Din ce sunt alcătuiți fulgii de zăpadă? Structura moleculelor de apă, legăturile și proprietățile lor, influența influențelor fizice externe asupra moleculelor de apă Structura unei molecule de gheață desen.

14.10.2020 politia Rutiera

Ph.D. O.V. Mosin

Molecula de apă este un mic dipol care conține sarcini pozitive și negative la poli. Deoarece masa și sarcina nucleului de oxigen este mai mare decât cea a nucleelor de hidrogen, norul de electroni se contractă spre nucleul de oxigen. În acest caz, nucleele de hidrogen sunt „goale”. Astfel, norul de electroni are o densitate neuniformă. În apropierea nucleelor de hidrogen există o lipsă de densitate electronică, iar pe partea opusă a moleculei, lângă nucleul de oxigen, există un exces de densitate electronică. Această structură este cea care determină polaritatea moleculei de apă. Dacă conectați epicentrii sarcinilor pozitive și negative cu linii drepte, obțineți o figură geometrică tridimensională - un tetraedru obișnuit.

Structura moleculei de apă (figura din dreapta)

Datorită prezenței legăturilor de hidrogen, fiecare moleculă de apă formează o legătură de hidrogen cu 4 molecule învecinate, formând un cadru de plasă ajurat într-o moleculă de gheață. Cu toate acestea, în stare lichidă, apa este un lichid dezordonat; aceste legături de hidrogen sunt spontane, de scurtă durată, se rup rapid și se formează din nou. Toate acestea duc la eterogenitate în structura apei.

Legături de hidrogen între moleculele de apă (imaginea de mai jos din stânga)

Faptul că apa este eterogenă în compoziția sa a fost stabilit cu mult timp în urmă. Se știe de mult că gheața plutește pe suprafața apei, adică densitatea gheții cristaline este mai mică decât densitatea unui lichid.

În aproape toate celelalte substanțe, cristalul este mai dens decât faza lichidă. În plus, chiar și după topire, pe măsură ce temperatura crește, densitatea apei continuă să crească și atinge un maxim la 4°C. Mai puțin cunoscută este anomalia în compresibilitatea apei: când este încălzită de la punctul de topire până la 40°C, aceasta scade și apoi crește. Capacitatea termică a apei depinde, de asemenea, nemonoton de temperatură.

În plus, la temperaturi sub 30°C, cu o creștere a presiunii de la atmosferică la 0,2 GPa, vâscozitatea apei scade, iar coeficientul de autodifuzie - un parametru care determină viteza de mișcare a moleculelor de apă unele față de altele - crește.

Pentru alte lichide, dependența este inversă și aproape niciodată nu se întâmplă ca un parametru important să se comporte nemonoton, adică. mai întâi a crescut, iar după trecere valoarea critică a temperaturii sau a presiunii a scăzut. A existat o presupunere că, de fapt, apa nu este un singur lichid, ci un amestec de două componente care diferă în proprietăți, cum ar fi densitatea și vâscozitatea și, în consecință, în structură. Asemenea idei au început să apară la sfârșitul secolului al XIX-lea, când se acumulaseră o mulțime de date despre anomaliile apei.

Ideea că apa constă din două componente a fost propusă pentru prima dată de Whiting în 1884. Autorul său este citat de E.F. Fritsman în monografia „Natura apei. Apă grea”, publicată în 1935. În 1891, W. Rengten a introdus conceptul a două stări ale apei, care diferă ca densitate. După aceasta, au apărut multe lucrări în care apa era considerată un amestec de asociați de compoziție diferită („hidroli”).

Când structura gheții a fost determinată în anii 1920, s-a dovedit că moleculele de apă în stare cristalină formează o grilă continuă tridimensională, în care fiecare moleculă are patru vecini cei mai apropiați, localizați la vârfurile unui tetraedru obișnuit. În 1933, J. Bernal și P. Fowler au sugerat că o rețea similară există și în apa lichidă. Deoarece apa este mai densă decât gheața, ei credeau că moleculele din ea nu se află ca în gheață, adică ca atomii de siliciu din tridimitul mineral, ci ca atomii de siliciu dintr-o modificare mai densă a siliciului - cuarț. Creșterea densității apei la încălzire de la 0 la 4°C a fost explicată prin prezența unei componente tridimite la temperaturi scăzute. Astfel, modelul Bernal-Fowler a păstrat elementul de două structuri, dar principala lor realizare este ideea unei rețele tetraedrice continue. Apoi a apărut celebrul aforism al lui I. Langmuir: „Oceanul este o moleculă mare”. Concretizarea excesivă a modelului nu a adăugat susținători ai teoriei grilei unificate.

Abia în 1951 J. Popl a creat un model de grilă continuă, care nu era la fel de specific ca modelul Bernal-Fowler. Popl și-a imaginat apa ca pe o rețea tetraedrică aleatorie, legăturile dintre moleculele în care sunt curbate și au lungimi diferite. Modelul lui Popl explică densificarea apei în timpul topirii prin îndoirea legăturilor. Când primele definiții ale structurii gheții II și IX au apărut în anii 1960 și 1970, a devenit clar cum îndoirea legăturilor poate duce la compactarea structurii. Modelul lui Pople nu a putut explica nemonotonitatea dependenței proprietăților apei de temperatură și presiune, precum și modelele cu două stări. Prin urmare, ideea a două state a fost împărtășită de mulți oameni de știință pentru o lungă perioadă de timp.

Dar în a doua jumătate a secolului al XX-lea era imposibil să fantezi cu privire la compoziția și structura „hidrolilor” la fel de mult ca la începutul secolului. Se știa deja cum sunt aranjate gheața și hidrații cristalini și știau multe despre legăturile de hidrogen. Pe lângă modelele „continuum” (modelul Pople), au apărut două grupe de modele „mixte”: cluster și clatrat. În primul grup, apa a apărut ca grupuri de molecule legate prin legături de hidrogen, care pluteau într-o mare de molecule care nu participă la astfel de legături. Modelele din a doua grupă au considerat apa ca o rețea continuă (denumită de obicei cadru în acest context) de legături de hidrogen care conține goluri; ele conţin molecule care nu formează legături cu moleculele cadrului. Nu a fost dificil să alegeți astfel de proprietăți și concentrații a două microfaze ale modelelor de cluster sau proprietățile cadrului și gradul de umplere a golurilor sale în modelele de clatrat pentru a explica toate proprietățile apei, inclusiv celebrele anomalii.

Dintre modelele de cluster, cel mai izbitor a fost modelul lui G. Nemethy și H. Sheragi: imaginile lor, care înfățișează grupuri de molecule legate plutind într-o mare de molecule nelegate, au fost incluse în multe monografii.

Primul model de tip clatrat a fost propus în 1946 de O.Ya. Samoilov: o rețea de legături de hidrogen similară cu gheața hexagonală este păstrată în apă, ale cărei cavități sunt parțial umplute cu molecule monomerice. L. Pauling a creat în 1959 o altă versiune, sugerând că rețeaua de legături inerente unor hidrați cristalini poate servi drept bază pentru structura.

În a doua jumătate a anilor 1960 și începutul anilor 1970 a fost observată o convergență a tuturor acestor opinii. Au apărut variante de modele de cluster, în care moleculele din ambele microfaze sunt conectate prin legături de hidrogen. Susținătorii modelelor de clatrat au început să permită formarea de legături de hidrogen între moleculele goale și cadru. Adică, de fapt, autorii acestor modele consideră apa ca pe o rețea continuă de legături de hidrogen. Și vorbim despre cât de neomogenă este această grilă (de exemplu, ca densitate). Ideea apei ca clustere legate de hidrogen care plutesc într-o mare de molecule de apă lipsite de legături a fost pusă capăt la începutul anilor optzeci, când G. Stanley a aplicat teoria percolației modelului apei, care descrie faza. tranziții ale apei.

În 1999, celebrul cercetător rus al apei S.V. Zenin și-a susținut teza de doctorat despre teoria clusterelor la Institutul de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe, ceea ce a reprezentat un pas semnificativ în promovarea acestui domeniu de cercetare, a cărui complexitate este sporită de faptul că se află la intersecția a trei științe: fizică, chimie și biologie. Pe baza datelor obținute prin trei metode fizico-chimice: refractometrie (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), cromatografia lichidă de înaltă performanță (S.V. Zenin și colab., 1998) și rezonanța magnetică a protonilor (C .V. Zenin, 1993) a geometric a fost construit și demonstrat modelul principal al formării structurale stabile a moleculelor de apă (apa structurată), iar apoi (S.V. Zenin, 2004) s-a obținut o imagine folosind un microscop cu contrast de fază a acestor structuri.

Acum, știința a dovedit că caracteristicile proprietăților fizice ale apei și numeroasele legături de hidrogen de scurtă durată între atomii de hidrogen și oxigen vecini dintr-o moleculă de apă creează oportunități favorabile pentru formarea de structuri asociate speciale (clusters) care percep, stochează și transmit un mare varietate de informații.

Unitatea structurală a unei astfel de ape este un grup format din clatrați, a cărui natură este determinată de forțele Coulomb cu rază lungă. Structura clusterelor codifică informații despre interacțiunile care au avut loc cu aceste molecule de apă. În clusterele de apă, datorită interacțiunii dintre legăturile covalente și de hidrogen dintre atomii de oxigen și atomii de hidrogen, migrarea protonilor (H+) poate avea loc conform mecanismului de releu, ducând la delocalizarea protonilor în cadrul clusterului.

Apa, constând din multe grupuri de diferite tipuri, formează o structură spațială ierarhică de cristale lichide care poate percepe și stoca cantități uriașe de informații.

Figura (V.L. Voeikov) prezintă diagrame ale mai multor structuri simple de cluster ca exemplu.

Câteva structuri posibile ale clusterelor de apă

Purtătorii de informații pot fi câmpuri fizice de natură variată. Astfel, a fost stabilită posibilitatea interacțiunii informaționale de la distanță a structurii cristalelor lichide a apei cu obiecte de natură variată cu ajutorul câmpurilor electromagnetice, acustice și altele. O persoană poate fi, de asemenea, un obiect de influență.

Apa este o sursă de radiație electromagnetică alternativă ultra-slăbită și slabă. Radiația electromagnetică cea mai puțin haotică este creată de apa structurată. În acest caz, poate avea loc inducerea câmpului electromagnetic corespunzător, care modifică caracteristicile structurale și informaționale ale obiectelor biologice.

În ultimii ani, s-au obținut date importante despre proprietățile apei suprarăcite. Este foarte interesant să studiezi apa la temperatură scăzută, deoarece poate fi mai suprarăcită decât alte lichide. Cristalizarea apei, de regulă, începe pe unele neomogenități - fie pe pereții vasului, fie pe particulele plutitoare de impurități solide. Prin urmare, nu este ușor de găsit temperatura la care apa suprarăcită s-ar cristaliza spontan. Dar oamenii de știință au reușit să facă acest lucru, iar acum temperatura așa-numitei nucleări omogene, când formarea cristalelor de gheață are loc simultan în întreg volumul, este cunoscută pentru presiuni de până la 0,3 GPa, adică captarea regiunilor de existență a gheții. II.

De la presiunea atmosferică până la limita care separă gheața I și II, această temperatură scade de la 231 la 180 K și apoi crește ușor la 190 K. Sub această temperatură critică, apa lichidă este imposibilă în principiu.

Structura gheții (imaginea din dreapta)

Cu toate acestea, există un mister asociat cu această temperatură. La mijlocul anilor optzeci, a fost descoperită o nouă modificare a gheții amorfe - gheață de înaltă densitate, iar acest lucru a ajutat la reînviarea ideii de apă ca un amestec de două stări. Ca prototipuri, nu au fost luate în considerare structurile cristaline, ci structurile de gheață amorfa de diferite densități. În forma cea mai inteligibilă, acest concept a fost formulat de E.G. Poniatovsky și V.V. Sinitsin, care a scris în 1999: „Apa este considerată o soluție obișnuită a două componente, configurațiile locale în care corespund ordinului scurt al modificărilor gheții amorfe”. Mai mult, studiind ordinea pe distanță scurtă în apa suprarăcită la presiune ridicată folosind metode de difracție cu neutroni, oamenii de știință au reușit să găsească componente corespunzătoare acestor structuri.

Ca urmare a polimorfismului gheții amorfe, au existat și ipoteze despre stratificarea apei în două componente nemiscibile la o temperatură sub ipoteticul punct critic de temperatură scăzută. Din păcate, conform cercetătorilor, această temperatură la o presiune de 0,017 GPa este de 230 K, ceea ce este sub temperatura de nucleare, astfel încât nimeni nu a putut observa încă separarea apei lichide. Astfel, renașterea modelului cu două stări a ridicat problema neomogenității rețelei de legături de hidrogen din apa lichidă. Această eterogenitate poate fi înțeleasă doar cu ajutorul simulărilor pe computer.

Vorbind despre structura cristalină a apei, trebuie remarcat faptul că sunt cunoscute 14 modificări ale gheții, dintre care majoritatea nu se găsesc în natură, în care moleculele de apă își păstrează ambele individualitate și sunt conectate prin legături de hidrogen. Pe de altă parte, există multe variante ale rețelei de legături de hidrogen în hidrați de clatrați. Energiile acestor rețele (gheață de înaltă presiune și hidrați de clatrați) nu sunt cu mult mai mari decât energiile gheților cubice și hexagonale. Prin urmare, fragmente din astfel de structuri pot apărea și în apa lichidă. Este posibil să se proiecteze nenumărate fragmente neperiodice diferite, moleculele în care au patru vecini cei mai apropiați situate aproximativ de-a lungul vârfurilor tetraedrului, dar structura lor nu corespunde structurilor modificărilor cunoscute ale gheții. Numeroase calcule au arătat că energiile de interacțiune ale moleculelor din astfel de fragmente vor fi apropiate unele de altele și nu există niciun motiv să spunem că o anumită structură ar trebui să predomine în apa lichidă.

Studiile structurale ale apei pot fi studiate prin diverse metode; spectroscopie de rezonanță magnetică de protoni, spectroscopie în infraroșu, difracție cu raze X etc. De exemplu, difracția cu raze X și neutroni în apă a fost studiată de multe ori. Cu toate acestea, aceste experimente nu pot oferi informații detaliate despre structură. Neomogenitățile care diferă ca densitate ar putea fi observate din razele X cu unghi mic și împrăștierea neutronilor, dar astfel de neomogenități trebuie să fie mari, constând din sute de molecule de apă. Ar fi posibil să le vedem și să investighem împrăștierea luminii. Cu toate acestea, apa este un lichid excepțional de limpede. Singurul rezultat al experimentelor de difracție este funcțiile de distribuție radială, adică distanțele dintre atomii de oxigen, hidrogen și oxigen-hidrogen. Din ele se poate observa că nu există o ordine pe distanță lungă în aranjarea moleculelor de apă. Aceste funcții se descompun mult mai repede pentru apă decât pentru majoritatea celorlalte lichide. De exemplu, distribuția distanțelor dintre atomii de oxigen la o temperatură apropiată de temperatura camerei dă doar trei maxime, la 2,8, 4,5 și 6,7 Å. Primul maxim corespunde distanței până la cei mai apropiați vecini, iar valoarea lui este aproximativ egală cu lungimea legăturii de hidrogen. Al doilea maxim este aproape de lungimea medie a marginii tetraedrului - amintiți-vă că moleculele de apă din gheața hexagonală sunt situate la vârfurile tetraedrului circumscrise în jurul moleculei centrale. Iar al treilea maxim, exprimat foarte slab, corespunde distanței până la al treilea și mai îndepărtați vecini din rețeaua de hidrogen. Acest maxim în sine nu este foarte luminos și nu este nevoie să vorbim despre alte vârfuri. Au existat încercări de a obține informații mai detaliate din aceste distribuții. Așa că în 1969 I.S. Andrianov și I.Z. Fisher a găsit distanțele până la al optulea vecin, în timp ce s-au dovedit a fi de 3 Å pentru al cincilea vecin și 3,1 Å pentru al șaselea vecin. Acest lucru permite obținerea de date despre mediul îndepărtat al moleculelor de apă.

O altă metodă de studiere a structurii - difracția cu neutroni pe cristale de apă se realizează exact în același mod ca și difracția cu raze X. Cu toate acestea, datorită faptului că lungimile de împrăștiere a neutronilor nu diferă atât de mult pentru diferiți atomi, metoda de substituție izomorfă devine inacceptabilă. În practică, se lucrează de obicei cu un cristal a cărui structură moleculară a fost deja aproximativ stabilită prin alte metode. Intensitățile de difracție a neutronilor sunt apoi măsurate pentru acest cristal. Pe baza acestor rezultate se realizează o transformată Fourier, în timpul căreia se folosesc intensitățile și fazele neutronilor măsurate, calculate ținând cont de atomii non-hidrogen, adică. atomi de oxigen a căror poziţie în modelul de structură este cunoscută. Apoi, pe harta Fourier astfel obținută, atomii de hidrogen și deuteriu sunt reprezentați cu greutăți mult mai mari decât pe harta densității electronice, deoarece contribuția acestor atomi la împrăștierea neutronilor este foarte mare. Din această hartă a densității se pot determina, de exemplu, pozițiile atomilor de hidrogen (densitate negativă) și a atomilor de deuteriu (densitate pozitivă).

Este posibilă o variație a acestei metode, care constă în faptul că cristalul format în apă este păstrat în apă grea înainte de măsurători. În acest caz, difracția cu neutroni nu numai că face posibilă determinarea locului în care se află atomii de hidrogen, dar îi dezvăluie și pe cei dintre ei care pot fi schimbati cu deuteriu, ceea ce este deosebit de important în studiul schimbului de izotopi (H-D). Astfel de informații ajută la confirmarea corectitudinii stabilirii structurii.

Alte metode fac, de asemenea, posibilă studierea dinamicii moleculelor de apă. Acestea sunt experimente privind împrăștierea cvasi-elastică a neutronilor, spectroscopie IR ultrarapidă și studiul difuziei apei folosind RMN sau atomi de deuteriu marcați. Metoda spectroscopiei RMN se bazează pe faptul că nucleul unui atom de hidrogen are un moment magnetic - un spin care interacționează cu câmpuri magnetice, constante și variabile. Din spectrul RMN se poate judeca mediul în care se află acești atomi și nuclee, obținând astfel informații despre structura moleculei.

În urma experimentelor privind împrăștierea cvasi-elastică a neutronilor în cristalele de apă, cel mai important parametru, coeficientul de autodifuzie, a fost măsurat la diferite presiuni și temperaturi. Pentru a judeca coeficientul de autodifuzie din împrăștierea cvasi-elastică a neutronilor, este necesar să se facă o presupunere despre natura mișcării moleculare. Dacă se mișcă în conformitate cu Ya.I. Frenkel (un cunoscut fizician teoretic intern, autor al Teoriei cinetice a lichidelor, o carte clasică tradusă în mai multe limbi), numit și modelul „sărituri de așteptare”, apoi timpul de viață „stabilit” (timpul dintre salturi) al o moleculă este de 3,2 picosecunde. Cele mai recente metode de spectroscopie laser femtosecundă au făcut posibilă estimarea duratei de viață a unei legături de hidrogen rupte: este nevoie de 200 fs pentru ca un proton să găsească un partener. Cu toate acestea, toate acestea sunt medii. Studierea detaliilor structurii și naturii mișcării moleculelor de apă este posibilă numai cu ajutorul simulării pe computer, numită uneori experiment numeric.

Așa arată structura apei conform rezultatelor simulării pe computer (conform datelor doctorului în științe chimice G. G. Malenkov). Structura generală dezordonată poate fi împărțită în două tipuri de regiuni (prezentate prin bile întunecate și luminoase), care diferă în structura lor, de exemplu, în volumul poliedrului Voronoi (a), gradul de tetraedritate al celui mai apropiat mediu ( b), valoarea energiei potențiale (c), precum și în prezența a patru legături de hidrogen în fiecare moleculă (d). Cu toate acestea, aceste zone literalmente într-un moment, după câteva picosecunde, își vor schimba locația.

Simularea se face astfel. Structura gheții este luată și încălzită până se topește. Apoi, după ceva timp pentru ca apa să „uite” de originea cristalină, se fac micrografii instantanee.

Pentru a analiza structura apei, sunt selectați trei parametri:
- gradul de abatere a mediului local al moleculei de la vârfurile tetraedrului regulat;
-energia potenţială a moleculelor;
este volumul așa-numitului poliedru Voronoi.

Pentru a construi acest poliedru, se ia o muchie de la molecula dată la cea mai apropiată, o împarte în jumătate și se trasează un plan perpendicular pe margine prin acest punct. Acesta este volumul pe moleculă. Volumul unui poliedru este densitatea, tetraedritatea este gradul de distorsiune al legăturilor de hidrogen, energia este gradul de stabilitate a configurației moleculelor. Moleculele cu valori apropiate ale fiecăruia dintre acești parametri tind să se grupeze în grupuri separate. Atât regiunile cu densitate mică, cât și cele cu densitate mare au valori energetice diferite, dar pot avea și aceleași valori. Experimentele au arătat că regiunile cu structuri diferite, clustere, apar spontan și se degradează spontan. Întreaga structură a apei trăiește și se schimbă constant, iar timpul în care apar aceste schimbări este foarte mic. Cercetătorii au urmărit mișcările moleculelor și au descoperit că acestea fac oscilații neregulate cu o frecvență de aproximativ 0,5 ps și o amplitudine de 1 angstrom. Au fost observate și rare salturi lente în angstrom, care durează picosecunde. În general, în 30 ps o moleculă se poate mișca cu 8-10 angstromi. Durata de viață a mediului local este, de asemenea, mică. Regiunile compuse din molecule cu valori apropiate ale volumului poliedrului Voronoi se pot descompune în 0,5 ps și pot trăi câteva picosecunde. Dar distribuția duratelor de viață a legăturilor de hidrogen este foarte mare. Dar de această dată nu depășește 40 ps, iar valoarea medie este de câțiva ps.

În concluzie, trebuie subliniat că Teoria structurii cluster a apei are multe capcane. De exemplu, Zenin sugerează că principalul element structural al apei este un grup de 57 de molecule format prin fuziunea a patru dodecaedre. Au fețe comune, iar centrele lor formează un tetraedru regulat. Faptul că moleculele de apă pot fi localizate la vârfurile unui dodecaedru pentagonal este cunoscut de mult; un astfel de dodecaedru stă la baza hidraților de gaz. Prin urmare, nu este nimic surprinzător în presupunerea că astfel de structuri există în apă, deși s-a spus deja că nicio structură anume nu poate fi dominantă și există pentru o lungă perioadă de timp. Prin urmare, este ciudat că se presupune că acest element este principalul și că în el intră exact 57 de molecule. Din bile, de exemplu, este posibil să se asambleze aceleași structuri care constau din dodecaedre adiacente unul altuia și care conțin 200 de molecule. Zenin, pe de altă parte, susține că procesul de polimerizare tridimensională a apei se oprește la 57 de molecule. Asociații mai mari, în opinia sa, nu ar trebui să fie. Cu toate acestea, dacă acesta ar fi cazul, cristalele hexagonale de gheață, care conțin un număr mare de molecule legate între ele prin legături de hidrogen, nu ar putea precipita din vaporii de apă. Este complet neclar de ce creșterea clusterului Zenin sa oprit la 57 de molecule. Pentru a evita contradicțiile, Zenin împachetează, de asemenea, clustere în formațiuni mai complexe - romboedre - de aproape o mie de molecule, iar clusterele inițiale nu formează legături de hidrogen între ele. De ce? Cum sunt moleculele de pe suprafața lor diferite de cele din interior? Potrivit lui Zenin, modelul grupărilor hidroxil de pe suprafața romboedrelor oferă memoria apei. În consecință, moleculele de apă din aceste complexe mari sunt fixate rigid, iar complexele în sine sunt solide. O astfel de apă nu va curge, iar punctul ei de topire, care este legat de greutatea moleculară, trebuie să fie destul de ridicat.

Ce proprietăți ale apei explică modelul Zenin? Deoarece modelul se bazează pe structuri tetraedrice, poate fi mai mult sau mai puțin în concordanță cu datele de difracție de raze X și neutroni. Cu toate acestea, este puțin probabil ca modelul să poată explica scăderea densității în timpul topirii - împachetarea dodecaedrelor este mai puțin densă decât gheața. Dar cel mai greu este să fiți de acord cu un model cu proprietăți dinamice - fluiditate, o valoare mare a coeficientului de autodifuzie, corelație scurtă și timpi de relaxare dielectrică, care se măsoară în picosecunde.

Ph.D. O.V. Mosin

Referinte:
G.G. Malenkov. Progrese în chimia fizică, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Dovada experimentală a prezenței fracțiilor de apă. G. Medicina homeopata si acupunctura. 1997. Nr 2. P. 42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Model hidrofob al structurii asociaților moleculelor de apă. Zh.Fiz.chimie.1994.T.68.Nr.4.S.636-641.
S.V. Zenin Investigarea structurii apei prin metoda rezonanței magnetice protonice. Dokl.RAN.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Natura interacțiunii hidrofobe. Apariția câmpurilor de orientare în soluții apoase. J.Fiz.chimie.1994.T.68.Nr.3.S.500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Şabarova. Studiul interacțiunilor intramoleculare în amidele nucleotidice prin RMN. Materialele celei de-a 2-a Conf. Prin dinamică Stereochimie. Odesa.1975.p.53.
S.V. Zenin. Starea structurată a apei ca bază pentru gestionarea comportamentului și siguranței sistemelor vii. teză. Doctor în științe biologice. Centrul Științific de Stat „Institutul de Probleme Biomedicale” (SSC „IMBP”). Apărat 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 str.
IN SI. Slesarev. Raport privind progresul cercetării

Apa este o substanță familiară și neobișnuită. Aproape 3/4 din suprafața planetei noastre este ocupată de oceane și mări. Apa solidă - zăpadă și gheață - acoperă 20% din pământ. Clima planetei depinde de apă. Geofizicienii spun că Pământul s-ar fi răcit cu mult timp în urmă și s-ar fi transformat într-o bucată de piatră fără viață, dacă nu ar fi fost apă. Are o capacitate termică foarte mare. Când este încălzit, absoarbe căldură; se răcește, îl dă departe. Apa terestră absoarbe și returnează multă căldură și astfel „nivelează” clima. Și acele molecule de apă care sunt împrăștiate în atmosferă - în nori și sub formă de vapori protejează Pământul de frigul cosmic.

Apa este cea mai misterioasă substanță din natură după ADN, posedă proprietăți unice care nu numai că nu au fost încă pe deplin explicate, dar sunt departe de toate cunoscute. Cu cât este studiat mai mult, cu atât mai multe anomalii și mistere noi se găsesc în el. Majoritatea acestor anomalii, care oferă posibilitatea vieții pe Pământ, se explică prin prezența legăturilor de hidrogen între moleculele de apă, care sunt mult mai puternice decât forțele de atracție van der Waals dintre moleculele altor substanțe, dar cu un ordin de mărime mai slabe. decât legăturile ionice și covalente dintre atomi din molecule. Aceleași legături de hidrogen sunt prezente și în molecula de ADN.

Molecula de apă (H 2 16 O) este formată din doi atomi de hidrogen (H) și un atom de oxigen (16 O). Se pare că aproape toată varietatea de proprietăți ale apei și natura neobișnuită a manifestării lor este determinată în cele din urmă de natura fizică a acestor atomi, de modul în care sunt combinați într-o moleculă și de gruparea moleculelor formate.

Orez. Structura moleculei de apă . Schema geometrică (a), modelul plat (b) și structura electronică spațială (c) a monomerului H2O. Doi dintre cei patru electroni ai învelișului exterior al atomului de oxigen participă la crearea de legături covalente cu atomii de hidrogen, iar ceilalți doi formează orbite de electroni puternic alungite, al căror plan este perpendicular pe planul H-O-H.

Molecula de apă H 2 O este construită sub formă de triunghi: unghiul dintre cele două legături oxigen-hidrogen este de 104 grade. Dar, deoarece ambii atomi de hidrogen sunt localizați pe aceeași parte a oxigenului, sarcinile electrice din acesta se dispersează. Molecula de apă este polară, ceea ce este motivul interacțiunii speciale dintre diferitele sale molecule. Atomii de hidrogen din molecula de H 2 O, având o sarcină pozitivă parțială, interacționează cu electronii atomilor de oxigen ai moleculelor învecinate. O astfel de legătură chimică se numește legătură de hidrogen. Combină moleculele de H 2 O în asociații particulari ai structurii spațiale; planul în care se află legăturile de hidrogen este perpendicular pe planul atomilor aceleiași molecule de H 2 O. Interacțiunea dintre moleculele de apă explică în primul rând temperaturile neregulat de ridicate ale topirii și fierberii acesteia. Este nevoie de energie suplimentară pentru a slăbi și apoi a rupe legăturile de hidrogen. Și această energie este foarte semnificativă. De aceea capacitatea de căldură a apei este atât de mare.

Molecula de apă are două legături covalente polare H-O. Ele se formează datorită suprapunerii a doi nori p cu un electron ai unui atom de oxigen și nori S cu un electron a doi atomi de hidrogen.

În conformitate cu structura electronică a atomilor de hidrogen și oxigen, molecula de apă are patru perechi de electroni. Două dintre ele sunt implicate în formarea de legături covalente cu doi atomi de hidrogen, adică. sunt obligatorii. Celelalte două perechi de electroni sunt libere - nu se leagă. Ele formează un nor de electroni. Norul este neomogen - este posibil să se distingă concentrațiile individuale și rarefierea în el.

Există patru poli de sarcină într-o moleculă de apă: doi sunt pozitivi și doi sunt negativi. Sarcinile pozitive sunt concentrate la atomii de hidrogen, deoarece oxigenul este mai electronegativ decât hidrogenul. Doi poli negativi cad pe două perechi de electroni de oxigen care nu se leagă.

La nivelul nucleului de oxigen este creat un exces de densitate de electroni. Perechea de electroni interni a oxigenului încadrează uniform nucleul: este reprezentat schematic printr-un cerc cu centrul - nucleul O 2 -. Cei patru electroni exteriori sunt grupați în două perechi de electroni, gravitând spre nucleu, dar necompensați parțial. Schematic, orbitalii electronici totali ai acestor perechi sunt reprezentați ca elipse, alungite de la un centru comun - nucleul O 2-. Fiecare dintre cei doi electroni de oxigen rămași se asociază cu un electron de hidrogen. Acești vapori gravitează și spre miezul de oxigen. Prin urmare, nucleele de hidrogen - protonii - sunt oarecum goale, iar aici există o lipsă de densitate electronică.

Astfel, patru poli de sarcini se disting într-o moleculă de apă: două negative (exces de densitate de electroni în regiunea nucleului de oxigen) și două pozitive (lipsa densității de electroni în două nuclee de hidrogen). Pentru o mai mare claritate, se poate imagina că polii ocupă vârfurile unui tetraedru deformat, în centrul căruia se află un nucleu de oxigen.

Orez. Structura moleculei de apă: a – unghiul dintre legăturile O-H; b - amplasarea stâlpilor de încărcare; c – aspectul norului de electroni al moleculei de apă.

Molecula de apă aproape sferică are o polaritate pronunțată, deoarece sarcinile electrice din ea sunt situate asimetric. Fiecare moleculă de apă este un dipol miniatural cu un moment dipol ridicat de 1,87 debay. Debye este o unitate în afara sistemului a dipolului electric 3,33564·10 30 C·m. Sub influența dipolilor de apă, forțele interatomice sau intermoleculare de pe suprafața unei substanțe scufundate în ea slăbesc de 80 de ori. Cu alte cuvinte, apa are o constantă dielectrică ridicată, cea mai mare dintre orice compus cunoscut de noi.

În mare parte datorită acestui fapt, apa se manifestă ca un solvent universal. Solidele, lichidele și gazele sunt supuse acțiunii sale de dizolvare într-un grad sau altul.

Capacitatea termică specifică a apei este cea mai mare dintre toate substanțele. În plus, este de 2 ori mai mare decât cea a gheții, în timp ce pentru majoritatea substanțelor simple (de exemplu, metale) capacitatea de căldură practic nu se modifică în timpul topirii, iar pentru substanțele din molecule poliatomice, de regulă, scade în timpul topirii.

O astfel de idee a structurii moleculei face posibilă explicarea multor proprietăți ale apei, în special structura gheții. În rețeaua cristalină a gheții, fiecare dintre molecule este înconjurată de alte patru. Într-o imagine plană, aceasta poate fi reprezentată după cum urmează:

Comunicarea între molecule se realizează prin intermediul unui atom de hidrogen. Atomul de hidrogen încărcat pozitiv al unei molecule de apă este atras de atomul de oxigen încărcat negativ al altei molecule de apă. O astfel de legătură se numește legătură de hidrogen (se notează cu puncte). În ceea ce privește rezistența, o legătură de hidrogen este de aproximativ 15-20 de ori mai slabă decât o legătură covalentă. Prin urmare, legătura de hidrogen se rupe ușor, ceea ce se observă, de exemplu, în timpul evaporării apei.

Orez. stânga - Legături de hidrogen între moleculele de apă

Structura apei lichide seamănă cu cea a gheții. În apa lichidă, moleculele sunt de asemenea legate între ele prin legături de hidrogen, dar structura apei este mai puțin „rigidă” decât cea a gheții. Datorită mișcării termice a moleculelor din apă, unele legături de hidrogen sunt rupte, altele se formează.

Orez. Rețea de cristal de gheață. Moleculele de apă H 2 O (bile negre) în nodurile sale sunt amplasate astfel încât fiecare să aibă patru „vecini”.

Polaritatea moleculelor de apă, prezența unor sarcini electrice parțial necompensate în ele dă naștere unei tendințe de grupare a moleculelor în „comunități” lărgite - asociați. Se dovedește că numai apa în stare de vapori corespunde pe deplin cu formula H2O. Acest lucru a fost demonstrat de rezultatele determinării greutății moleculare a vaporilor de apă. În intervalul de temperatură de la 0 la 100°C, concentrația apei lichide individuale (molecule monomerice) nu depășește 1%. Toate celelalte molecule de apă sunt combinate în asociații de diferite grade de complexitate, iar compoziția lor este descrisă de formula generală (H2O)x.

Motivul imediat pentru formarea asociaților este legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă. Ele apar între nucleii de hidrogen ai unor molecule și „aglomerările” electronice ale nucleelor de oxigen ale altor molecule de apă. Adevărat, aceste legături sunt de zece ori mai slabe decât legăturile chimice intramoleculare „standard”, iar mișcările moleculare obișnuite sunt suficiente pentru a le distruge. Dar sub influența vibrațiilor termice apar cu ușurință și noi legături de acest tip. Apariția și decăderea asociaților pot fi exprimate prin schema:

x H2O↔ (H2O) x

Deoarece orbitalii electronilor din fiecare moleculă de apă formează o structură tetraedrică, legăturile de hidrogen pot ordona aranjarea moleculelor de apă sub formă de asociați coordonați tetraedrici.

Majoritatea cercetătorilor explică capacitatea termică anormal de mare a apei lichide prin faptul că, atunci când gheața se topește, structura sa cristalină nu este distrusă imediat. În apa lichidă, legăturile de hidrogen dintre molecule sunt păstrate. Rămân, parcă, fragmente de gheață - asociate dintr-un număr mare sau mai mic de molecule de apă. Cu toate acestea, spre deosebire de gheață, fiecare asociat nu există pentru mult timp. În mod constant există o distrugere a unora și formarea altor asociați. La fiecare valoare a temperaturii în apă, în acest proces se stabilește propriul echilibru dinamic. Și atunci când apa este încălzită, o parte din căldură este cheltuită pentru ruperea legăturilor de hidrogen în asociați. În acest caz, se cheltuiește 0,26-0,5 eV pentru ruperea fiecărei legături. Aceasta explică capacitatea termică anormal de mare a apei în comparație cu topiturile altor substanțe care nu formează legături de hidrogen. Când astfel de topituri sunt încălzite, energia este cheltuită doar pentru comunicarea mișcărilor termice către atomii sau moleculele lor. Legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă sunt rupte complet numai atunci când apa trece în abur. Corectitudinea acestui punct de vedere este indicată și de faptul că căldura specifică a vaporilor de apă la 100°C practic coincide cu căldura specifică a gheții la 0°C.

Poza de mai jos:

Elementul structural elementar al asociatului este clusterul: Orez. Un grup de apă ipotetic separat. Grupurile separate formează asociații de molecule de apă (H 2 O) x: Orez. Grupurile de molecule de apă formează asociații.

Există un alt punct de vedere asupra naturii capacității termice anormal de mare a apei. Profesorul G. N. Zatsepina a observat că capacitatea de căldură molară a apei, care este de 18 cal/(molgrad), este exact egală cu capacitatea de căldură molară teoretică a unui corp solid cu cristale triatomice. Și în conformitate cu legea lui Dulong și Petit, capacitățile de căldură atomică ale tuturor corpurilor cristaline simple (monatomice) chimic la o temperatură suficient de ridicată sunt aceleași și egale cu 6 calDmol o deg). Și pentru cele triatomice, în gramul cărora există 3 N a site-uri rețelei cristaline, - de 3 ori mai multe. (Aici N a este numărul lui Avogadro).

Rezultă că apa este, așa cum ar fi, un corp cristalin format din molecule triatomice de H 2 0. Aceasta corespunde ideii comune a apei ca un amestec de cristale asociate cu un mic amestec de molecule de apă libere H 2 O. între ele, numărul cărora crește odată cu creșterea temperaturii. Din acest punct de vedere, nu capacitatea termică mare a apei lichide este surprinzătoare, ci capacitatea scăzută de căldură a gheții solide. Scăderea căldurii specifice a apei în timpul înghețului se explică prin absența vibrațiilor termice transversale ale atomilor din rețeaua cristalină rigidă a gheții, unde fiecare proton care provoacă o legătură de hidrogen are doar un grad de libertate pentru vibrațiile termice în loc de trei.

Dar din cauza ce și cum pot avea loc schimbări atât de mari ale capacității de căldură a apei fără modificări corespunzătoare ale presiunii? Pentru a răspunde la această întrebare, să ne întâlnim cu ipoteza candidatului la științe geologice și mineralogice Yu. A. Kolyasnikov despre structura apei.

El subliniază că până și descoperitorii legăturilor de hidrogen J. Bernal și R. Fowler în 1932 au comparat structura apei lichide cu structura cristalină a cuarțului, iar acei asociați menționați mai sus sunt în principal tetrameri 4H 2 0, în care patru molecule sunt ape. conectate într-un tetraedru compact cu douăsprezece legături interne de hidrogen. Ca rezultat, se formează o piramidă tetraedrică - un tetraedru.

În același timp, legăturile de hidrogen din acești tetrameri pot forma secvențe atât pentru dreptaci cât și pentru stângaci, la fel cum cristalele de cuarț larg răspândit (Si0 2), care au și o structură tetraedrică, vin în cristaline dreptaci și stângaci. forme. Deoarece fiecare astfel de tetramer de apă are și patru legături externe de hidrogen neutilizate (cum ar fi o moleculă de apă), tetramerii pot fi conectați prin aceste legături externe într-un fel de lanțuri polimerice, ca o moleculă de ADN. Și întrucât există doar patru legături externe și de trei ori mai multe interne, acest lucru permite tetramerilor grei și puternici din apa lichidă să se îndoaie, să se întoarcă și chiar să rupă aceste legături externe de hidrogen slăbite de vibrațiile termice. Aceasta este ceea ce provoacă curgerea apei.

Apa, potrivit lui Kolyasnikov, are o astfel de structură numai în stare lichidă și, eventual, parțial în stare de vapori. Dar în gheață, a cărei structură cristalină este bine studiată, tetrahidrolii sunt interconectați prin legături directe inflexibile de hidrogen de rezistență egală într-un cadru deschis cu goluri mari în ea, ceea ce face ca densitatea gheții să fie mai mică decât densitatea apei.

Orez. Structura cristalină a gheții: moleculele de apă sunt conectate în hexagoane obișnuite

Când gheața se topește, unele dintre legăturile de hidrogen din ea slăbesc și se îndoaie, ceea ce duce la o rearanjare a structurii în tetramerii descriși mai sus și face apa lichidă mai densă decât gheața. La 4°C, se instalează o stare când toate legăturile de hidrogen dintre tetrameri sunt îndoite maxim, ceea ce determină densitatea maximă a apei la această temperatură. Conexiunile ulterioare nu au unde să se îndoaie.

La temperaturi peste 4°C, începe ruperea legăturilor individuale dintre tetrameri, iar la 36–37°C, jumătate din legăturile externe de hidrogen sunt rupte. Aceasta determină minimul pe curba de dependență a capacității termice specifice a apei de temperatură. La o temperatură de 70°C, aproape toate legăturile intertetramerice sunt rupte, iar împreună cu tetramerii liberi rămân în apă doar fragmente scurte de lanțuri „polimerice” ale acestora. În cele din urmă, când apa fierbe, are loc ruptura finală a tetramerilor unici în molecule individuale de H 2 0. Și faptul că căldura specifică de evaporare a apei este exact de 3 ori mai mare decât suma căldurilor specifice ale gheții de topire și ulterioare. încălzirea apei la 100 ° C, este o confirmare a presupunerii lui Kolyasnikov Despre. că numărul legăturilor interne din tetramer este de 3 ori mai mare decât numărul celor externe.

O astfel de structură tetraedică-helidiană a apei se poate datora relației sale reologice străvechi cu cuarțul și alte minerale de siliciu-oxigen predominante în scoarța terestră, din adâncurile cărora apa a apărut cândva pe Pământ. Așa cum un mic cristal de sare face ca soluția înconjurătoare să se cristalizeze în cristale asemănătoare cu acesta, și nu în altele, tot așa cuarțul a făcut ca moleculele de apă să se alinieze în structuri tetraedrice, care sunt cele mai favorabile energetic. Și în epoca noastră în atmosfera pământului, vaporii de apă, condensându-se în picături, formează o astfel de structură, deoarece atmosfera conține întotdeauna picături minuscule de apă aerosol care are deja această structură. Sunt centrele de condensare a vaporilor de apă din atmosferă. Mai jos sunt posibile structuri de silicat în lanț bazate pe un tetraedru, care poate fi compus și din tetraedre de apă.

Orez. Tetraedru elementar regulat siliciu-oxigen SiO 4 4- .

Orez. Unități elementare de siliciu-oxigen-grupe orto SiO 4 4- în structura Mg-piroxen enstatita (a) și grupări diorto Si 2 O 7 6- în wollastonit Ca-piroxenoid (b).

Orez. Cele mai simple tipuri de grupări anionice insulă siliciu-oxigen: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, g-Si 4 O 12, e-Si 6 O 18.

Orez. mai jos - Cele mai importante tipuri de grupări anionice ale lanțului de siliciu-oxigen (după Belov): a-metahermanat, b - piroxen, c - batizit, d-wollastonit, d-vlasovit, e-melilitic, g-rodonit, s-piroxmangitic , n-metafosfat, k - fluoroberilat, l - barilit.

Orez. mai jos - Condensarea anionilor de siliciu-oxigen piroxen în amfibol celular cu două rânduri (a), asemănător cu trei rânduri de amfibol (b), talc stratificat și anioni înrudiți (c).

Orez. mai jos - Cele mai importante tipuri de grupe de siliciu-oxigen de panglică (după Belov): a - silimanit, amfibol, xonolit; b-epididimita; s-ortoclaza; g-narsarsukite; d-fenacit prismatic; e-euclază încrustată.

Orez. în dreapta - Un fragment (pachet elementar) al structurii cristaline stratificate de moscovit KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 ilustrând stratificarea rețelelor aluminosilicio-oxigen cu straturi poliedrice de cationi mari de aluminiu și potasiu, care amintește de un lanț de ADN .

Sunt posibile și alte modele ale structurii apei. Moleculele de apă legate tetraedric formează lanțuri deosebite cu o compoziție destul de stabilă. Cercetătorii descoperă mecanisme din ce în ce mai subtile și complexe ale „organizării interne” a masei de apă. Pe lângă structura asemănătoare gheții, apă lichidă și molecule monomerice, a fost descris și un al treilea element al structurii, non-tetraedric.

O anumită parte a moleculelor de apă este asociată nu în cadre tridimensionale, ci în asociații lineare de inele. Inelele, atunci când sunt grupate, formează complexe și mai complexe de asociați.

Astfel, apa poate forma teoretic lanțuri, ca o moleculă de ADN, care vor fi discutate mai jos. În această ipoteză, este interesant și faptul că implică echiprobabilitatea existenței apei dreptaci și stângaci. Dar biologii au observat de mult că în țesuturile și structurile biologice se observă doar formațiuni de stânga sau dreptaci. Un exemplu în acest sens sunt moleculele de proteine construite numai din aminoacizi stângaci și răsucite doar într-un helix stângaci. Dar zaharurile din fauna sălbatică sunt toate dreptaci. Nimeni nu a putut explica încă de ce în fauna sălbatică există o asemenea preferință pentru stânga în unele cazuri și pentru dreapta în altele. Într-adevăr, în natura neînsuflețită, atât moleculele dreptaci cât și cele stângaci se găsesc cu aceeași probabilitate.

În urmă cu mai bine de o sută de ani, celebrul naturalist francez Louis Pasteur a descoperit că compușii organici din plante și animale sunt optic asimetrici - ei rotesc planul de polarizare al luminii care cade asupra lor. Toți aminoacizii care formează animalele și plantele rotesc planul de polarizare spre stânga, iar toate zaharurile spre dreapta. Dacă sintetizăm compuși cu aceeași compoziție chimică, atunci fiecare dintre ei va avea un număr egal de molecule de stânga și de dreapta.

După cum știți, toate organismele vii sunt formate din proteine și, la rândul lor, sunt formate din aminoacizi. Conectându-se între ei într-o varietate de secvențe, aminoacizii formează lanțuri lungi de peptide care se „răsucesc” spontan în molecule de proteine complexe. La fel ca mulți alți compuși organici, aminoacizii au simetrie chirală (din grecescul chiros - mână), adică pot exista în două forme simetrice în oglindă, numite „enantiomeri”. Astfel de molecule sunt asemănătoare între ele, precum mâna stângă și dreaptă, așa că se numesc molecule D și L (din latină dexter, laevus - dreapta și stânga).

Acum imaginați-vă că mediul cu molecule din stânga și din dreapta a trecut într-o stare cu doar molecule din stânga sau doar din dreapta. Experții numesc un astfel de mediu chiral (din cuvântul grecesc „heira” - mână) ordonat. Auto-reproducerea celor vii (biopoieza – conform definiției lui D. Bernal) ar putea apărea și se menține doar într-un astfel de mediu.

Orez. Simetria oglinzii în natură

Un alt nume pentru moleculele enantiomerice – „dreaptaci” și „stângaci” – provine din capacitatea lor de a roti planul de polarizare a luminii în diferite direcții. Dacă lumina polarizată liniar trece printr-o soluție de astfel de molecule, planul său de polarizare se rotește: în sensul acelor de ceasornic dacă moleculele din soluție sunt dreapta și în sens invers acelor de ceasornic dacă sunt stânga. Și într-un amestec de cantități egale de forme D și L (se numește „racemat”), lumina își va păstra polarizarea liniară inițială. Această proprietate optică a moleculelor chirale a fost descoperită pentru prima dată de Louis Pasteur în 1848.

Este curios că aproape toate proteinele naturale constau doar din aminoacizi stângaci. Acest fapt este cu atât mai surprinzător cu cât sinteza aminoacizilor în condiții de laborator produce aproximativ același număr de molecule din dreapta și din stânga. Se pare că această caracteristică este deținută nu numai de aminoacizi, ci și de multe alte substanțe importante pentru sistemele vii și fiecare are un semn strict definit de simetrie în oglindă în întreaga biosfere. De exemplu, zaharurile care alcătuiesc multe nucleotide, precum și acizii nucleici ADN și ARN, sunt reprezentate în organism exclusiv prin molecule D corecte. Deși proprietățile fizice și chimice ale „antipodelor oglindă” coincid, activitatea lor fiziologică în organisme este diferită: L-caxara nu este absorbită, L-fenilalanina, spre deosebire de moleculele sale D inofensive, provoacă boli psihice etc.

Potrivit ideilor moderne despre originea vieții pe Pământ, alegerea unui anumit tip de simetrie a oglinzii de către moleculele organice a servit ca principală condiție prealabilă pentru supraviețuirea lor și auto-reproducerea ulterioară. Cu toate acestea, întrebarea cum și de ce a avut loc selecția evolutivă a unuia sau altuia antipod oglindă este încă unul dintre cele mai mari mistere ale științei.

Omul de știință sovietic L. L. Morozov a demonstrat că trecerea la ordonarea chirală nu poate avea loc evolutiv, ci doar cu o anumită schimbare de fază bruscă. Academicianul V. I. Gol'danskii a numit această tranziție, datorită căreia a apărut viața pe Pământ, o catastrofă chirală.

Cum au apărut condițiile pentru catastrofa de fază care a provocat tranziția chirală?

Cel mai important a fost că compușii organici s-au topit la 800-1000 0C în scoarța terestră, iar cei de sus s-au răcit la temperatura spațiului, adică zero absolut. Scăderea temperaturii a ajuns la 1000°C. În astfel de condiții, moleculele organice s-au topit sub influența temperaturii ridicate și chiar au fost complet distruse, iar vârful a rămas rece, deoarece moleculele organice au fost înghețate. Gazele și vaporii de apă care s-au scurs din scoarța terestră au modificat compoziția chimică a compușilor organici. Gazele transportau căldură cu ele, făcând ca limita de topire a stratului organic să se miște în sus și în jos, creând un gradient.

La presiuni foarte scăzute ale atmosferei, apa se afla pe suprafața pământului doar sub formă de abur și gheață. Când presiunea a atins așa-numitul punct triplu al apei (0,006 atmosfere), apa putea fi pentru prima dată sub formă de lichid.

Desigur, este posibil doar experimental să se demonstreze ce anume a cauzat tranziția chirală: cauze terestre sau cosmice. Dar într-un fel sau altul, la un moment dat, moleculele ordonate chiral (și anume, aminoacizii stângaci și zaharurile dreptaci) s-au dovedit a fi mai stabile și a început o creștere de neoprit a numărului lor - o tranziție chirală.

Cronica planetei mai spune că la vremea aceea nu existau nici munți, nici depresiuni pe Pământ. Crusta de granit semi-topit era o suprafață la fel de plată ca nivelul oceanului modern. Cu toate acestea, în cadrul acestei câmpii au existat încă depresiuni din cauza distribuției neuniforme a maselor în interiorul Pământului. Aceste scăderi au jucat un rol extrem de important.

Cert este că depresiunile cu fund plat, cu un diametru de sute și chiar mii de kilometri și o adâncime de cel mult o sută de metri, au devenit probabil leagănul vieții. La urma urmei, apa care s-a adunat la suprafața planetei s-a revărsat în ei. Apa a diluat compușii organici chirali din stratul de cenușă. Compoziția chimică a compusului s-a schimbat treptat, iar temperatura s-a stabilizat. Trecerea de la neînsuflețit la viu, care a început în condiții anhidre, a continuat deja în mediul acvatic.

Este aceasta originea vieții? Cel mai probabil da. În secțiunea geologică Isua (Vestul Groenlandei), care are o vechime de 3,8 miliarde de ani, au fost găsiți compuși asemănătoare benzinei și petrolului cu raportul izotopic C12/C13 caracteristic carbonului fotosintetic.

Dacă se confirmă natura biologică a compușilor de carbon din secțiunea Isua, se va dovedi că întreaga perioadă a originii vieții pe Pământ - de la apariția materiei organice chirale până la apariția unei celule capabile de fotosinteză și reproducere - a fost finalizat în doar o sută de milioane de ani. Și în acest proces, moleculele de apă și ADN-ul au jucat un rol imens.

Cel mai surprinzător lucru despre structura apei este că moleculele de apă la temperaturi negative scăzute și presiuni mari din interiorul nanotuburilor se pot cristaliza sub forma unei duble helix, care amintește de ADN. Acest lucru a fost dovedit prin experimente pe computer ale oamenilor de știință americani conduși de Xiao Cheng Zeng de la Universitatea din Nebraska (SUA).

ADN-ul este o catenă dublă răsucită într-o spirală. Fiecare catenă este formată din „cărămizi” - din nucleotide conectate secvenţial. Fiecare nucleotidă ADN conține una dintre cele patru baze azotate - guanină (G), adenină (A) (purine), timină (T) și citozină (C) (pirimidine), asociate cu dezoxiriboză, acestora din urmă, la rândul său, un fosfat. grupul este atașat. Între ele, nucleotidele adiacente sunt legate într-un lanț printr-o legătură fosfodiester formată din 3 „-hidroxil (3”-OH) și grupări 5”-fosfat (5”-PO3). Această proprietate determină prezența polarității în ADN, adică direcție opusă, și anume 5 capete "- și 3": capătul de 5" al unui fir corespunde capătului de 3" al celui de-al doilea filet. Secvența de nucleotide vă permite să „codificați” informații despre diferite tipuri de ARN, dintre care cele mai importante sunt informațiile sau șablon (ARNm), ribozomal (ARNr) și transportul (ARNt). Toate aceste tipuri de ARN sunt sintetizate pe șablonul ADN prin copierea secvenței de ADN în secvența de ARN sintetizată în timpul transcripției și participă la cel mai important proces al vieții - transmiterea și copierea informațiilor (traducere).

Structura primară a ADN-ului este secvența liniară a nucleotidelor ADN dintr-un lanț. Secvența de nucleotide din lanțul ADN este scrisă sub forma unei formule literale ADN: de exemplu - AGTCATGCCAG, înregistrarea este de la capătul 5 „la 3” al lanțului ADN.

Structura secundară a ADN-ului se formează datorită interacțiunilor nucleotidelor (în mare parte baze azotate) între ele, legături de hidrogen. Un exemplu clasic al structurii secundare a ADN-ului este dubla spirală a ADN-ului. Helixul dublu de ADN este cea mai comună formă de ADN din natură, constând din două catene polinucleotidice de ADN. Construcția fiecărui lanț nou de ADN se realizează conform principiului complementarității, adică. fiecare bază azotată a unei catene de ADN corespunde unei baze strict definite a celeilalte catene: într-o pereche complementară, opusul A este T, iar opusul G este C și așa mai departe.

Pentru ca apa să formeze o spirală, ca într-un experiment simulat, a fost „plasată” în nanotuburi sub presiune mare, variind în diferite experimente de la 10 la 40.000 de atmosfere. După aceea s-a setat temperatura, care avea o valoare de -23°C. Rezerva fata de punctul de inghet al apei s-a facut datorita faptului ca odata cu cresterea presiunii, punctul de topire al ghetii de apa scade. Diametrul nanotuburilor a variat între 1,35 și 1,90 nm.

Orez. Vedere generală a structurii apei (imagine New Scientist)

Moleculele de apă sunt legate între ele prin legături de hidrogen, distanța dintre atomii de oxigen și hidrogen este de 96 pm, iar între doi hidrogeni - 150 pm. În stare solidă, atomul de oxigen participă la formarea a două legături de hidrogen cu moleculele de apă învecinate. În acest caz, moleculele individuale de H 2 O intră în contact unele cu altele cu poli opuși. Astfel, se formează straturi în care fiecare moleculă este asociată cu trei molecule ale stratului propriu și una dintre cele învecinate. Drept urmare, structura cristalină a gheții este formată din „tuburi” hexagonale interconectate ca un fagure.

Orez. Peretele interior al structurii apei (imaginea New Scientist)

Oamenii de știință se așteptau să vadă că apa formează în toate cazurile o structură tubulară subțire. Cu toate acestea, modelul a arătat că la un diametru al tubului de 1,35 nm și o presiune de 40.000 de atmosfere, legăturile de hidrogen s-au răsucit, ducând la formarea unui helix cu pereți dubli. Peretele interior al acestei structuri este un cvadruplu helix, iar peretele exterior este format din patru helix duble, similare cu structura unei molecule de ADN.

Acest din urmă fapt afectează nu numai evoluția ideilor noastre despre apă, ci și evoluția timpurii a vieții și a moleculei de ADN în sine. Dacă presupunem că în epoca originii vieții, rocile argiloase criolitice erau sub formă de nanotuburi, se pune întrebarea - ar putea apa absorbită în ele să servească drept bază structurală (matrice) pentru sinteza ADN-ului și citirea informațiilor? Poate de aceea structura elicoidală a ADN-ului repetă structura elicoidală a apei în nanotuburi. Potrivit revistei New Scientist, acum colegii noștri străini vor trebui să confirme existența unor astfel de macromolecule de apă în condiții experimentale reale folosind spectroscopie în infraroșu și spectroscopie de împrăștiere a neutronilor.

Ph.D. O.V. Mosin

Ph.D.

MODERN MODEL DE APA

Dacă facem o scurtă digresiune în cursul de chimie școlară, ne amintim că două perechi de electroni formează legături covalente polare între atomii de hidrogen și oxigen, iar celelalte două perechi de electroni rămân libere și se numesc nedivizat. Molecula de apă are o structură unghiulară, unghiul H–O–H este de 104,5 grade.

Orez. molecula de apa

Deoarece atomul de oxigen are mai mulți electroni (chimiștii spun că atomul de oxigen este mai electronegativ) decât atomul de hidrogen, electronii celor doi atomi de hidrogen se deplasează către atomul de oxigen mai electronegativ, determinând anularea celor două sarcini pozitive ale atomilor de hidrogen. afară cu o mărime egală de doi atomi.hidrogen prin sarcina negativă a atomului de oxigen. Prin urmare, norul de electroni are o densitate neuniformă. În apropierea nucleelor de hidrogen există o lipsă de densitate electronică, iar pe partea opusă a moleculei, lângă nucleul de oxigen, există un exces de densitate electronică. Astfel, molecula de apă este un mic dipol care conține sarcini pozitive și negative la poli. Această structură este cea care determină polaritatea moleculei de apă. Dacă conectați epicentrii sarcinilor pozitive și negative cu linii drepte, obțineți o figură geometrică tridimensională - un tetraedru obișnuit. Dar un astfel de tetraedru este doar primul nivel de bază al structurii apei.

Orez. Structura moleculei de apă: a) unghiulară; b) minge; c) tetraedric

Al doilea nivel de organizare chimică a apei este determinat de capacitatea tetraedrelor apei de a forma legături speciale numite legături de hidrogen, care leagă moleculele individuale între ele în asociații.

Legătura de hidrogen este de importanță globală în chimia interacțiunilor intermoleculare și se datorează în principal forțelor și influențelor electrostatice slabe. Apare atunci când atomul de hidrogen sărăcit de electroni al unei molecule de apă interacționează cu perechea de electroni singuratică a atomului de oxigen al moleculei de apă vecine.

https://pandia.ru/text/78/208/images/image004_14.jpg" width="487" height="385">

Orez. Fiecare moleculă de apă este capabilă să formeze legături de hidrogen cu patru molecule adiacente.

În structura cristalină a gheții, fiecare moleculă participă la 4 legături de hidrogen direcționate către vârfurile tetraedrului. În centrul acestui tetraedru se află un atom de oxigen, în două vârfuri se află un atom de hidrogen, ai cărui electroni sunt implicați în formarea unei legături covalente cu oxigenul. Cele două vârfuri rămase sunt ocupate de perechi de electroni de valență ai oxigenului, care nu participă la formarea legăturilor intramoleculare.

Orez . Legături de hidrogen în rețeaua cristalină a gheții

Spre deosebire de gheață, în apa lichidă, legăturile de hidrogen se rup ușor și se restabilesc rapid, ceea ce face ca structura apei să fie extrem de variabilă. Tocmai din cauza acestor legături, apa unică asociată - elementele sale structurale - apar continuu în microvolume individuale de apă. Toate acestea duc la eterogenitate în structura apei.

Ideea că apa este eterogenă ca structură a fost propusă pentru prima dată de Whiting în 1884. Paternitatea sa este citată în monografia „Natura apei. Apă grea”, publicată în 1935. După aceasta, au apărut multe lucrări în care apa era considerată un amestec de asociați de compoziție diferită („hidroli”).

Când structura gheții a fost determinată în anii 1920, s-a dovedit că moleculele de apă în stare cristalină formează o grilă continuă tridimensională, în care fiecare moleculă are patru vecini cei mai apropiați, localizați la vârfurile unui tetraedru obișnuit. În 1933, J. Bernal și P. Fowler au sugerat că o rețea similară există și în apa lichidă. Deoarece apa este mai densă decât gheața, ei credeau că moleculele din ea sunt aranjate diferit decât în gheață, adică ca atomii de siliciu dintr-un mineral. tridimit, precum și atomi de siliciu într-o modificare mai densă a siliciului - cuarț. Creșterea densității apei la încălzire de la 0 la 4°C a fost explicată prin prezența unei componente tridimite la temperaturi scăzute. Astfel, modelul Bernal-Fowler a păstrat elementul de două structuri, dar principala lor realizare este ideea unei rețele tetraedrice continue. Apoi a apărut celebrul aforism al lui I. Langmuir: „Oceanul este o moleculă mare”.

Abia în 1951 a creat J. Popl model cu plasă continuă, care nu era la fel de specific ca modelul Bernal-Fowler. Popl și-a imaginat apa ca pe o rețea tetraedrică aleatorie, legăturile dintre moleculele în care sunt curbate și au lungimi diferite. Modelul lui Popl explică densificarea apei în timpul topirii prin îndoirea legăturilor. Când primele definiții ale structurii au apărut în anii 1960 și 1970 Gheață IIși ix, a devenit clar cum curbura legăturilor poate duce la o compactare a structurii. Modelul lui Pople nu a putut explica nemonotonitatea dependenței proprietăților apei de temperatură și presiune, precum și modelele cu două stări. Prin urmare, ideea a două state a fost împărtășită de mulți oameni de știință pentru o lungă perioadă de timp.

Orez. Model cu plasă continuă

În a doua jumătate a secolului XX, pe lângă „ continuu„modele (modelul Popla), au apărut două grupe de modele „mixte”: clusterși clatrat e. În primul grup, apa a apărut ca grupuri de molecule legate prin legături de hidrogen, care pluteau într-o mare de molecule care nu participă la astfel de legături. Modelele celui de-al doilea grup au considerat apa ca o rețea continuă de legături de hidrogen - un cadru care conține goluri; ele conţin molecule care nu formează legături cu moleculele cadrului.

Printre modele de cluster Modelul lui G. Nemethi și H. Sheragi s-a dovedit a fi cel mai izbitor; imaginile pe care le-au propus, ilustrând grupuri de molecule legate care plutesc într-o mare de molecule nelegate, au fost incluse în multe monografii.

Un alt model de apă propus în 1957 de Frack și Wen este modelul de cluster sclipitor. Acest model este foarte aproape de ideile moderne despre structura apei. În acest model, legăturile de hidrogen din apă sunt formate și rupte în mod continuu, iar aceste procese au loc în cooperare în cadrul unor grupuri de molecule de apă de scurtă durată numite „clustere strălucitoare”. Durata lor de viață este estimată în intervalul de la 10-10 la 10-11 s. Această reprezentare explică în mod plauzibil gradul ridicat de mobilitate al apei lichide și vâscozitatea sa scăzută. Se crede că, datorită acestor proprietăți, apa este unul dintre cei mai versatili solvenți.

DIV_ADBLOCK567">

În 2002, grupul Dr. Head-Gordon, folosind analiza de difracție cu raze X folosind Sursa de lumină avansată (ALS), a reușit să demonstreze că moleculele de apă sunt capabile să formeze structuri datorită legăturilor de hidrogen - „cărămizi adevărate” de apă. , care sunt lanțuri și inele topologice din multe molecule de apă. Interpretând datele experimentale obținute, cercetătorii le consideră elemente destul de longevive ale structurii. Practic, apa este o colecție de polimeri aleatoriu și ipotetice „cristale de apă” (care se presupune că există în apa de topire), unde numărul de molecule legate în legături de hidrogen poate ajunge la sute și chiar mii de unități.

„Cristalele de apă” pot avea o varietate de forme, atât spațiale, cât și bidimensionale (sub formă de structuri inelare). În centrul tuturor se află tetraedrul. Aceasta este forma unei molecule de apă. Grupate, tetraedrele moleculelor de apă formează o varietate de structuri spațiale și plane. Și din întreaga varietate de structuri din natură, baza este structura hexagonală (hexagonală), când șase molecule de apă (tetraedre) sunt combinate într-un inel. Acest tip de structură este tipic pentru gheață, zăpadă și apa de topire.

Orez. unu. Structura cristalină a gheții

Când gheața se topește, structura sa tetragonală se prăbușește și se formează un amestec de clustere, constând din tri-, tetra-, penta- și hexameri de apă și molecule de apă liberă. Schematic, acest proces poate fi reprezentat după cum urmează.

Orez . Structura apei lichide. În apă, grupurile sunt periodic distruse și formate din nou. Timpul de salt este de 10-12 secunde.

Sa dovedit a fi destul de dificil de studiat structura acestor asociați rezultați, deoarece apa este un amestec de diferiți polimeri care sunt în echilibru între ei. Ciocnind între ei, polimerii trec unul în altul, se descompun și se reformează.

Separarea acestui amestec în componente separate este, de asemenea, aproape imposibilă. Abia în 1993, un grup de cercetători de la Universitatea din California (Berkeley, SUA), condus de Dr. R. J. Saicalli, a descifrat structura trimmerului de apă, în 1996 - tetramerul și pentamerul, iar apoi hexamerul de apă. Până la acel moment, se stabilise deja că apa lichidă constă din asociați polimerici (clusters) care conțin de la trei până la șase molecule de apă.

Structura hexamerului s-a dovedit a fi mai complexă. Cea mai simplă structură - șase molecule de apă la vârfurile unui hexagon - după cum sa dovedit, nu este la fel de puternică ca structura unei celule. Mai mult, structurile unei prisme, ale unei cărți deschise sau ale unei bărci s-au dovedit a fi, de asemenea, mai puțin stabile. Într-un hexagon pot exista doar șase legături de hidrogen, iar dovezile experimentale sugerează că există opt. Aceasta înseamnă că patru molecule de apă sunt legate prin legături de hidrogen reticulate.

Au fost găsite structurile clusterelor de apă și, teoretic, tehnologia computerizată de astăzi face posibil acest lucru. În 1999, Stanislav Zenin, împreună cu B. Polanuer (acum în SUA), a studiat apa la Institutul de Stat de Cercetare în Genetică, ceea ce a dat rezultate foarte interesante. Folosind metode moderne de analiză - refractometrie, rezonanță de protoni și cromatografie lichidă, au reușit să detecteze asociații de molecule de apă - clustere.

Ri cu. Posibile grupuri de apă

Combinându-se între ele, clusterele pot forma structuri mai complexe:

https://pandia.ru/text/78/208/images/image016_2.gif" width="200" height="520 src=">

Orez. Formarea unui grup de 20 de molecule de apă.

Analizând datele obținute, el a sugerat că apa este o ierarhie a structurilor volumetrice regulate de „asociați” (clatrați), care se bazează pe un „cuantum de apă” asemănător unui cristal, format din 57 dintre moleculele sale, care interacționează între ele. datorită legăturilor de hidrogen libere. În același timp, 57 de molecule de apă (quanta) formează o structură asemănătoare unui tetraedru. Tetraedrul, la rândul său, este format din 4 dodecaedre (regulate cu 12 fețe). 16 cuante formează un element structural format din 912 molecule de apă. Apa este formată din 80% din astfel de elemente, 15% - cuante-tetraedre și 3% - molecule clasice de H2O. Astfel, structura apei este asociată cu așa-numitele solide platonice (tetraedru, dodecaedru), a căror formă este asociată cu raportul de aur. Nucleul de oxigen are și forma unui solid platonic (tetraedru).

Celula unitară a apei este tetraedre care conțin patru (tetraedru simplu) sau cinci molecule de H2O (tetraedru centrat pe corp) legate prin legături de hidrogen.

https://pandia.ru/text/78/208/images/image019_4.jpg" width="621" height="608 src=">

Orez. Dodecaedru

Astfel, în apă apar numeroase clustere, care poartă o energie foarte mare și informații de o densitate extrem de mare. Numărul ordinal al unor astfel de structuri de apă este la fel de mare ca numărul ordinal al cristalelor (structura cu cea mai mare ordine pe care o cunoaștem), prin urmare ele sunt numite și „cristale lichide” sau „apă cristalină”. „Quantele de apă” pot interacționa între ele datorită legăturilor de hidrogen libere care ies din vârful „cuantumului” cu fețele lor. În acest caz, este posibilă formarea a două tipuri de structuri de ordinul doi. Interacțiunea lor între ele duce la apariția unor structuri de ordin superior. Acestea din urmă constau din 912 molecule de apă, care, conform modelului Zenin, sunt practic incapabile de interacțiune din cauza formării legăturilor de hidrogen. Aceasta explică, de exemplu, fluiditatea ridicată a unui lichid format din polimeri uriași. Astfel, mediul acvatic este ca un cristal lichid organizat ierarhic.

Orez. Formarea unui cluster de apă separat (simulare pe computer)

O modificare a poziției unui element structural în acest cristal sub influența oricărui factor extern sau o modificare a orientării elementelor înconjurătoare sub influența substanțelor adăugate asigură, conform ipotezei lui Zenin, o sensibilitate ridicată a sistemului de informații despre apă. . Dacă gradul de perturbare a elementelor structurale este insuficient pentru a restructura întreaga structură a apei într-un volum dat, atunci după eliminarea perturbării, sistemul revine la starea inițială în 30-40 de minute. Dacă recodificarea, adică trecerea la o altă aranjare reciprocă a elementelor structurale ale apei, se dovedește a fi favorabilă din punct de vedere energetic, atunci efectul de codificare al substanței care a provocat această rearanjare se reflectă în noua stare [Zenin, 1994]. Un astfel de model îi permite lui Zenin să explice „memoria apei” și proprietățile ei informaționale [Zenin, 1997].

Ph.D.

Referinte:

. Progrese în chimia fizică, 2001

, . Dovada experimentală a prezenței fracțiilor de apă. G. Medicină homeopată și acupunctură. 1997. Nr 2. P. 42-46.

, . Model hidrofob al structurii asociaților moleculelor de apă. J. Fiz. Chimie.1994. T. 68. Nr 4. C. 636-641.

Investigarea structurii apei prin metoda rezonanței magnetice a protonilor. Raport RAS.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.

, . Natura interacțiunii hidrofobe. Apariția câmpurilor de orientare în soluții apoase. J. Fiz. Chimie.1994. T. 68. Nr 3. C. 500-503.

, . Studiul interacțiunilor intramoleculare în amidele nucleotidice prin RMN. Materialele celei de-a 2-a Conf. Prin dinamică Stereochimie. Odesa.1975.p.53.

Structura gheții. Cristalele de gheață au și legături de hidrogen. Dar aici sistemul unor astfel de legături este static și, în consecință, chiar mai puternic decât în apa lichidă. Acesta este motivul pentru temperatura de topire anormal de ridicată și căldura specifică de topire a gheții. În cristalele de gheață, fiecare moleculă de apă este conectată prin legături de hidrogen cu patru adiacente. O astfel de structură este ajurata - există multe „goluri” în ea. De aceea, densitatea gheții este relativ scăzută. Când gheața se topește, o parte din „golurile” sunt umplute cu molecule de H2O „single” și „duble”, care au fost deja eliberate din rețeaua cristalină. Prin urmare, densitatea apei este mai mare decât cea a gheții. Volumul gheții este cu 10% mai mare decât volumul apei. 2.

Fotografia 4 din prezentarea „Proprietățile fizice ale apei” la lecțiile lumii înconjurătoare pe tema „Proprietățile apei”

Dimensiuni: 271 x 317 pixeli, format: jpg. Pentru a descărca gratuit o fotografie pentru o lecție despre lumea din jurul nostru, faceți clic dreapta pe imagine și faceți clic pe „Salvează imaginea ca...”. De asemenea, puteți descărca întreaga prezentare „Proprietățile fizice ale apei” cu toate fotografiile într-o arhivă zip pentru a afișa fotografiile din lecții. Dimensiunea arhivei - 338 KB.

Descărcați prezentarea

Proprietățile apei

„Apa și proprietățile ei” – Proverbe despre apă. Malkarova Fatima, elevă în clasa a II-a cu mătușa ei. Nu este nevoie să risipești apă. V.A. Sukhomlinsky. De la foc si apa fierbe. Acolo unde apa este blocată, atunci va găsi o cale. Acolo unde apa nu este permisă, el își va găsi o cale. De obicei, apa din plante și animale este mai mare de 50 la sută din greutate. Obiectivele proiectului. Apă în martie, iarbă în aprilie.

„Lecția Proprietățile apei” - Subiectul: științe naturale. Starea apei în natură. Întrebări problematice. Apa este principala bogăție a lumii. Apa este sursa vieții. Teme ale lucrărilor de cercetare. Fără ce nu va exista viață pe Pământ? scop didactic. Pentru a forma cunoștințe despre condițiile de transformare a apei - trecerea de la o stare la alta.

„Proprietățile apei” - Ca să nu existe probleme - Nu putem trăi fără... Poate o persoană să trăiască fără apă? Răspunde la întrebări și notează literele cu răspunsurile corecte: 1. Transparent. Dar o astfel de amenințare există. Apă. Cum este primul desen de al doilea? A desena. Lecție despre lumea în jurul clasei a III-a. Subiectul lecției. Fără ce nu poate mama nici să gătească, nici să nu spele?

„Proprietățile apei pentru școala primară” – Ia forma oricărui vas. Apă în stare gazoasă. Fără gust. Lumea din jurul clasei a II-a. Tema lecției este „Apa”. Nu este transparent. Nu are miros. Observați proprietățile apei. Nu are culoare. Vezi ce a uitat artistul să deseneze? Apă solidă. Gândiți-vă la consecințele situațiilor descrise.

„Proprietățile fizice ale apei” - Apa. Apa are cea mai mare capacitate termică specifică. Substanţă. Structura gheții. Existenta apei. molecule de dipol. Structura moleculară. Apa este pe primul loc printre substanțele care alcătuiesc celula. Ce știm despre apă? Căldura specifică de îngheț. Gheaţă. Anomală și modificarea densității apei.

„Proprietățile și semnificația apei” – În curte este zarvă. Solvent. Am reușit să ies din pământ. Nu ma duc nicaieri. Culoare. Apa „produce” un curent electric. Apă. Proprietățile și valoarea apei. Cel mai mare și mai confortabil drum. Mii de bărci de pescuit. Mâinile noastre sunt în ceară. Picătură pură. Fără apă, nu frământați aluatul pentru pâine. Fluiditate. Străluci din zbor.

În total sunt 8 prezentări la subiect

Candidat la Științe Tehnice V. BELYANIN, Cercetător principal al Centrului de Cercetare Rusă „Institutul Kurchatov”, E. ROMANOVA, student la MADI (GTU).

Cercetătorii găsesc raportul de aur în structura morfologică a plantelor, păsărilor, animalelor și oamenilor. Modelele raportului de aur se găsesc și în organizarea naturii neînsuflețite. În acest articol, pe baza analizei moleculei de apă în diferite stări de agregare, se emite o ipoteză că structura acesteia în starea de topire a apei corespunde practic triunghiului raportului de aur.