, Р. Фаулер 1933. Последователей второй гипотезы значительно больше, поэтому остановимся на ней подробнее.
Электронная конфигурация молекулы H2O позволяет ей быть одновременно и донором и акцептором электронов. Этот факт является важной предпосылкой к образованию разветвленной сети водородных связей рисунок 4 , как уже было упомянуто ранее. Лед в этом отношении совершенен. Рисунок 4 - Образование водородных связей между молекулами воды. Сплошные линии - ковалентные связи, точечные - направленные водородные связи. Расчетами установлено, что в любом объеме воды всегда найдется, по крайней мере, одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем. Если представить в виде этого объема мировой океан, то, согласно этого постулата, в нем точно найдется одна гигантская ассоциация молекул воды, опоясывающая земной шар. Известен афоризм И. Ленгмюра: "Океан - одна большая молекула".
Сегодня достоверно установлено, что из каждых 10 молекул воды 8 по прежнему окружены соседями. В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей. Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда. Структура воды в жидком виде. Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, то есть способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем.
Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре. Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем. Эта теория оказалась верной лишь методологически, многие ее детали на практике не подтвердились. Однако, главное ее достижение - идея о наличии тетраэдрической сетки. В 1951 г. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки рисунок 5 , отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину. Рисунок 5 - Модель жидкой воды Дж.
Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления. Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как "смешанные". Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г. Немети и Х. Шераги рисунок 6. Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно.
В одних случаях первый и второй осевые электроны атома кислорода отсутствуют в молекуле воды и их места занимают электроны атомов водорода. Но не исключено и присутствие этих электронов в молекуле воды, так как валентные электроны атомов, вступающих в связь, могут соединяться не только с протонами соседнего атома, но и с его валентными электронами. С учетом этого структура молекулы воды может отличаться количеством электронов в ней, и возникает необходимость дать названия этим структурам. Структуру молекулы воды с полным набором электронов назовем первой моделью рис. 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.
Внутри нанотрубок с диаметром 1,4 нанометра средняя энергия протонов оказалась на 30 процентов ниже, чем у воды, не помещенной в ограниченное пространство. Также исследователи проверили, как будут распределяться по энергиям протоны в воде, помещенной в особый мембранный материал Nafion, который используется для производства топливных элементов. Ученые показали, что средняя энергия была на 30 процентов выше, чем у воды в "обычном" состоянии. Авторы новой работы полагают, что, когда молекулы воды находятся на очень близком расстоянии друг от друга и "сдавлены" из-за маленького объема доступного пространства, протоны в них переходят в пока не описанное физиками квантовое состояние. Ученые отмечают, что квантово-механические свойства воды могут определять ее "поведение" в живых клетках, так как там расстояние между молекулами примерно соответствует тому расстоянию, на котором они находились в эксперименте.
3d-модель молекулы воды на черном фоне
Спектроскопия PHPPИ воды качественно отличается от ИК спектроскопии тем, что при возбуждении рентгеновским фотоном глубокого 1s электрона кислорода на первую незанятую молекулярную орбиту, молекула воды быстро диссоциирует. 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. Согласно этой модели вода состоит из 1820 молекул воды, что в два раза больше, чем в модели Зенина. Ученые создали струи воды толщиной в 100 нанометров (примерно в 1000 раз тоньше, чем человеческий волос) и заставили молекулы вибрировать с помощью лазерного луча. Они увидели, как атомы водорода в молекулах воды взаимодействуют с соседними молекулами при возбуждении лазерным светом.