Először nézzük meg a víz termodinamikai prekurzorának, a jégnek a szerkezetét. Így minden vízkutató útját megismételjük. Mindegyikük, megpróbálva megérteni a víz szerkezetét, előbb-utóbb arra jutott, hogy meg kell érteni a jég szerkezetét.
1910-ben P. Bridgman amerikai fizikus és G. Tammann német kutató felfedezte, hogy a jég számos polimorf kristálymódosulatot képes létrehozni. Jelenleg a jégnek 9 változata ismert, különböző kristályrácsokkal, különböző sűrűséggel és olvadásponttal rendelkeznek. A jeget, amelyet mindannyian ismerünk, „jég I”-nek hívják, a jég egyéb módosulásai 2000 °C-ot meghaladó nyomáson léteznek. Például a 2115 atm nyomáson képződő III jég nehezebb a víznél, a VI jég (körülbelül 20 000 atm nyomáson) pedig 80 °C feletti hőmérsékleten olvad. Normál körülmények között csak a jég I-t figyelhetjük meg, és ezt vizsgálták a legteljesebben. Az alábbiakban pontosan erről beszélünk.
Egy-egy vízmolekula akár négy hidrogénkötést is létrehozhat, ha elegendő számú megfelelő szomszéd van a közelben, és a kooperativitás tulajdonsága miatt minden további kötés kevesebb energiát igényel a kialakulásához, így nagyobb valószínűséggel jön létre, mint a az előző.
A jégben minden molekula hidrogénkötésekkel kapcsolódik egymáshoz. Ebben az esetben az egyes molekulák négy kötése lokálisan tetraéderes szerkezetté szerveződik, azaz. négy közeli molekula található egy triéderes piramis csúcsaiban, amelynek középpontjában az ötödik vízmolekula található.
Így a jég kristályszerkezetében megismétlődik az egyes molekulák tetraéderes alakja. Ebben talán az is szerepet játszik, hogy a H 2 O molekula H-O-H szöge majdnem megegyezik az ideális 109°-os tetraéderszöggel, és a vízmolekulák, mint tudjuk, az általuk pontosan kialakított hidrogénkötések segítségével egyesülnek. O-H irányban. Ezek a háromszög alakú piramisok is egyesülhetnek valamilyen felépítményben. A jégben ez az összetett, háromdimenziós tetraéderek felépítménye az egész térfogaton keresztül kiterjed.
Bármely oxigénatomtól kezdve, hidrogénkötéseken keresztül szomszédtól szomszédig haladva végtelen számú különböző zárt figurát építhet. Minden ilyen alak valamiféle „hullámos” sokszög, és az oldalak száma mindig hat többszöröse, és a molekulától „önmagáig” vezető legrövidebb út egy közönséges hatszög oldalain halad. Ezért a jég szerkezetét hatszögletűnek vagy hatszögletűnek nevezik.
Ha megfeledkezünk a tetraéderekről, láthatjuk, hogy a jég molekulaszerkezete cikk-cakk rétegekből áll, ahol minden H 2 O molekula a rétegében három, a szomszédos rétegben pedig egy molekulához kapcsolódik. Egy molekula szomszédjainak számát (jelen esetben néggyel egyenlő) koordinációs számnak nevezzük, és könnyen mérhető röntgendiffrakcióval. Amint látható, a hidrogénkötések áttört hálózata a jég molekulaszerkezetét laza szerkezetté alakítja, nagyszámú üreggel.
Ha az I jeget túlságosan összenyomja, más kristályos formákká alakul át, és bár szerkezete valamelyest megváltozik, a tetraéderes szerkezet alapelemei megmaradnak. Mérsékelt nyomáson (II., VI. és IX. jég) a hidrogénkötések egy része kimozdul a tetraéderes szerkezetből (a jég valamivel sűrűbbé válik), de a közeli négy oxigénatom még mindig hidrogénkötésben áll. Még nagyon magas nyomáson (VIII. és VII. jég) is lokálisan megmarad a tetraéderes szerkezet.
A jég molekuláris szerkezetét a század elején először William Bragg angol tudós állapította meg, aki kifejlesztette a röntgendiffrakciós módszert a kristályok elemzésére. Felfedezte, hogy a jégben minden H2O molekulát négy másik molekula vesz körül. De pontosan tanulmányozni tudta a jég molekuláris szerkezetét, sem Bragg, sem senki más nem tudta megállapítani, hogyan helyezkednek el ebben a szerkezetben az oxigén- és hidrogénatomok. Bragg a röntgendiffrakciós módszert használta, amely akkoriban csak viszonylag nagy atomok, például oxigén vagy szilícium megfigyelését tette lehetővé. A kis atomok, mint a hidrogén, nem láthatók a röntgendiffrakcióban. Csak a 20. század 40-es éveinek végén, amikor új, érzékenyebb spektroszkópiai módszerek jelentek meg, sikerült megállapítani a hidrogénatomok elhelyezkedését a jég szerkezetében.
Azonban 1932-ben Bragg tanítványa, Bernal professzor tisztán spekulatív módon megértette, hogyan kell az oxigén- és hidrogénatomoknak elhelyezkedni a jég molekulaszerkezetében.
Bernal a H 2 O molekula konfigurációjából indult ki. Rájött, hogy a vízmolekula határozza meg a jég teljes szerkezetét. Bernal a következőképpen érvelt: minden hidrogénatom csak egy „idegen” oxigénatomot képes „megfogni”, ezáltal két oxigénatomot (a „saját” és „idegen” atomot) egy hidrogénkötéssel köt össze, ezért minden H 2 O molekula hidrogénkötések segítségével tud kapcsolódni négy szomszédos molekulával, amelyek közül kettő saját hidrogénatomot, kettő pedig szomszédos molekulák atomját alkotja, és mivel a H 2 O molekula „egyoldalú”, ez a konfiguráció gyorsan kitölti a teret, és egy tetraéderes szerkezet.
Ezeket a hipotéziseket később spektroszkópiai vizsgálatok is megerősítették, és ma Bernal-Fowler-szabályok néven ismertek. Valójában kiderült, hogy minden oxigénatom négy, az O-O vonalon elhelyezkedő hidrogénatomhoz kapcsolódik. Két „saját” atomjához kovalens kötéssel, két „idegen” atomjához pedig hidrogénkötéssel kapcsolódik. Általánosságban elmondható, hogy a „barát” és az „idegen” definíciók nem írják le pontosan a jég molekuláris életét. Mint megállapították, egyetlen hidrogén sincs a helyén rögzítve. Mindegyik hidrogén pontosan csak az O-O kötését ismeri, de ezen a vonalon két lehetséges pozíciója van - „saját” és „idegen” oxigénatomjai közelében. Életének átlagosan felét tölti ezekben a pozíciókban. Ha a kémiában megszokott módon jelölünk egy vegyértékkötést kötőjellel és egy hidrogénkötést pontokkal, akkor azt mondhatjuk, hogy a reakció folyamatosan megy végbe a jégben:
O-H...O ↔ O....H-O
Amint látjuk, a jég molekuláris élete meglehetősen dinamikus. De ez csak a hidrogénatomokra vonatkozik, az oxigénatomok szilárdan a helyükön helyezkednek el, és a távolság az egyes O-O párokban változatlan és 2,76 A.
Nyilvánvaló, hogy a hidrogénatomok nyugtalansága minden bizonnyal befolyásolja a jég elektromos és dielektromos tulajdonságait. A jégnek meglehetősen magas az elektromos vezetőképessége. Talán a jég ezen tulajdonsága azzal magyarázható, hogy külső elektromos tér jelenlétében a hidrogénatomok ugrásai irányítottabbá válnak.
A valódi jég szerkezete nem teljesen ideális, mint bármely más kristálynak, hibákat tartalmaz. I. Bjerrum dán kutató megállapította, hogy a jéghibák kétféleek lehetnek: 1) az O-O vonalon egyetlen hidrogénatom sincs (Bjerrum L defektus); 2) az O-O vonalon két hidrogénatom található (D-hiba). Természetesen a hiba energiája nagyobb, mint a hibamentes kötés energiája, így a hibák nem mindig ugyanazon a kötésen ülnek, hanem meglehetősen intenzíven vándorolnak a teljes jégszerkezetben. Ugyanakkor úgy viselkednek, mintha különböző előjelű részecskék lennének. Két azonos hiba (például D-hiba) taszítja egymást - elvégre egy hiba a helyi energia növekedéséhez vezet, és még energetikailag kedvezőtlenebb, ha két hiba van a közelben. Az is intuitív módon világos, hogy két különböző hiba vonzza egymást, és amikor találkoznak, megsemmisítik - tönkreteszik egymást.
A jégben a hibák koncentrációja alacsony - csak egy 2,5 millió molekulánként. Tehát a jég Bjerrum-hibái olyan finomságok, amelyek szinte észrevehetetlenek a jég szerkezetében. Más a helyzet a vízben, ahol az ilyen hibák koncentrációja 25 ezerszeresére nő, és 100 molekulánként egy hibát tesz ki. Ez az érték olyan jelentős, hogy nyilvánvalóvá válik, hogy a Bjerrum-hibák jelentős szerepet játszanak a vízben. Még kísérletet is tettek arra, hogy a vizet nagy hibakoncentrációjú jégként írják le, ami általában nem bizonyult túl sikeresnek, de ennek ellenére az így felépített elmélet képes volt megmagyarázni néhány jelenséget.
Most térjünk át a folyékony vízre. A víz molekuláris szerkezetének modern megértése Bernal és Fowler angol tudósok cikkéből származik, amely 1933-ban jelent meg az újonnan létrehozott nemzetközi kémiai fizikai folyóirat, a Journal of Chemical Physics augusztusi számában. Ez a cikk továbbra is az egyik legfigyelemreméltóbb mérföldkő a természet megértésének tüskés útján.
Abban az időben meglehetősen egyszerű – inkább filológiai, mint természettudományos – magyarázata volt a víz rendellenes tulajdonságainak. Úgy tartották, hogy a víz, a hozzá tartozó folyadék, i.e. molekulái nagy dehidrol szupermolekulákká egyesülnek (H 2 O) 2, (H 2 O) 3, . . . (H 2 O) n, ami miatt a víz rendellenes tulajdonságokkal rendelkezik. Teljesen tisztázatlan volt, hogy miért és pontosan hogyan egyesülnek a H 2 O molekulák, hogyan oszlanak meg a különböző asszociációk a víz térfogatában. És ami a legfontosabb, ez a megközelítés általában véve nem magyarázta meg a víz különleges tulajdonságainak természetét.
Bernal kísérleti tények elemzésével kezdte, hogy megtalálja saját megértését a víz molekuláris szerkezetéről. Nem lehet azt mondani, hogy akkoriban, a 20. század 30-as éveiben ezek a tények elegendőek voltak, de mégis. A röntgenkristály-analízis megalkotója, William Bragg briliáns kutatásainak köszönhetően sikerült tisztázni a jég molekuláris szerkezetét. A jég szerkezetére vonatkozó adatokon kívül Bernal rendelkezésére álltak a folyékony vízről készült röntgenfelvételek, valamint az ilyen röntgenfelvételek felhasználásával kapott úgynevezett radiális eloszlási függvények, i.e. az egymástól bizonyos távolságra elhelyezkedő molekulák relatív tartalma. A pusztán kísérleti tények mellett Bernalnak természetesen lehetősége volt ötleteket, hipotéziseket és feltételezéseket alkalmazni, amelyekből a 30-as évek elejére már elég sok felhalmozódott. Ezeknek az elképzeléseknek a bősége azonban inkább hátráltathatja, mint segítené a vízelmélet fejlődését. Talán egy régi gondolat kivételével, amely a híres Wilhelm Roentgenig nyúlik vissza, aki azt javasolta, hogy a jég molekuláris szerkezetét valahogy meg kell ismételni a folyékony víz szerkezetében. Egy időben ez az ötlet nagyon népszerű volt a tudósok körében, de minden kísérlet, amellyel a víz rendellenes tulajdonságainak leírására vonatkozott, kudarcba fulladt. Még a víz legegyszerűbb tulajdonságát sem - hogy nehezebb a jégnél - nem lehetne megmagyarázni ezzel az ötlettel. Sőt, úgy tűnt, hogy a víznek ez a tulajdonsága egyszerűen ellentmond ennek. Valójában, ha feltételezzük, hogy valamilyen erősen torz jégszerkezet létezik a vízben, akkor a víznek világosabbnak kell lennie. A tiszta szerkezet bármilyen megsértése, bármilyen rendellenesség csak növeli a szerkezet által elfoglalt térfogatot. Ezért az ilyen víznek könnyebbnek kell lennie, mint a jég.
Általánosságban elmondható, hogy a röntgen ötlet szépsége és csábító volta ellenére a 30-as évekig senki sem tudta használni. Inkább esztétikai, semmint logikai kategóriaként maradt meg az „ötletbankában”, általános kijelentésként, miszerint „a víz olyan folyadék, amely még őrzi annak a kristályszerkezetnek az emlékét, amelyből származott” (Clément francia fizikus megfogalmazása). Duval).
Miközben a víz természetét elemezte, Bernal sok időt töltött a jég tanulmányozásával. Már közel járt a jég elméletéhez, amiről fentebb beszéltünk. De maga a jégelmélet, amely nem képes a víz elméletévé átalakulni, nem különösebben értékes. De a vízzel még mindig nem volt világos.
És ekkor közbeszólt a véletlen, ami azt jelentette, hogy 1932 esős őszén Bernal professzor egy csoport angol tudóssal a Szovjetunióba ment. Az is sorsra jutott, hogy a brit delegáció távozásának napján sűrű őszi köd ereszkedett Moszkvára. Az Aeroflot akkoriban nem kényezteti ügyfeleit fényűző társalgókkal, így Bernalnak nem maradt más választása, mint a ködben bolyongani a repülőtéren. Egészen véletlenül a kísérője ezeken a sétákon egy nagyon érdeklődő ember volt, R. Fowler professzor. „Minden másnál jobban érdekelt minket a minket körülvevő köd, és természetes volt, hogy beszélni kezdtünk róla. A köd vízből és Fowler professzorból, a termodinamika nagy szakértőjéből áll , de nem nagyon jártas a szerkezeti kérdésekben, megkért, hogy magyarázzam el a víz szerkezetét, hogyan értem ezt a problémát, és akkor újra átgondoltam - a moszkvai megbeszéléseink fényében. A két professzor sétája több mint tizenkét órán át tartott, és nagyon eredményesnek bizonyult, sikerült egyszerű és szép megoldást találniuk a víz problémájára. Néhány hónappal később Bernal és Fowler közös munkája nyomtatásban jelent meg, és a víz molekuláris természetének modern megértésének alapjává vált.
Miközben Fowlernek a vízről mesélt, Bernal professzor megemlítette Roentgen régi ötletét is, amelyben már kevesen hittek. Egészen váratlanul egy rendkívül fontos érvet találtak az elképzelés mellett. Ezt az "egyszerű" módszerrel kapták. „Mi történne a vízzel” – kérdezte Fowler, ha például nem lenne molekuláris szerkezete, milyen lenne az ilyen víz sűrűsége? Ilyen vízben minden H 2 O molekulát legalább hat szomszédnak kell körülvennie, mint minden sűrű tömítésnél. Kiszámítható, hogy az ilyen víz sűrűsége nem 1 g/cm3, hanem 1,8 g/cm3 lenne. Mivel a valódi víz sűrűsége egyetlen hőmérsékleten sem közelíti meg ezt az értéket, ebből az következik, hogy a folyékony vízben bármilyen hőmérsékleten van valamilyen molekulaszerkezet, amely nagy valószínűséggel hasonlít a jég molekulaszerkezetéhez. Ez a szerkezet akadályozza meg, hogy a vízmolekulák szorosan összetömődjenek.
Később ezt a feltevést röntgendiffrakciós analízis is megerősítette, melynek segítségével megállapítható volt, hogy a víz úgynevezett „koordinációs száma” (vagyis bármely molekula szomszédjainak átlagos száma) 4,4. Mivel a jég koordinációs száma 4, az „átlagos” H 2 O molekula szomszédjainak száma a szilárd halmazállapotból a folyékony állapotba való átmenet során mindössze 0,4 szomszéddal nő. Ezért minden 10 vízmolekulából 8-at továbbra is négy szomszéd vesz körül, és két új molekula jelenik meg a másik kettő közelében.
Igen ám, de most mit kezdjünk a jég olvadás közbeni rendellenes viselkedésével? Végtére is, fentebb úgy tűnt, arra a következtetésre jutottunk, hogy a szerkezet torzulása bármely anyag sűrűségének csökkenéséhez vezet. Bernal és Fowler ezt az ellentmondást tárgyalva végül arra a következtetésre jutott, hogy amikor a jég elolvad, az nem torzulás, hanem a szerkezet átstrukturálása, a jég hosszú távú rendje megsemmisül, de kis régiókon belül a molekuláris kristály. -szerű szerkezet megmarad. Akkoriban már ismert volt, hogy egy ilyen szerkezetátalakítás a sűrűség növekedéséhez vezethet. Bernal és Fowler tanulmányukban a tridimit és a kvarc röntgendiffrakciós adatait idézte, amelyek nagyon hasonlóak a jég és víz megfelelő adataihoz. A tridimit és a kvarc a szilícium-dioxid, a SiO 2 két különböző kristályos állapota. A kvarc és a tridimit kémiai összetétele azonos, a molekulaszerkezetek is azonosak - mind a kvarcban, mind a tridimitben a molekulák tetraéderes szerkezeteket alkotnak. De a kvarc sűrűsége körülbelül 10%-kal nagyobb, mint a tridymnit sűrűsége. Miért ugyanaz a szerkezet, ugyanazok a molekulák, de más a sűrűsége? Bernal és Fowler tudta a választ erre a kérdésre. Mivel az oxigén és a szilícium is meglehetősen nagy atomok, jól láthatóak a röntgendiffrakciós mintákon, így ezeknek a kristályoknak a szerkezetének minden finomsága már a 30-as években tisztázott volt. Ezek a finomságok abban rejlenek, hogy ezekben a kristályokban a legközelebbi molekulák távolsága azonos, de a következő (nem legközelebbi) szomszédok távolsága más, azaz. az első koordinációs gömbök azonosak, és a második gömb mérete kvarcban 4,2 A, tridimitben pedig 4,5 A. Ez magyarázza a kvarc és a tridimit sűrűsége közötti különbségeket.
Ha emlékezünk arra, hogy egyrészt a jégnek is van tetraéderes szerkezete, másrészt pedig, hogy a jég és a víz sűrűsége 9%-kal különbözik, akkor könnyen megérthető Bernal és Fowler meggyőződése, hogy a jég szerkezete hasonló a jég szerkezetéhez. a tridimit szerkezete, és a víz szerkezete hasonló a kvarc szerkezetéhez. Elméletük nem minden részlete állta ki az idő próbáját. Kifinomultabb elméletek jelentek meg később, de a Journal of Chemical Physics-ben megjelent cikkük továbbra is az egyik legfontosabb mérföldkő a vízzel kapcsolatos elméleti úton.
Ahogy az lenni szokott, a Bernal-Fowler elmélet csak módszertani részében bizonyult helyesnek, és sok részletét további kísérletek nem erősítették meg. Folyékony vízben különösen nem találtak kvarcszerű szerkezeteket. De a víz, mint folyadék, magasan fejlett áttört kerettel kapcsolatos elképzelése egyre több megerősítést nyert.
A 20. század vitathatatlan vívmánya volt annak egyértelmű megértése, hogy a jég szerkezete valamilyen módon megmarad a vízben, vagy Clément Duval megfogalmazásával élve a víz emlékszik az eredetére. De miért emlékszik, míg más folyadékokat megfosztanak ettől a képességtől? Végül is a jég (ha elfelejti, hogy nem létezik a „saját” hőmérsékleti tartományában) általában meglehetősen közönséges kristály. A különleges molekulaszerkezet nem olyan furcsa. Minden kristály alkot néhány (néha meglepő) struktúrát. De amikor megolvadnak, meglehetősen triviális, közönséges folyadékokat termelnek. A jég is megolvad, és folyadékot is termel, de ez szokatlan. Miért? A kérdés megválaszolásához ne feledjük, hogy a legtöbb anyag molekuláit kristályszerkezetük csomópontjain meglehetősen gyenge van der Waals vagy elektromos erők tartják. A H2O molekulákat a jég hatszögletű szerkezetében hidrogénkötések tartják vissza, amelyek és a van der Waals és az elektrosztatikus kölcsönhatások közötti különbség igen jelentős. A hidrogénkötések sokkal erősebbek, és ami a legfontosabb, hatásuk szigorúan a térben irányul. Az utolsó tulajdonság ahhoz vezet, hogy A jég olvasztásakor a hidrogénkötés csak „azonnal” szakad meg, nem tud fokozatosan „romlani”, mielőtt véglegesen megszakadna. Ez egy nagyon fontos különbség a jég és más kristályok között. Hiszen ha egy kristályt felmelegítenek, először az egyes molekulák hőmozgása növekszik meg, amelyek fokozatosan egyre jobban eltérnek az ideális kristályszerkezet teljes egységétől. És itt nyilvánul meg a hidrogénkötések irányultságának hatása. Tegyük fel, hogy a kristály összes molekulája egy ideális szerkezet csomópontjain ül. És hirtelen egy molekula kiugrik a csomópontjából, és távolodik tőle egy bizonyos távolságra. A közönséges anyagokban ez a molekula továbbra is kapcsolatot tart fenn szomszédaival a kristályrácsban. Természetesen a köztük lévő adhézió romlik, a kölcsönhatás energiája nő, de a kapcsolat megmarad. Ha hasonló esemény történik a jégben, akkor a nyugtalan molekula szükségszerűen megszakítja az összes hidrogénkötését, nem tud „kissé” eltérni a kristályrács egyik csomópontjától, miközben megtartja az összes hidrogénkötését. Hiszen szomszédai hidrogénkötései a tér egy nagyon meghatározott pontjáig terjednek, és ha egy molekula elhagyja ezt a pontot, akkor ezzel elveszti a lehetőségét, hogy „bezárja” két protonját és két magányos elektronját. Első pillantásra úgy tűnhet, hogy a víznek gyorsan el kellene felejtenie kristályos múltját. Kiderült, hogy a H 2 O molekulák azonnal és visszavonhatatlanul „szakítanak” múltjukkal. Szigorúan véve ennek így kell lennie, ha a jégben lévő nagyszámú molekula azonnal megszakíthatja az összes hidrogénkötését. De ahhoz, hogy a jég molekuláris életében egy ilyen esemény bekövetkezzen, elég sok energiát (molekuláris léptékben) kell egyszerre egy helyre koncentrálni.
Egy egyes vízmolekula nem tud fokozatosan energiát felhalmozni ahhoz, hogy egy bizonyos energiaszint elérésekor elszakadjon szomszédaitól. A jól ismert fizikai szókincs segítségével azt mondhatjuk, hogy minden jégmolekula egy mély energialyukban helyezkedik el, teljesen függőleges élekkel. Egy ilyen lyukból nagyon nehéz kiugrani, és ha a kiugrott molekula „megbotlik”, azonnal lent, az ideális jég szerkezetébe kerül. Ezért egyrészt kicsi a valószínűsége a hidrogénkötések felszakadásának, másrészt, miután csak egy H2O molekula szabadult fel a kristályszerkezetből, a jég azonnal meglehetősen nagy energia-hozzájárulást ad az olvadás kinetikai folyamataihoz, és ezáltal jelentős számú olvadáspontot képes megtartani. molekulák a kristályszerkezetben.
Az energialyukak, amelyekben más anyagok találhatók, eltérő megjelenésűek. A kristálynak és a folyadéknak megfelelő állapotok között számos köztes állapot található. Ezért a közönséges anyagok molekulái fokozatosan energiát halmozhatnak fel, egyik közbenső lyukból a másikba mozogva. Ha bármelyik molekula elveszíti az energiájának egy részét, akkor nem kerül a lyuk legaljára, hanem valamilyen köztes állapotban maradhat. Ennek eredményeként a kristály összes molekulája gyorsan részt vesz az olvadási folyamatban. A molekulák átlagos energiája fokozatosan növekszik, miközben a molekulák energiájának egyéni ingadozása nem túl nagy. Ha egy közönséges kristály olvadását ábrázolja egy bizonyos fázisenergia térben, látni fogja, hogy az olvadás során az összes molekula meglehetősen kompakt csoportban marad. Valójában egy ilyen térben minden pont a molekulák energiaszintjét jelöli. Az olvadás kezdetén minden pont egy szilárd ponttá egyesül, ami megfelel a kristályos állapotnak. A közönséges anyag olvadásának folyamatában ez a pont felfelé kúszik, fokozatosan erodálódik és külön pontokra bomlik. Ekkor a központi pont kisebb pontokra bomlik, amelyek viszont szintén szétesnek, és ez a folyamat egy nagy, viszonylag sűrű, folyékony halmazállapotú középpontú pontraj kialakulásával zárul. A jégolvadás képe ebben az értelmezésben teljesen másképp fog kinézni. A jégmolekulák egyedi energiaprofilja lehetővé teszi, hogy kellően nagy számú H 2 O molekula megőrizze a hidrogénkötések kristályos, hatszögletű szerkezetét az olvadás során, csak kis számú vízmolekula vesz részt ténylegesen az olvadási folyamatban. Az olvadás kezdetén minden molekula „ül” a jég állapotának megfelelő energiaszinten. Ahogy a jég felmelegszik, az egyes molekulák kiszabadulnak a kristályszerkezetből, és azonnal a hidrogénkötés nélküli molekulák energiaszintjén találják magukat. A két szint között folyamatos a csere, a „folyékony” molekulák egy része beépül a hatszögletű szerkezetbe, amelyből a molekulák egy része ugyanannyi idő alatt felszabadul. A jég felmelegedésével a jégszerkezetet elhagyó molekulák száma növekszik, és a visszatérő molekulák száma csökken. De még a teljes olvadás után is a jégben létező hidrogénkötések meglehetősen nagy része vízben marad.
A jégolvadás fent leírt képe a víz úgynevezett kétszerkezetes modelljének megfelelő idealizálás, i.e. olyan modell, amelyben a H 2 O molekuláknak csak két állapota megengedett - vagy teljesen szabad monomerek, vagy teljesen beletartoznak a hatszögletű szerkezetbe. Ezzel kapcsolatban felmerülhet a kérdés: elfogadható-e a monomerek és a hatszögletű rács ilyen keveréke? Emlékezzünk: a jég szerkezete laza, sok üreg van benne, az atomok pedig elég tágasan helyezkednek el. Minden üreget hat H 2 O molekula vesz körül, és minden molekulát hat üreg vesz körül, amelyek folytonos mikroszkopikus csatornákat alkotnak. A víz egyik első fizikai elméletének szerzője, O. Samoilov szovjet tudós kiszámította az üregek méretét, és megállapította, hogy könnyen elférnek egy vízmolekulában anélkül, hogy a hidrogénkötések fő vázát érintenék vagy megsemmisítenék. Samoilov még a 20. század 40-es éveiben felvetette, hogy a jég olvadása során a hidrogénkötések egy része megszakad, szabad H 2 O monomerek jelennek meg, amelyek részben kitöltik a hidrogénváz üregeit.
1952-ben Heggs, Husted és Buchanan amerikai tudósoknak a víz dielektromos tulajdonságainak hőmérséklettől való függése alapján sikerült megállapítaniuk, hogy 25 °C-on folyékony vízben az összes H 2 O molekula 67%-a megtartja mind a négy hidrogénkötést. 23,2%-a három hidrogénkötést tartalmaz, 7,6%-a két hidrogénkötést, és csak 0,2%-a teljesen szabad molekulákat tartalmaz. Kétségtelen, hogy a víz valós szerkezete összetettebb, mint a kétszerkezetes modellek feltételezik, azonban egyszerűségük miatt meglehetősen világosak és alkalmasak „nulla” közelítésre.
A víz molekuláris állapotáról más elméleteket is javasoltak. Például angol fizikus D.J. Pople azt feltételezte, hogy a jég olvadásakor a hidrogénkötések egyáltalán nem szakadnak meg, hanem valamilyen módon „meghajlanak”. Bernal professzor az ötletét kidolgozva új vízelméletet épített fel, amely szerint a H 2 O molekulák négy, öt vagy több molekulából álló kis zárt gyűrűket alkotnak. De Bernal úgy vélte, hogy ezeknek a gyűrűknek a túlnyomó többsége mindössze öt molekulából áll, mivel egy vízmolekulában a H-O-H szög közel 108° - egy szabályos ötszög szöge.
L. Pauling 1952-ben felvetette, hogy a víz szerkezete hasonló a Cl 2 10H 2 O típusú klatrát-hidrátok szerkezetéhez. Eyring a jelentős szerkezetek elméletét állította fel, amely szerint a vízben két kristályszerű szerkezet található: jég I és jég III. A III jég szerkezetében a hidrogénkötések kissé összenyomottak és enyhén meghajlottak, így ez a jég 20%-kal sűrűbb, mint az I. jég.
G. Nameti és X. Scheraga azt javasolta, hogy minden vízmolekula az öt megengedett energiaállapot valamelyikében lehet, amelyet az határozza meg, hogy hány hidrogénkötést képez (0, 1, 2, 3 vagy 4). Feltételezik, hogy a molekulák jégszerű "rajokba" gyűlnek össze. Nameti és Scheraga a statisztikai mechanikában szokásos elemzést alkalmazva megállapították a vízmolekulák számát külön rajokban, amelyek 4, 3 és 2 hidrogénkötést alkotnak. Az így kapott rendszer moláris térfogata 4 °C-on a többi paraméter is jól megfelel a kísérleti eredményeknek. Namet és Sherag elmélete azonban a kétszerkezetes modellhez hasonlóan számos spektroszkópiai adatnak ellentmond. Ez minden olyan elmélet közös hibája, amely egyértelműen elkülönülő struktúrák létezését feltételezi a vízben. Úgy tűnik, hogy a valódi vízben a különböző molekulaszerkezetek széles és folytonos skálája található.
Minden elmélet (csak néhányat említettünk itt) többé-kevésbé összhangban van a megfigyelt kísérleti adatokkal, de mindegyiknél előbb-utóbb olyan tényeket fedeztek fel, amelyeket nem tudtak megmagyarázni. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy az elméletek tévesek. Mindegyikük bizonyos fokú közelítést mutatott a víz fizikai állapotának valós képéhez, és a jövőbeni végső elmélet felé haladt.
A számítógépek megjelenésével és a különféle folyamatok szimulálásának képességével lehetővé vált a megbízható elméletek számának élesen csökkentése. Az ilyen kísérletek segítségével pontosan meghatározható volt, hogy a vízmolekulák melyik frakciója tartja meg mind a négy hidrogénkötést, melyik része három, kettő, egy, és hány teljesen szabad monomer molekula van a vízben. Az ábra a hidrogénkötések vízben 10 °C-os eloszlásának gépi kísérlettel kapott hisztogramját mutatja.
Amint láthatja, a vízben minden típusú molekulának meglehetősen jelentős része van - a teljesen szabadtól az éjfélig kötöttig. Más hőmérsékletek hisztogramjai hasonlóak, de magasabb hőmérsékleten a hisztogram maximuma (ami 10 °C esetén 2,3 hidrogénkötés molekulánként) a hidrogénkötések számának alacsonyabb értékeinek tartományába tolódik el.
Kiderült, hogy az ötszögek és a hatszögek is egyforma sikerrel jönnek létre a vízben, anélkül, hogy bármelyiket preferálnák a másikkal szemben. Ez egyébként azt jelenti, hogy a hidrogénkötések megnyúlhatnak és meghajolhatnak. Az így kapott eredmény tagadta az összes „jéghegy” modellt, amely azt feltételezte, hogy a víz teljesen szabad molekulák tengere, amelyben többé-kevésbé nagy jégszerkezet-töredékek úsznak. Bár jelen vannak 1, 2, 3... számú hidrogénkötést tartalmazó klaszterek, arányuk kicsi. Mivel a jégszerkezetek csak hatszöget alkotnak, egy ilyen túra természetesen teljesen kizárja annak lehetőségét, hogy ötszögletű építmények jelenjenek meg a vízben.
Számos számítógépes kísérlet eredményeit összegezve elmondható, hogy a víz molekulaszerkezetének topológiája nem értelmezhető a jég véletlenszerűen felszakadt hidrogénkötésű hatszögletű szerkezete formájában. Sőt, ez a szerkezet egyetlen egész, bármilyen térfogatú vízben. Gépi kísérletek kimutatták, hogy a hidrogénkötések hálózata meghaladja a „kritikus perkolációs küszöböt”. Ez azt jelenti, hogy bármilyen térfogatú vízben mindig lesz legalább egy folytonos hidrogénkötési lánc, amely áthatja a teljes víztérfogatot.
Hogyan képzelhető el most a számítógépes kísérletek eredményeinek fényében a víz fizikai természete? Molekuláris szinten a víz hidrogénkötések véletlenszerűen szervezett háromdimenziós hálózatának tűnik. Lokálisan ez a hálózat tetraéderes konfigurációra hajlamos. Ez azt jelenti, hogy az átlagos vízmolekula legközelebbi szomszédai főként a vízmolekulát körülvevő tetraéder piramis csúcsaiban helyezkednek el. A hálózat jelentős számú erősen feszült hidrogénkötést tartalmaz, és ezek a kötések játszanak alapvető szerepet a víz különleges anomáliás tulajdonságainak kialakulásában. Bármely vízmolekula, amelynek kötései kellően feszültek, gyorsan megváltoztathatja teljes közvetlen környezetét, és feszült kötéseit új szomszédokra cserélheti. Mindez ahhoz a tényhez vezet, hogy a víz teljes hidrogénkötés-hálózatának általános topológiája rendkívül változó és változatos. Ahogy a jég olvad, a meghatározott, de laza tetraéderes szerkezetet egy kevésbé meghatározott, de tömörebb hidrogénkötés-hálózat váltja fel. A sűrűség növekedése a tömörebb lokális struktúrák kialakulása (például a hidrogénkötésekből az ötszögekbe való átmenet) és a hidrogénkötések görbülete miatt következik be. Az olvadékvíz melegítésekor 4 °C-ig dominál a tömörebb szerkezetekre való átmenet, ezt követően a normál hőtáguláshoz kapcsolódó folyamatok érvényesülnek.
Folyékony szerkezet
A „szerkezet” kifejezés használata a jég leírására érthető, és természetesen belső szerkezetű. De mi a folyadék szerkezete? „Nem a szerkezet hiánya – a folyékonyság – a folyadék meghatározó tulajdonsága?” - írta Bernal. Kiderült, hogy a folyadéknak szerkezete van, és nem csak egy, hanem több is. Minden az időskálán múlik.Ha egy koordinátarendszer bármely rögzített vízmolekulához kapcsolódik, akkor egy ebben a rendszerben elhelyezkedő megfigyelő számára a víz szerkezete attól függ, hogy milyen jellemző időskálával fogja megfigyelni a víz molekuláris életét. A víznek két jellemző időparamétere van. Mint minden anyagnak, legyen az folyékony vagy szilárd, az egyes molekuláknak is van egy rezgési periódusa τ υ. Víz esetében ez az érték 10-13 s. A folyadékban a molekulák τ υ egyensúlyi helyzetük körüli rezgési periódusán kívül van még egy jellemző idő - a „letelepedett élet” ideje τ D, azaz. egy molekula adott lokális környezetének átlagos élettartama. Víznél τ D ~ 10 -11 s, azaz. Mielőtt új helyre ugrik, egy vízmolekula 100 rezgésen megy keresztül egy helyen.
Ez a két paraméter az időskálát három régióra osztja, amelyek mindegyike saját folyadékszerkezettel rendelkezik. Ha a megfigyelő kellően kis időskálát használ, pl. sokkal rövidebb időt fog keresni, mint τ υ, akkor kaotikusan szétszórt molekulákat fog látni, amelyek között nehéz bármilyen sorrendet megkülönböztetni. A molekuláknak ezt a véletlenszerű elrendezését azonban pillanatnyi vagy M-struktúrának nevezik.
Ahhoz, hogy megértse, miért nevezik ezt a rendellenességet még mindig struktúrának, a megfigyelőnek hosszabb időskálára kell lépnie. De nem túl sok, pontosabban több, mint τ υ, de kevesebb, mint τ D. Ebben az időintervallumban a valódi molekulák már nem lesznek láthatók, a megfigyelő csak azokat a pontokat fogja látni, amelyek körül rezegnek. Kiderült, hogy ezek a pontok a vízben meglehetősen szabályosan helyezkednek el, és tiszta struktúrát alkotnak, amelyet K-struktúrának neveznek, ami azt jelenti, hogy „rezgési átlagot”.
A víz M- és K-szerkezete hasonló a jég azonos szerkezetéhez. Ahhoz, hogy lássuk a vízben és a jégben lévő struktúrák közötti különbségeket, kicsit tovább kell figyelni őket, pl. τ D-nél jóval nagyobb karakterisztikus idővel. Az ebben az esetben megfigyelt képet D-struktúrának nevezzük – diffúziós átlagolt. A jéggel ellentétben a víz D-szerkezete teljesen elmosódott a vízmolekulák gyakori, nagy távolságokra történő ugrása miatt (ezek az ugrások a vízmolekulák öndiffúziójának folyamatát jelentik). A D-struktúra a K-struktúrák diffúziós átlagolásával jön létre, és nem írható le semmilyen speciális térbeli elrendezéssel. Egy külső szemlélő úgy látja, hogy valójában nem létezik a folyadék D-szerkezete (megjegyzendő, hogy a D-struktúra, mint egy molekula-együttes teljes statisztikai átlagolása határozza meg a víz termodinamikai tulajdonságait.).
Pedig a D-struktúra létezik és látható. Egy bizonyos vízmolekulán tartózkodó megfigyelő látni fogja, hogy a saját molekulája kaotikusan mozog a teljes víztérfogatban, és minden alkalommal egy többé-kevésbé rendezett környezetbe kerül. Látni fogja, hogy leggyakrabban „az ő” molekuláját négy másik H 2 O molekula veszi körül, néha öt szomszédos, néha hat, átlagosan, mint tudjuk, 4,4 lesz belőlük. Így a víz D-szerkezete tekinthető a megfigyelő számára látható képnek.
A víz szerkezetének ezt a megközelítését a leggyakrabban a spektroszkópiai adatok értelmezésekor alkalmazzák, mert a különböző spektroszkópiai módszerek - röntgen, NMR, dielektromos relaxáció, neutron Raman-szórás - képesek a molekuláris adatok „leolvasására” eltérő jellemző felbontási idővel.
A molekulák mozgását általában Brown-mozgás bizonyítja. Egy vízcseppet, amelyben egy szilárd, oldhatatlan anyag nagyon könnyű részecskéi lebegnek, mikroszkóp alatt megvizsgálják, és megfigyelik, hogy a részecskék véletlenszerűen mozognak a víz tömegében. Mindegyik ilyen részecske sok molekulából áll, és nem mutat spontán mozgást. A részecskék a mozgó vízmolekulák hatását érik, ami miatt folyamatosan változtatják a mozgás irányát, ami azt jelenti, hogy maguk a vízmolekulák véletlenszerűen mozognak.
Ph.D. O.V. Mosin
A vízmolekula egy kis dipólus, amelynek pólusai pozitív és negatív töltéseket tartalmaznak. Mivel az oxigénmag tömege és töltése nagyobb, mint a hidrogénatomoké, az elektronfelhő az oxigénmag felé húzódik. Ebben az esetben a hidrogénmagok „ki vannak téve”. Így az elektronfelhő sűrűsége nem egyenletes. Hiányzik az elektronsűrűség a hidrogénatommagok közelében, a molekula ellenkező oldalán, az oxigénmag közelében pedig az elektronsűrűség feleslege. Ez a szerkezet határozza meg a vízmolekula polaritását. Ha a pozitív és negatív töltések epicentrumait egyenes vonalakkal köti össze, háromdimenziós geometriai alakzatot kap - egy szabályos tetraédert.
Egy vízmolekula szerkezete (jobb oldali kép)
A hidrogénkötések jelenléte miatt minden vízmolekula hidrogénkötést hoz létre 4 szomszédos molekulával, áttört hálókeretet képezve a jégmolekulában. Folyékony állapotban azonban a víz rendezetlen folyadék; Ezek a hidrogénkötések spontánok, rövid életűek, gyorsan felszakadnak és újra kialakulnak. Mindez a víz szerkezetének heterogenitásához vezet.
Hidrogénkötések a vízmolekulák között (balra lenti kép)
Az a tény, hogy a víz heterogén összetételű, már régen megállapították. Régóta ismert, hogy a jég a víz felszínén úszik, vagyis a kristályos jég sűrűsége kisebb, mint a folyadék sűrűsége.
Szinte minden más anyag esetében a kristály sűrűbb, mint a folyékony fázis. Ráadásul még az olvadás után is, ahogy a hőmérséklet emelkedik, a víz sűrűsége tovább növekszik, és 4°C-on éri el a maximumot. Kevésbé ismert a víz összenyomhatóságának anomáliája: olvadásponttól 40°C-ig melegítve csökken, majd növekszik. A víz hőkapacitása szintén nem monoton függ a hőmérséklettől.
Ezenkívül 30 °C alatti hőmérsékleten, a légköri nyomásról 0,2 GPa-ra történő növekedéssel a víz viszkozitása csökken, és az öndiffúziós együttható, amely paraméter határozza meg a vízmolekulák egymáshoz viszonyított mozgási sebességét, növeli.
Más folyadékoknál az összefüggés fordított, és szinte sehol nem fordul elő, hogy valamelyik fontos paraméter ne viselkedne monoton módon, pl. először nőtt, majd a hőmérséklet vagy a nyomás kritikus értékének áthaladása után csökkent. Felmerült az a feltételezés, hogy a víz valójában nem egyetlen folyadék, hanem két olyan komponens keveréke, amelyek tulajdonságaik, például sűrűségük és viszkozitásuk, így szerkezetük is különbözik egymástól. Az ilyen ötletek a 19. század végén kezdtek felmerülni, amikor rengeteg adat halmozódott fel a vízügyi anomáliákról.
Whiting volt az első, aki 1884-ben javasolta azt az elképzelést, hogy a víz két összetevőből áll. Szerzőségét idézi E.F. Fritsman a „The Nature of Water. Heavy Water”, 1935-ben jelent meg. 1891-ben W. Rengten bevezette a víz két halmazállapotának fogalmát, amelyek sűrűségükben különböznek egymástól. Ezt követően sok olyan mű jelent meg, amelyekben a vizet különböző összetételű társított anyagok ("hidrolok") keverékének tekintették.
Amikor az 1920-as években meghatározták a jég szerkezetét, kiderült, hogy a kristályos állapotban lévő vízmolekulák háromdimenziós folytonos hálózatot alkotnak, amelyben minden molekulának négy legközelebbi szomszédja van, amelyek egy szabályos tetraéder csúcsaiban helyezkednek el. 1933-ban J. Bernal és P. Fowler azt javasolta, hogy hasonló hálózat létezik a folyékony vízben is. Mivel a víz sűrűbb, mint a jég, úgy gondolták, hogy a benne lévő molekulák nem úgy helyezkednek el, mint a jégben, vagyis mint a szilícium atomok az ásványi tridimitben, hanem mint a szilícium atomok a szilícium-dioxid - kvarc sűrűbb változatában. A vízsűrűség növekedését 0-ról 4 °C-ra melegítve a tridymit komponens alacsony hőmérsékleten való jelenlétével magyarázták. Így a Bernal-Fowler modell megtartotta a kétszerkezet elemét, de fő vívmányuk a folytonos tetraéderes hálózat ötlete volt. Aztán megjelent I. Langmuir híres aforizmája: „Az óceán egy nagy molekula.” A modell túlzott specifikációja nem növelte az egységes rácselmélet támogatóinak számát.
J. Pople csak 1951-ig alkotott meg egy folyamatos rácsmodellt, amely nem volt olyan specifikus, mint a Bernal-Fowler modell. Pople a vizet véletlenszerű tetraéderes hálózatnak képzelte el, amelyben a molekulák közötti kötések görbültek és különböző hosszúságúak. Pople modellje a víz olvadás közbeni tömörödését a kötések meghajlításával magyarázza. Amikor a 60-70-es években megjelentek a II. és IX. jégszerkezetek első meghatározásai, világossá vált, hogy a kötések meghajlása hogyan vezethet a szerkezet tömörítéséhez. Pople modellje nem tudta megmagyarázni a víz tulajdonságainak nem-monoton függését a hőmérséklettől és a nyomástól, valamint a kétállapotú modelleket. Ezért a két állam gondolatát sok tudós osztotta sokáig.
De a 20. század második felében nem lehetett úgy fantáziálni a „hidrolok” összetételéről és szerkezetéről, mint a század elején. Már ismerték a jég és a kristályos hidrátok működését, és sokat tudtak a hidrogénkötésről is. A „kontinuum” modellek (Pople-modell) mellett a „vegyes” modellek két csoportja jelent meg: a klaszter és a klatrát. Az első csoportban a víz hidrogénkötésekkel összekapcsolt molekulák klaszterei formájában jelent meg, amelyek olyan molekulák tengerében lebegtek, amelyek nem vesznek részt ilyen kötésekben. A modellek második csoportja a vizet hidrogénkötések folytonos hálózataként (amelyet ebben az összefüggésben rendszerint keretnek neveznek), amely üregeket tartalmazott; olyan molekulákat tartalmaznak, amelyek nem képeznek kötést a váz molekuláival. Nem volt nehéz kiválasztani a klatrátmodellek két mikrofázisának tulajdonságait és koncentrációit, vagy a váz tulajdonságait és üregeinek kitöltési fokát a klatrátmodelleknél, hogy megmagyarázzuk a víz összes tulajdonságát, beleértve a híres anomáliákat is.
A klasztermodellek közül Némethy G. és Scheraghi H. modellje volt a legszembetűnőbb: Az általuk javasolt képek, amelyek a kötetlen molekulák tengerében lebegő kötött molekulák klasztereit ábrázolják, számos monográfiában szerepeltek.
A klatrát típus első modelljét 1946-ban O.Ya javasolta. Samoilov: a vízben a hatszögletű jéghez hasonló hidrogénkötések hálózata megmarad, amelynek üregei részben monomer molekulákkal vannak kitöltve. L. Pauling 1959-ben egy másik lehetőséget hozott létre, azt sugallva, hogy a szerkezet alapja néhány kristályos hidrátban rejlő kötéshálózat lehet.
A 60-as évek második felében és a 70-es évek elején mindezen nézetek konvergenciája volt megfigyelhető. Megjelentek a klasztermodellek olyan változatai, amelyekben mindkét mikrofázisban lévő molekulák hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A klatrátmodellek hívei kezdték elismerni a hidrogénkötések kialakulását az üres és a keretmolekulák között. Vagyis e modellek szerzői a vizet hidrogénkötések folytonos hálózatának tekintik. És arról beszélünk, hogy ez a rács mennyire heterogén (például sűrűségben). A víz mint hidrogénkötésű klaszterek, amelyek a nem kötött vízmolekulák tengerében lebegnek az elképzelésnek a nyolcvanas évek elején vetett véget, amikor G. Stanley a víz fázisátalakulását leíró perkolációs elméletet alkalmazta vízi modell.
1999-ben a híres orosz vízkutató S.V. Zenin az Orosz Tudományos Akadémia Orvosi és Biológiai Problémái Intézetében védte meg doktori disszertációját klaszterelméletről, ami jelentős lépés volt e kutatási terület előrehaladása felé, melynek összetettségét fokozza, hogy három tudomány metszéspontjában állnak: fizika, kémia és biológia. Három fizikai-kémiai módszerrel nyert adatok alapján: refraktometria (S. V. Zenin, B. V. Tyaglov, 1994), nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (S. V. Zenin és mtsai, 1998) és proton mágneses rezonancia (C S. V. Zenin, 1993) geometriai konstrukciót építettek és bizonyítottak. a vízmolekulák fő stabil szerkezeti képződésének modelljét (strukturált víz), majd (S.V. Zenin, 2004) kontrasztfázisú mikroszkóp segítségével képet kaptunk ezekről a szerkezetekről.
A tudomány mára bebizonyította, hogy a víz fizikai tulajdonságainak sajátosságai és számos rövid élettartamú hidrogénkötés a szomszédos hidrogén- és oxigénatomok között egy vízmolekulában kedvező lehetőségeket teremt speciális társult struktúrák (klaszterek) kialakulására, amelyek érzékelik, tárolják és továbbítják sokféle információ.
Az ilyen víz szerkezeti egysége egy klatrátokból álló klaszter, amelynek természetét nagy hatótávolságú Coulomb-erők határozzák meg. A klaszterek szerkezete információkat kódol az ezekkel a vízmolekulákkal lejátszódó kölcsönhatásokról. A vízi klaszterekben az oxigénatomok és a hidrogénatomok közötti kovalens és hidrogénkötések kölcsönhatása miatt a proton (H+) migrációja egy közvetítő mechanizmuson keresztül történhet, ami a proton klaszteren belüli delokalizációjához vezethet.
A víz, amely sok különböző típusú klaszterből áll, hierarchikus térbeli folyadékkristály-struktúrát alkot, amely hatalmas mennyiségű információt képes érzékelni és tárolni.
Az ábrán (V.L. Voeikov) több egyszerű klaszterstruktúra diagramja látható példaként.
A vízhalmazok néhány lehetséges szerkezete
Nagyon eltérő természetű fizikai mezők lehetnek információhordozók. Így létrejött a víz folyékony kristályos szerkezetének távoli információs kölcsönhatásának lehetősége különféle természetű tárgyakkal elektromágneses, akusztikus és egyéb mezők segítségével. A befolyásoló tárgy személy is lehet.
A víz az ultragyenge és gyenge váltakozó elektromágneses sugárzás forrása. A legkevésbé kaotikus elektromágneses sugárzást a strukturált víz hozza létre. Ebben az esetben egy megfelelő elektromágneses tér indukciója léphet fel, amely megváltoztatja a biológiai objektumok szerkezeti és információs jellemzőit.
Az elmúlt években fontos adatok születtek a túlhűtött víz tulajdonságairól. A víz alacsony hőmérsékleten történő tanulmányozása nagyon érdekes, mivel jobban túlhűthető, mint más folyadékok. A víz kristályosodása általában bizonyos inhomogenitásokon kezdődik - akár az edény falán, akár a szilárd szennyeződések lebegő részecskéin. Ezért nem könnyű megtalálni azt a hőmérsékletet, amelyen a túlhűtött víz spontán kristályosodna. De a tudósoknak sikerült ezt megtenniük, és most az úgynevezett homogén nukleáció hőmérséklete, amikor a jégkristályok képződése egyidejűleg megy végbe a teljes térfogatban, legfeljebb 0,3 GPa nyomásról ismert, azaz lefedi a jelenléti régiókat. jég II.
A légköri nyomástól az I. és II. jeget elválasztó határig ez a hőmérséklet 231 K-ről 180 K-re csökken, majd enyhén 190 K-re emelkedik. E kritikus hőmérséklet alatt folyékony víz elvileg lehetetlen.
Jégszerkezet (jobb oldali kép)
Ezzel a hőmérséklettel azonban van egy rejtély. A nyolcvanas évek közepén felfedezték az amorf jég új változatát - a nagy sűrűségű jeget, és ez segített újjáéleszteni a víz két állapot keverékének gondolatát. Nem kristályos szerkezeteket, hanem különböző sűrűségű amorf jég szerkezeteket tekintettek prototípusnak. Ezt a koncepciót a legvilágosabb formában E.G. Poniatovsky és V.V. Sinicin, aki 1999-ben írta: „A vizet két komponens szabályos megoldásának tekintik, amelyek helyi konfigurációi megfelelnek az amorf jég rövid távú módosulási sorrendjének. Sőt, a túlhűtött vízben, nagy nyomáson, neutrondiffrakciós módszerekkel végzett rövid hatótávolságú rend vizsgálatával a tudósok megtalálhatták ezeknek a struktúráknak megfelelő komponenseket.
Az amorf jég polimorfizmusának következménye a feltételezett alacsony hőmérsékleti kritikus pont alatti hőmérsékleten a víz két egymással nem elegyedő komponensre való szétválására vonatkozó feltételezésekhez is vezetett. Sajnos a kutatók szerint ez a hőmérséklet 0,017 GPa nyomáson 230 K-vel egyenlő - a gócképződési hőmérséklet alatt, így a folyékony víz rétegződését még senkinek nem sikerült megfigyelnie. Így a kétállapotú modell újjáéledése felvetette a folyékony vízben a hidrogénkötések hálózatának heterogenitásának kérdését. Ez a heterogenitás csak számítógépes modellezéssel érthető meg.
A víz kristályos szerkezetéről szólva meg kell jegyezni, hogy a jégnek 14 módosulata ismert, amelyek többsége nem található meg a természetben, amelyben a vízmolekulák megőrzik egyéniségüket és hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Másrészt a klatrát-hidrátok hidrogénkötési hálózatának számos változata létezik. E hálózatok (nagynyomású jegek és klatrát-hidrátok) energiái nem sokkal nagyobbak, mint a köbös és hatszögletű jégkék energiái. Ezért az ilyen szerkezetek töredékei a folyékony vízben is megjelenhetnek. Számtalan különböző, nem periodikus töredéket lehet létrehozni, amelyek molekuláinak négy legközelebbi szomszédja van, amelyek megközelítőleg a tetraéder csúcsaiban helyezkednek el, de szerkezetük nem felel meg a jég ismert módosulatainak szerkezetének. Amint azt számos számítás kimutatta, az ilyen fragmentumokban lévő molekulák kölcsönhatási energiái közel lesznek egymáshoz, és nincs okunk azt állítani, hogy a folyékony vízben bármilyen struktúra érvényesüljön.
A víz szerkezeti vizsgálata különböző módszerekkel tanulmányozható; proton mágneses rezonancia spektroszkópia, infravörös spektroszkópia, röntgendiffrakció stb. Sokszor tanulmányozták például a röntgensugárzás és a neutronok vízben való diffrakcióját. Ezek a kísérletek azonban nem tudnak részletes információt adni a szerkezetről. A különböző sűrűségű inhomogenitásokat a röntgensugárzás és a neutronok kis szögben történő szóródásával lehet látni, de az ilyen inhomogenitásoknak nagynak kell lenniük, több száz vízmolekulából állhatnak. A fényszóródást tanulmányozva meg lehetne őket látni. A víz azonban rendkívül átlátszó folyadék. A diffrakciós kísérletek egyetlen eredménye a radiális eloszlásfüggvény, vagyis az oxigén, a hidrogén és az oxigén-hidrogén atomok távolsága. Tisztán látszik belőlük, hogy a vízmolekulák elrendezésében nincs hosszú távú rend. Ezek a funkciók sokkal gyorsabban bomlanak le víznél, mint a legtöbb más folyadéknál. Például az oxigénatomok közötti távolságok eloszlása szobahőmérséklethez közeli hőmérsékleten csak három maximumot ad, 2,8, 4,5 és 6,7 Å-nél. Az első maximum a legközelebbi szomszédok távolságának felel meg, értéke pedig megközelítőleg megegyezik a hidrogénkötés hosszával. A második maximum közel van a tetraéder élének átlagos hosszához – ne feledjük, hogy a hatszögletű jégben a vízmolekulák a központi molekula körül leírt tetraéder csúcsai mentén helyezkednek el. A harmadik maximum pedig, nagyon gyengén kifejezve, a hidrogénhálózat harmadik és távolabbi szomszédaitól való távolságnak felel meg. Ez a maximum önmagában nem túl fényes, és további csúcsokról nem is kell beszélni. Voltak kísérletek részletesebb információk beszerzésére ezekből a disztribúciókból. Tehát 1969-ben I.S. Andrianov és I.Z. Fisher a nyolcadik szomszédig talált távolságot, míg az ötödik szomszédig 3 Å, a hatodikig pedig 3,1 Å lett. Ez lehetővé teszi a vízmolekulák távoli környezetére vonatkozó adatok beszerzését.
Egy másik módszer a szerkezet tanulmányozására, a neutron diffrakció vízkristályokon, pontosan ugyanúgy történik, mint a röntgendiffrakció. Az izomorf szubsztitúciós módszer azonban elfogadhatatlan, mivel a neutronszórási hosszok nem térnek el annyira az egyes atomok között. A gyakorlatban általában olyan kristállyal dolgoznak, amelynek molekulaszerkezetét más módszerekkel már megközelítőleg meghatározták. A neutron diffrakciós intenzitását ezután megmérjük ennél a kristálynál. Ezen eredmények alapján Fourier-transzformációt hajtanak végre, amely során a mért neutronintenzitásokat és fázisokat használják fel, a nem hidrogénatomok figyelembevételével számolva, pl. oxigénatomok, amelyek helyzete a szerkezetmodellben ismert. Ekkor az így kapott Fourier-térképen a hidrogén és a deutérium atomok sokkal nagyobb súllyal vannak ábrázolva, mint az elektronsűrűség térképen, mert ezeknek az atomoknak a hozzájárulása a neutronszóráshoz igen nagy. Ezzel a sűrűségtérképpel meghatározhatja például a hidrogénatomok (negatív sűrűség) és a deutérium (pozitív sűrűség) helyzetét.
Ennek a módszernek egy változata lehetséges, ami abból áll, hogy a vízben képződött kristályt a mérés előtt nehézvízben tartják. Ebben az esetben a neutrondiffrakció nemcsak annak meghatározását teszi lehetővé, hogy hol helyezkednek el a hidrogénatomok, hanem azonosítja azokat is, amelyek deutériumra cserélhetők, ami különösen fontos az izotóp (H-D) csere vizsgálatakor. Az ilyen információk segítenek megerősíteni, hogy a szerkezetet helyesen hozták létre.
Más módszerek is lehetővé teszik a vízmolekulák dinamikájának tanulmányozását. Ide tartoznak a kvázi elasztikus neutronszórásos kísérletek, az ultragyors IR spektroszkópia, valamint a vízdiffúzió tanulmányozása NMR vagy jelölt deutérium atomok segítségével. Az NMR-spektroszkópiai módszer azon a tényen alapul, hogy a hidrogénatom atommagjának mágneses momentuma van - spin, amely kölcsönhatásba lép a mágneses mezőkkel, állandó és változó. Az NMR spektrumból meg lehet ítélni, hogy ezek az atomok és magok milyen környezetben helyezkednek el, így információt kaphatunk a molekula szerkezetéről.
A vízkristályok kvázi elasztikus neutronszórásával kapcsolatos kísérletek eredményeként megmértük a legfontosabb paramétert - az öndiffúziós együtthatót különböző nyomásokon és hőmérsékleteken. Az öndiffúziós együttható kvázielasztikus neutronszórásból való megítéléséhez szükséges a molekulamozgás természetére vonatkozó feltételezés. Ha a Ya.I. modelljének megfelelően mozognak. Frenkel (híres orosz elméleti fizikus, a „Kinetic Theory of Liquids” szerzője – egy klasszikus könyv, amelyet sok nyelvre lefordítottak), más néven „ugrás-várás” modellnek, majd a „letelepedett” élettartamnak (ugrások közötti időnek) is nevezik. A molekula 3,2 pikoszekundumos. A femtoszekundumos lézerspektroszkópia legújabb módszerei lehetővé tették a megszakadt hidrogénkötés élettartamának becslését: egy protonnak 200 fs szükséges ahhoz, hogy partnert találjon. Ezek azonban mind átlagos értékek. A vízmolekulák szerkezetének és mozgásának részleteit csak számítógépes szimuláció segítségével lehet tanulmányozni, amelyet néha numerikus kísérletnek is neveznek.
Így néz ki a víz szerkezete a számítógépes modellezés eredményei alapján (G. G. Malenkov, a kémiai tudományok doktora szerint). Az általános rendezetlen szerkezet kétféle régióra osztható (sötét és világos golyók), amelyek szerkezetükben különböznek, például a Voronoi poliéder térfogatában (a), a közvetlen környezet tetraéderességi fokában ( b), a potenciális energia értéke (c), valamint minden molekulában négy hidrogénkötés jelenlétében (d). Ezek a területek azonban szó szerint egy pillanat alatt, néhány pikoszekundum után megváltoztatják a helyüket.
A szimulációt így hajtják végre. A jégszerkezetet felvesszük és addig melegítjük, amíg el nem olvad. Majd egy idő után, amíg a víz „elfelejti” kristályos eredetét, azonnali mikrofotók készülnek.
A víz szerkezetének elemzéséhez három paramétert választanak ki:
- a molekula lokális környezetének a szabályos tetraéder csúcsaitól való eltérésének mértéke;
-molekulák potenciális energiája;
-az úgynevezett Voronoi poliéder térfogata.
Ennek a poliédernek a megszerkesztéséhez vegyünk egy élt egy adott molekulától a legközelebbihez, osszuk ketté, és rajzoljunk egy síkot ezen a ponton keresztül merőlegesen az élre. Ez adja a molekulánkénti térfogatot. A poliéder térfogata a sűrűsége, a tetraéderesség a hidrogénkötések torzulási foka, az energia a molekulakonfiguráció stabilitásának foka. Az egyes paraméterek hasonló értékével rendelkező molekulák általában külön klaszterekbe csoportosulnak. Mind az alacsony, mind a nagy sűrűségű régiók eltérő energiaértékkel rendelkeznek, de ugyanazok az energiaértékek is lehetnek. Kísérletek kimutatták, hogy a különböző szerkezetű területek, klaszterek spontán keletkeznek és spontán szétesnek. A víz teljes szerkezete élő és folyamatosan változik, és az idő, amely alatt ezek a változások bekövetkeznek, nagyon rövid. A kutatók figyelemmel kísérték a molekulák mozgását, és megállapították, hogy szabálytalan rezgéseket hajtanak végre körülbelül 0,5 ps frekvenciával és 1 angström amplitúdóval. Ritka, lassú, pikoszekundumig tartó angströmugrásokat is megfigyeltek. Általában 30 ps-ben egy molekula 8-10 angströmet képes mozgatni. A helyi környezet élettartama is rövid. A Voronoi-poliéder hasonló térfogatú molekuláiból álló régiók 0,5 ps alatt bomlhatnak le, vagy több pikoszekundumig is élhetnek. De a hidrogénkötések élettartamának eloszlása nagyon nagy. De ez az idő nem haladja meg a 40 ps-t, és az átlagos érték több ps.
Végezetül hangsúlyozni kell, hogy A víz klaszterszerkezetének elmélete számos buktatót rejt magában. Például Zenin azt sugallja, hogy a víz fő szerkezeti eleme egy 57 molekulából álló klaszter, amely négy dodekaéder fúziójával jön létre. Közös arcuk van, középpontjuk szabályos tetraédert alkot. Régóta ismert, hogy a vízmolekulák egy ötszögletű dodekaéder csúcsaiban is elhelyezkedhetnek; egy ilyen dodekaéder a gázhidrátok alapja. Ezért nincs semmi meglepő abban a feltételezésben, hogy ilyen struktúrák léteznek a vízben, bár már elhangzott, hogy egyetlen konkrét struktúra sem lehet uralkodó és hosszú ideig létezhet. Ezért furcsa, hogy ezt az elemet feltételezik a fő elemnek, és pontosan 57 molekulát tartalmaz. Golyókból például összeállíthatja ugyanazokat a struktúrákat, amelyek egymás melletti dodekaéderekből állnak, és 200 molekulát tartalmaznak. Zenin azt állítja, hogy a víz háromdimenziós polimerizációjának folyamata 57 molekulánál megáll. Véleménye szerint ne legyenek nagyobb munkatársak. Ha azonban ez így lenne, a hatszögletű jégkristályok, amelyek hatalmas számú molekulát tartalmaznak, amelyek hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, nem csapódhatnának ki vízgőzből. Teljesen homályos, hogy a Zenin-klaszter növekedése miért állt meg 57 molekulánál. Az ellentmondások elkerülése érdekében a Zenin a klasztereket bonyolultabb képződményekbe - romboéderekbe - csomagolja csaknem ezer molekulából, és az eredeti klaszterek nem képeznek hidrogénkötést egymással. Miért? Miben különböznek a felületükön lévő molekulák a benne lévőktől? Zenin szerint a hidroxilcsoportok mintázata a romboéderek felszínén biztosítja a víz emlékét. Következésképpen ezekben a nagy komplexekben a vízmolekulák mereven rögzítettek, maguk a komplexek pedig szilárd anyagok. Az ilyen víz nem fog folyni, és az olvadáspontja, amely a molekulatömeghez kapcsolódik, nagyon magas legyen.
A víz milyen tulajdonságait magyarázza Zenin modellje? Mivel a modell tetraéderes struktúrákon alapul, többé-kevésbé konzisztens lehet a röntgen- és neutrondiffrakciós adatokkal. Nem valószínű azonban, hogy a modell megmagyarázza a sűrűség olvadás közbeni csökkenését - a dodekaéderek tömöttsége kevésbé sűrű, mint a jég. A modellt azonban a legnehezebb összeegyeztetni a dinamikus tulajdonságokkal - folyékonyság, nagy öndiffúziós együttható, rövid korreláció és dielektromos relaxációs idők, amelyeket pikoszekundumban mérnek.
Ph.D. O.V. Mosin
Referenciák:
G.G. Malenkov. Haladás a fizikai kémiában, 2001
S.V.Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Vízfrakciók jelenlétének kísérleti bizonyítása. G. Homeopátiás gyógyászat és akupunktúra. 1997.No.2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. A vízmolekulák társult elemeinek szerkezetének hidrofób modellje. J. Fizikai Kémia 1994. T. 68. No. 4. P. 636-641.
S.V. Zenin A víz szerkezetének vizsgálata proton mágneses rezonancia módszerrel. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
Sz.V.Zenin, B.V.Tjaglov. A hidrofób kölcsönhatás természete. Orientációs mezők kialakulása vizes oldatokban. J. Fizikai Kémia 1994. T. 68. No. 3. P. 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Szergejev, Z.A. Shabarova. Nukleotimidek intramolekuláris kölcsönhatásainak vizsgálata NMR segítségével. A 2. Összszövetségi Konf. anyagai. Dinamikusan Sztereokémia. Odessza.1975.53.o.
S.V. Zenin. A víz strukturált állapota, mint az élő rendszerek viselkedésének és biztonságának szabályozásának alapja. Tézis. A biológiai tudományok doktora. Állami Tudományos Központ "Orvosi és Biológiai Problémák Intézete" (SSC "IMBP"). Védett 1999. 05. 27. ETO 577.32:57.089.001.66.207 p.
AZ ÉS. Slesarev. Kutatási előrehaladási jelentés
A Mayer-sejt feladata a vízmolekulák „könnyű” lebontása elektromágneses sugárzással kísért elektromos áram hatására.
A megoldáshoz találjuk ki, mi az a víz? Mi a vízmolekulák szerkezete? Mit tudunk a vízmolekulákról és kötéseikről? A cikkben különféle, az interneten elegendő mennyiségben elérhető publikációkat használtam fel, de ezeket nagy mennyiségben reprodukálják, így számomra nem világos, hogy ki a szerzőjük, és részemről hülyeség a forrásra hivatkozni. Ráadásul ezek a kiadványok szégyenig „összezavartak”, ami megnehezíti a megértést és jelentősen megnöveli a tanulási időt. A cikkek elemzésével kivontam valamit, ami segíthet megérteni, mivel fogunk foglalkozni az olcsó energia kinyerésének folyamatában, pontosabban a vízmolekulák komponensekre - hidrogénre és oxigénre - bontásának folyamatában.
Nézzük tehát a vízmolekulák szerkezetével kapcsolatos legfontosabb fogalmakat!
A víz olyan anyag, amelynek fő szerkezeti egysége a H 2 O molekula, amely egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll.
A vízmolekula egy egyenlő szárú háromszög szerkezetű: ennek a háromszögnek a tetején egy oxigénatom, az alján pedig két hidrogénatom található. A csúcsszög 104°27, az oldalhossz 0,096 nm. Ezek a paraméterek egy vízmolekula hipotetikus egyensúlyi állapotára utalnak rezgései és forgásai nélkül. A vízmolekula geometriája és elektronpályái az ábrán láthatók.
A vízmolekula egy dipólus, amelynek pólusai pozitív és negatív töltéseket tartalmaznak. Ha egy „szabad” vízmolekulát, amely nem kapcsolódik más molekulákhoz, elektromos térbe helyezünk, akkor negatív pólusaival az elektromos tér pozitív lemeze felé, pozitív pólusaival a negatív lemez felé „fordul”. Ezt a folyamatot mutatja be az 1. ábra 3B pozíciója, amely elmagyarázza a Mayer-cella működését a „Víz helyett benzin” cikkben.
Ha a pozitív és negatív töltések epicentrumait egyenes vonalakkal köti össze, háromdimenziós geometriai alakzatot kap - egy szabályos tetraédert. Ez magának a vízmolekulának a szerkezete.
A hidrogénkötések jelenléte miatt minden vízmolekula hidrogénkötést hoz létre 4 szomszédos molekulával, áttört hálókeretet képezve a jégmolekulában. A vízmolekulák ezt a rendezett állapotát nevezhetjük „szerkezetnek”. Mindegyik molekula egyidejűleg négy hidrogénkötést tud kialakítani más molekulákkal, szigorúan meghatározott, 109°28′-nak megfelelő szögekben, amelyek a tetraéder csúcsai felé irányulnak, ami nem teszi lehetővé sűrű szerkezet kialakítását fagyás közben.
A jég olvadásakor tetragonális szerkezete felbomlik, és polimerek keveréke keletkezik, amely víz és szabad vízmolekulák tri-, tetra-, penta- és hexamereiből áll.
Folyékony állapotban a víz rendezetlen folyadék. Ezek a hidrogénkötések spontánok, rövid életűek, gyorsan felszakadnak és újra kialakulnak.
Csoportosításkor a vízmolekulák tetraéderei sokféle térbeli és síkbeli struktúrát alkotnak.
És a természet sokféle szerkezete közül az alap a hatszögletű (hatoldalú) szerkezet, amikor hat vízmolekula (tetraéder) egyesül egy gyűrűvé.
Ez a fajta szerkezet a jégre, hóra és olvadékvízre jellemző, amelyet egy ilyen szerkezet jelenléte miatt „strukturált víznek” neveznek. Sokat írtak már a strukturált víz jótékony tulajdonságairól, de cikkünknek nem ez a témája. Logikus lenne, hogy a hatszögletű szerkezeteket alkotó strukturált víz a víz szerkezetének legrosszabb megoldása, amely hidrogénre és oxigénre bontható. Hadd magyarázzam el, miért: A hat hexamerbe csoportosított vízmolekulák elektromosan semleges összetételűek – a hexamereknek nincs pozitív és negatív pólusa. Ha egy strukturált víz hexamerjét elektromos térbe helyezzük, az semmilyen módon nem reagál rá. Ezért logikusan levonható az a következtetés, hogy szükséges, hogy a víznek minél kevesebb szervezett szerkezete legyen. Valójában ez fordítva van: a hexamer nem egy teljes szerkezet, van egy még érdekesebb fogalom - a klaszter.
Az egyesített vízmolekulák szerkezetét klasztereknek, az egyes vízmolekulákat kvantumoknak nevezzük. A klaszter vízmolekulák, köztük hexamerek térfogati kombinációja, amelynek pozitív és negatív pólusai is vannak.
A desztillált vízben a klaszterek gyakorlatilag elektromosan semlegesek, mert a párolgás következtében a klaszterek tönkrementek, és a kondenzáció következtében nem alakultak ki erős kötések a vízmolekulák között. Az elektromos vezetőképességük azonban megváltoztatható. Ha a desztillált vizet mágneses keverővel keverjük, akkor a klaszterek elemei közötti kapcsolatok részben helyreállnak és a víz elektromos vezetőképessége megváltozik. Más szavakkal, A desztillált víz olyan víz, amelynek molekulái között minimális számú kötés van . Ebben a molekulák dipólusai téves állapotban vannak, ezért a desztillált víz dielektromos állandója nagyon magas, és rossz elektromos áramvezető. Ugyanakkor a vízklaszterek szabályozhatóságának növelése érdekében savakat vagy lúgokat adnak hozzá, amelyek molekuláris kötésekben való részvételükkel nem teszik lehetővé, hogy a vízmolekulák hatszögletű szerkezeteket alkossanak, ezáltal elektrolitokat képezzenek. A desztillált víz a strukturált víz ellentéte, amelyben a vízmolekulák között nagyszámú kapcsolat van klaszterekben.
Weboldalamon vannak és továbbra is megjelennek olyan cikkek, amelyek első ránézésre „különállóak”, és nincs összefüggésben más cikkekkel. Valójában a webhelyen található cikkek többsége egyetlen egésszé kapcsolódik. Ebben az esetben a desztillált víz tulajdonságainak leírásánál az elektromos áram dipóluselméletét használom, ez az elektromos áram alternatív fogalma, amit a tudomány és a gyakorlat is jobban igazol, mint a klasszikus koncepció.
Amikor elektromos áramforrás energiájának van kitéve, a vízatomok összes dipólusa (mint vezető) forog, hasonló pólusaikkal egy irányba orientálva. Ha a vízmolekulák a külső elektromos tér megjelenése előtt klaszteres (kölcsönösen orientált) struktúrát hoztak létre, akkor a külső elektromos térben történő orientációhoz minimális mennyiségű elektromos áramforrásból származó energiára lesz szükség. Ha a szerkezet nem volt szervezett (például desztillált víz), akkor nagy mennyiségű energiára lesz szükség.
Kérjük, vegye figyelembe, hogy „elterjedt az a vélemény”, hogy a desztillált víznek és az olvadékvíznek azonos elektromos vezetőképességgel kell rendelkeznie, mivel egyikben és a másikban sem találhatók kémiai szennyeződések (általában sók), a kémiai összetételük azonos és A vízmolekulák azonosak olvadt vízben, de desztillált vízben is.
Valójában minden fordítva néz ki, a szennyeződések hiánya egyáltalán nem jelzi a víz elektromos vezetőképességét. Anélkül, hogy ezt megértenék, egyesek „megölik” az akkumulátorokat még akkor is, amikor elektrolittal töltik fel, desztillált vizet olvadt vízzel helyettesítenek, vagy egyszerűen szénszűrőn keresztül tisztítják. Általános szabály, hogy az autópiacon vásárolt újratöltött akkumulátor kevesebb ideig bírja, mint az, amelyet szárazon töltve és desztillált vízzel kénsavval hígítva vásárolt, és saját maga töltötte fel. Ez már csak azért van így, mert a „kész” elektrolit, vagy a feltöltött akkumulátor korunk pénzkereseti eszköze, és annak megállapításához, hogy milyen vizet használtak, drága vizsgálatot kell végezni, ezzel senki nem foglalkozik. . A kereskedőt nem érdekli, mennyi ideig bírja az akkumulátor az autóban, és nem is nagyon akarsz savval vacakolni. De biztosíthatom önöket, hogy az akkumulátor, amely felett izzad, sokkal erősebb lesz nulla alatti hőmérsékleten, mint egy kész palackos elektrolittal töltött akkumulátor.
Folytassuk!
A vízben a klaszterek időszakosan összeomlanak és újra kialakulnak. Az ugrási idő 10-12 másodperc.
Mivel a vízmolekula szerkezete aszimmetrikus, pozitív és negatív töltésének súlypontja nem esik egybe. A molekuláknak két pólusa van - pozitív és negatív, amelyek, mint egy mágnes, molekuláris erőtereket hoznak létre. Az ilyen molekulákat polárisnak vagy dipólusnak nevezzük, és a polaritás mennyiségi jellemzőjét a dipólus elektromos momentuma határozza meg, amelyet a távolság szorzataként fejezünk ki. l egy molekula pozitív és negatív töltésének elektromos súlypontja között töltésenként e abszolút elektrosztatikus egységekben: p = l e
Víznél a dipólusmomentum igen nagy: p = 6,13·10 -29 C m.
A fázishatárokon (folyadék-levegő) lévő vízklaszterek egy bizonyos sorrendben vannak elrendezve, és minden klaszter azonos frekvencián rezeg, és egy közös frekvenciát vesz fel. A klaszterek ilyen mozgásánál, figyelembe véve, hogy a klaszterbe tartozó vízmolekulák polárisak, azaz nagy dipólusmomentummal rendelkeznek, elektromágneses sugárzás megjelenésére kell számítanunk. Ez a sugárzás különbözik a szabad dipólusok sugárzásától, mivel a dipólusok kapcsolódnak egymáshoz és klaszterszerkezetben oszcillálnak.
A vízhalmazok rezgésének gyakorisága és ennek megfelelően az elektromágneses rezgések frekvenciája a következő képlettel határozható meg:
Ahol a
— a víz felületi feszültsége adott hőmérsékleten; M
— a klaszter tömege.
Ahol V — klaszter térfogata.
A klaszter térfogatát a klaszter fraktál zárt szerkezetének méreteinek figyelembevételével vagy a fehérjedomén méreteivel analóg módon határozzuk meg.
Szobahőmérsékleten 18°C, a klaszter rezgési frekvenciája f
egyenlő 6,79 10 9 Hz, azaz a szabad térben lévő hullámhossznak λ
= 14,18 mm.
De mi történik, ha a víz külső elektromágneses sugárzásnak lesz kitéve? Mivel a víz egy önszerveződő szerkezet, és mind klaszterekbe rendezett elemeket, mind szabad molekulákat tartalmaz, külső elektromágneses sugárzásnak kitéve a következők fognak bekövetkezni. Amikor a vízmolekulák közelebb kerülnek (a távolság R 0 -ról R 1 -re változik), a kölcsönhatási energia nagyobb mértékben változik, mint amikor távolodnak egymástól (R 0 -ról R 2 -re változik a távolság).
De, mivel a vízmolekulák nagy dipólusmomentummal rendelkeznek, külső elektromágneses tér esetén oszcilláló mozgásokat hajtanak végre (például R 1 -ről R 2 -re). Ebben az esetben a fenti függés miatt az alkalmazott elektromágneses tér nagyobb mértékben járul hozzá a molekulák vonzásához és ezáltal a rendszer egészének szerveződéséhez, pl. hatszögletű szerkezet kialakulása.
Ha a vizes környezetben szennyeződések vannak, azokat hidratáló héjjal vonják be úgy, hogy a rendszer összenergiája a minimális értéket igyekszik felvenni. És ha a hatszögletű szerkezet teljes dipólusmomentuma nulla, akkor szennyeződések jelenlétében a közelükben lévő hatszögletű szerkezet oly módon megbomlik, hogy a rendszer bizonyos esetekben minimális értéket vesz fel, a hatszögek ötszögekké alakulnak át; a hidratáló héjnak pedig golyóhoz közeli alakja van. A szennyeződések (például Na + ionok) stabilizálhatják a szerkezetet, így ellenállóbbá teszik a pusztítással szemben.
A víz önszerveződő rendszere elektromágneses sugárzás hatására nem egységes egészként mozog, hanem a hatszögletű szerkezet minden egyes eleme, illetve lokálisan más típusú szennyeződések esetén elmozdul, pl. a szerkezet geometriája torzul, pl. feszültségek keletkeznek. A víznek ez a tulajdonsága nagyon hasonló a polimerekhez. De a polimer szerkezeteknek hosszú relaxációs ideje van, ami nem 10-11-10-12 s, hanem perc vagy több. Ezért az elektromágneses sugárzáskvantumok energiáját, amelyek torzulásai következtében egy szervezett vízszerkezet belső energiájává alakulnak, addig halmozzák, amíg el nem érik a hidrogénkötés energiáját, amely 500-1000-szer nagyobb, mint az elektromágneses energia. terület. Amikor ezt az értéket elérjük, a hidrogénkötés megszakad, és a szerkezet összeomlik.
Ez egy hólavinához hasonlítható, amikor fokozatosan, lassú tömegfelhalmozódás, majd gyors omlás következik be. A víz esetében nemcsak a klaszterek közötti gyenge kötések szakadnak meg, hanem a vízmolekulák szerkezetében lévő erősebb kötések is. E szakadás eredményeként H +, OH –, és hidratált elektron e – képződhet. A tiszta víz kék színe ezen elektronok jelenlétének köszönhető, és nem csak a természetes fény szóródásának köszönhető.
Következtetés
Így a vízzel való elektromágneses sugárzás hatására a klaszterszerkezetben egy bizonyos kritikus értékig felhalmozódik az energia, majd a klaszterek és mások közötti kötések megszakadnak, és lavinaszerű energiafelszabadulás következik be, amely aztán más típusúvá alakulhat át.
Alexander Smirnov, a kémiai tudományok kandidátusa, a MIREA professzora.
A víz titokzatos erőt kapott
Hogy legyen a földi élet leve.
Leonardo da Vinci
Rizs. 1. A víz szerkezete 20 °C hőmérsékleten O C, vízszintes méret - 400 mikron. A fehér foltok emulonok.
Rizs. 2. Vizes oldatok szerkezete 20 °C-on O C: A - desztillált víz; B - gáztalanított Borjomi ásványvíz; B - alkoholos tinktúra 70%.
Rizs. 3. Emulonok kétszer desztillált vízben 4 hőmérsékleten O C (A), 20 O S (B), 80 O C (B). A fényképek mérete 1,5 × 1,5 mm.
Rizs. 4. Az akusztikus emissziós jelek amplitúdójának és a víz hőmérsékletének változása a jégolvadás során.
Rizs. 5. Relatív hőmérsékletváltozás víz melegítésekor.
Részletek az érdeklődőknek. Kísérleti séma. Rövid időn belül 0,5 gramm víz folyt ki a pozitív elektródával (anóddal) ellátott csészéből a „hídon”.
Körülbelül 3 centiméter hosszú „úszó vízi híd”.
Egy villamosított üvegrúd eltorzítja a „híd” alakját, és patakokra töri.
Így nézhetnek ki az emulonok, amelyek egy szálszerű „híd” szerkezetet alkotnak.
A vizet általában egyrészt gyakorlatilag semleges oldószernek tekintik, amelyben biokémiai reakciók játszódnak le, másrészt olyan anyagnak, amely különféle anyagokat szállít az élő szervezetek testében. Ugyanakkor a víz minden fiziko-kémiai folyamat nélkülözhetetlen résztvevője, és óriási jelentősége miatt a legtöbbet vizsgált anyag. A víz tulajdonságainak vizsgálata nem egyszer váratlan eredményekre vezetett. Úgy tűnik, milyen meglepetésekkel járhat a hidrogénoxidáció 2H 2 + O 2 → 2H 2 O egyszerű reakciója? De N. N. Semenov akadémikus munkája azt mutatta, hogy ez a reakció elágazó, lánc. Ez több mint hetven éve történt, és még nem tudtak az uránhasadás láncreakciójáról. Egy pohárban, folyóban vagy tóban a víz nemcsak hatalmas mennyiségű egyedi molekula, hanem ezek asszociációi, szupramolekuláris struktúrái - klaszterei. A víz szerkezetének leírására számos modellt javasoltak, amelyek többé-kevésbé helyesen magyarázzák csak néhány tulajdonságát, míg másokkal kapcsolatban ellentmondanak a kísérletnek.
elméletileg a klasztereket általában csak több száz molekulára vagy a határfelülethez közeli rétegekre számítják. Számos kísérleti tény azonban arra utal, hogy óriási, molekulaméretű struktúrák létezhetnek a vízben (E. E. Fesenko, az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagjának munkái).
Gondosan tisztított kétszer desztillált vízben és egyes oldatokban öt, 1-100 mikron méretű frakcióból álló szerkezeti képződményeket tudtunk detektálni akusztikus emisszió segítségével és lézeres interferometriával vizualizálni. A kísérletek lehetővé tették annak megállapítását, hogy minden megoldásnak megvan a saját, rájuk jellemző szerkezete (1., 2. ábra).
A szupramolekuláris komplexeket több százezer vízmolekula alkotja, amelyek hidrogén- és hidroxil-ionok köré csoportosulnak ionpárok formájában. Javasoljuk az „emulonok” elnevezést ezekre a szupramolekuláris komplexekre, hogy kiemeljük az emulziót alkotó részecskékkel való hasonlóságukat. A komplexek 1-100 µm méretű egyedi frakciókból állnak, a 30, 70 és 100 µm méretű frakciók pedig lényegesen nagyobbak a többinél.
Az egyes emulonfrakciók tartalma függ a hidrogénionok koncentrációjától, a hőmérséklettől, az oldatkoncentrációtól és a minta történetétől (3. ábra). A 4 o C-os, kétszer desztillált vízben a komplexek sűrűn tömörülnek és parkettara emlékeztető textúrát alkotnak. Mint tudják, a víznek ezen a hőmérsékleten van a legnagyobb sűrűsége. Amikor a hőmérséklet 20 o C-ra emelkedik, jelentős változások következnek be a víz szerkezetében: a szabad emulonok mennyisége a legnagyobb. További melegítéssel fokozatosan összeomlanak, számuk csökken, és ez a folyamat alapvetően 75 o C-on ér véget, amikor a vízben a hangsebesség eléri a maximumot.
Az elektrosztatikus erők nagy hatótávolságú hatása miatt a vízben lévő emulonok meglehetősen stabil szuperrácsot képeznek, amely azonban érzékeny az elektromágneses, akusztikus, termikus és egyéb külső hatásokra.
A felfedezett szupramolekuláris komplexek következetesen tartalmazzák az összes korábban megszerzett információt a víz nanotérfogatokban való szerveződéséről, és lehetővé teszik számos olyan kísérleti tény megmagyarázását, amelyeknek nem volt koherens, logikus indoklása. Ezek közé tartozik például egy „úszó vízi híd” kialakítása, amelyet számos mű ismertet.
A kísérlet lényege, hogy ha egymás mellé helyezünk két kis, vízzel ellátott főzőpoharat, és ezekbe platina elektródákat eresztünk le állandó 15-30 kV feszültség alatt, akkor egy 3 mm átmérőjű és felfelé hosszúságú vízhíd. 25 mm-ig képződik az erek között. A „híd” hosszú ideig lebeg, réteges szerkezetű, és az anódról a katódra halad át a víz. Ez a jelenség és minden tulajdonsága annak a következménye, hogy a vízben emulonok vannak, amelyek látszólag dipólusmomentummal rendelkeznek. A jelenségnek még egy tulajdonsága megjósolható: 75 o C feletti vízhőmérsékletnél nem jelenik meg „híd”.
Az olvadékvíz rendellenes tulajdonságai is könnyen megmagyarázhatók. Amint azt a szakirodalom megjegyzi, az olvadékvíz számos tulajdonsága - sűrűség, viszkozitás, elektromos vezetőképesség, törésmutató, oldóképesség és mások - eltér az egyensúlyi paraméterektől. Ezeket a hatásokat a deutériumnak a vízből fázisátalakulás következtében történő eltávolítására redukálni (a „nehézjég” olvadáspontja D 2 O 3,82 o C) tarthatatlan, mivel a deutérium koncentrációja rendkívül jelentéktelen - egy deutérium atom 5-5-ben. 7 ezer hidrogénatom.
A jégolvadás akusztikus emissziós módszerrel történő vizsgálata először tette lehetővé annak megállapítását, hogy a jég teljes olvadása után a metastabil állapotban lévő olvadékvíz akusztikus impulzusok forrásává válik, amely kísérleti igazolásul szolgál szupramolekuláris komplexek képződése vízben (4. ábra).
A kísérletek azt mutatják, hogy az olvadékvíz közel 17 órán át aktív metastabil állapotban lehet (a jég olvadása után mikrokristályai csak a másodperc töredékéig maradnak fenn, és egyáltalán nem határozzák meg az olvadékvíz tulajdonságait). Ezt a rejtélyes jelenséget az magyarázza, hogy amikor a jég hatszögletű kristályrácsa megsemmisül, az anyag szerkezete drámaian megváltozik. A jégkristályok gyorsabban pusztulnak el, mint ahogy a belőlük képződött víz stabil egyensúlyi állapotba kerül.
A jég↔víz fázisátalakulás egyedisége abban rejlik, hogy az olvadékvízben a hidrogénionok H + és hidroxil OH – koncentrációja rövid ideig nem egyensúlyban marad, mint a jégben, vagyis ezerszer kisebb. mint a közönséges vízben. Egy idő után a H + és OH – ionok koncentrációja a vízben felveszi egyensúlyi értékét. Mivel a hidrogén- és hidroxil-ionok döntő szerepet játszanak a víz szupramolekuláris komplexeinek (emulonok) képződésében, a víz egy ideig metastabil állapotban marad. H 2 O → H + + OH – disszociációjának reakciója jelentős energiaráfordítást igényel, és nagyon lassan megy végbe. Ennek a reakciónak a sebességi állandója mindössze 2,5∙10 –5 s –1 20 o C-on. Ezért elméletileg 10-17 óra kell, hogy az olvadékvíz egyensúlyba kerüljön, ami a gyakorlatban is megfigyelhető. Az olvadékvíz hidrogénion-koncentrációjának időbeli változásának dinamikájának vizsgálatai ezt igazolják. Az olvadékvíz szokatlan tulajdonságai miatt a víz „memóriájáról” beszélhetünk. De a víz „emlékezetén” úgy kell érteni, mint a víz tulajdonságainak az őstörténettől való függőségét, és semmi mást. Különböző módokon - fagyasztás, melegítés, forralás, ultrahangos kezelés, különféle mezőknek való kitettség stb. - lehetséges a víz metastabil állapotba hozása, de az instabil lesz, és nem tartja meg sokáig tulajdonságait. Optikai módszerrel az olvadékvízben az 1-3 mikron méretű szupramolekuláris képződmények egyetlen frakciójának jelenlétét fedeztük fel. Lehetséges, hogy az emulonok alacsonyabb viszkozitása és ritkább térbeli hálózata az olvadékvízben növeli az oldhatóságot és a diffúziós sebességet.
Az emulonok létezésének valóságát a klasszikus termikus analízis módszere is megerősíti (5. ábra). A grafikon világosan meghatározott csúcsokat mutat, jelezve a víz szerkezeti változásait. A legjelentősebbek a 36 o C - a minimális hőkapacitás hőmérsékletének, a 63 o C - a minimális összenyomhatóság hőmérsékletének felelnek meg, és különösen jellemző csúcs a 75 o C - a vízben a maximális hangsebesség hőmérséklete. Ezeket az emulonok pusztulásával összefüggő sajátos fázisátalakulásokként értelmezhetjük. Ebből arra következtethetünk: a folyékony víz egy nagyon egyedi szórt rendszer, amely legalább öt különböző tulajdonságú szerkezeti képződményt foglal magában. Mindegyik szerkezet egy bizonyos, jellemző hőmérsékleti tartományban létezik. Az adott szerkezetre kritikus küszöbszint feletti hőmérséklet túllépése annak széteséséhez vezet.
Irodalom
Zatsepina G. L. A víz fizikai tulajdonságai és szerkezete. - M.: Moszkvai Egyetemi Kiadó. - 1998. - 185 p.
Kuznetsov D.M., Gaponov V.L., Smirnov A.N. A fázisátalakulások kinetikájának tanulmányozása folyékony közegben akusztikus emissziós módszerrel // Mérnöki fizika, 2008, 1. sz. 16-20.
Kuznetsov D.M., Smirnov A.N., Syroeshkin A.V. Akusztikus emisszió fázisátalakítások során vizes környezetben // Russian Chemical Journal - M.: Ros. chem. róluk D.I. Mendeleeva, 2008, 52. vers, 1. o. 114-121.
Smirnov A. N. A víz szerkezete: új kísérleti adatok. // Tudomány és technológia az iparban, 2010, 4. sz., p. 41-45.
Smirnov A. N. Akusztikus emisszió kémiai reakciók és fizikai és kémiai folyamatok során // Russian Chemical Journal. - M.: Ros. chem. róluk D.I. Mendeleeva, 2001, 45. o. 29-34.
Smirnov A. N., Syroeshkin A. V. A víz szupernadmolekuláris komplexei // Russian Chemical Journal. - M.: Ros. chem. róluk D. I. Mendeleeva, 2004, 48. v., 2. sz. 125-135.
Részletek a kíváncsiskodóknak
Hogyan jelenik meg a „híd”?
A „vízhíd” kialakulását Elmar Fuchs holland fizikus és munkatársai írják le.
A platinaelektródákat két kis edénybe merítik, a közelben álló vízzel, és állandó 15-20 kV feszültséget kapcsolnak rájuk. A fényképeken jól látható, hogy először az anódüvegben, majd a katódüvegben kiemelkedések jelennek meg a víz felszínén, amelyek összeolvadnak, kör alakú, 2-4 mm átmérőjű vízhidat alkotva a tartályok között. Ezt követően a poharak 20-25 mm-rel elmozdíthatók egymástól. A híd meglehetősen régóta létezik, „úszó vízi hidat” alkotva. A „híd” mentén folyik a víz. A „híd” végei ellentétes töltésűek, így a tartályokban lévő víz különböző pH-értéket kap: 9 és 4. A „híd” vékony patakokból áll; ha egy feltöltött üvegrudat hozzák, több karra szakad. A magas szintű kísérleti technológia lehetővé tette a gömb alakú képződmények mozgásának rögzítését a „vízhíd” felszínén.
A víz három halmazállapotú lehet - gáznemű, folyékony és szilárd. Ezen állapotok mindegyikében a víz szerkezete nem azonos. A benne lévő anyagok összetételétől függően a víz új tulajdonságokat szerez. A víz szilárd halmazállapota is legalább kétféle lehet: kristályos - jég és nem kristályos - üveges, amorf (üveges állapot). Gyorsfagyasztáskor például folyékony nitrogénnel a molekuláknak nincs idejük kristályrácsot kialakítani, és a víz szilárd üveges állapotba kerül. A víznek ez a tulajdonsága teszi lehetővé, hogy az élő szervezetek, például az egysejtű algák, a két sejtrétegből álló Mnium moha levelei károsodás nélkül megfagyjanak. A kristályos víz képződésével járó fagyás sejtkárosodáshoz vezet.
A víz kristályos állapotát sokféle forma jellemzi. Régóta megfigyelték, hogy a víz kristályos szerkezete radioláriára, páfránylevelekre és cisztákra emlékeztet. Ebből az alkalomból A. A. Lyubishchev azt javasolta, hogy a kristályosodás törvényei némileg hasonlóak az élő struktúrák kialakulásának törvényeihez.
A víz fizikai tulajdonságai. A víz a legrendellenesebb anyag, bár más anyagok esetében ezt tekintik a sűrűség és a térfogat standard mértékének.
Sűrűség. Minden anyag térfogata nő hevítéskor, miközben csökken a sűrűsége. Azonban 0,1013 MPa (1 atm.) nyomáson vízben a 0 és 4 0 C közötti tartományban a hőmérséklet emelkedésével a térfogat csökken és a maximális sűrűség figyelhető meg (ezen a hőmérsékleten 1 cm 3 víz 1 g tömegű). Fagyáskor a víz térfogata meredeken, 11%-kal növekszik, és amikor a jég 0°C-on elolvad, szintén meredeken csökken. A nyomás növekedésével a víz fagyáspontja 13,17 MPa-ként (130 atm.) 1 0 C-kal csökken. Ezért nagy mélységben, nulla alatti hőmérsékleten az óceánban lévő víz nem fagy meg. Ha a hőmérséklet 100 0 C-ra emelkedik, a folyékony víz sűrűsége 4% -kal csökken (4 ° C-on a sűrűsége 1).
Forrás- és fagypont (olvadás). 0,1013 MPa (1 atm.) nyomáson a víz fagyás- és forráspontja 0 °C és 100 °C, ami élesen megkülönbözteti a H20-t a Mengyelejev periódusos rendszer VI. csoportjába tartozó hidrogénvegyületektől. A H2Te, H2Se, H2S stb sorozatban. A relatív molekulatömeg növekedésével ezen anyagok forráspontja és fagyáspontja növekszik. Ha ezt a szabályt betartanák, a víz fagyáspontjának -90 és -120 °C között, forráspontjának pedig 75 és 100 °C között kell lennie. A nyomás növekedésével a víz forráspontja növekszik, a fagyáspontja (olvadáspontja) csökken (1. melléklet).
Az egyesülés hője. A jég látens olvadási hője nagyon magas - körülbelül 335 J/g (vasnál - 25, kénnél - 40). Ez a tulajdonság például abban nyilvánul meg, hogy a normál nyomású jég hőmérséklete -1 és -7 °C között lehet. A víz látens párolgáshője (2,3 kJ/g) csaknem hétszer nagyobb, mint a látens olvadási hő.
Hőkapacitás. A víz hőkapacitása (azaz a hőmérséklet 1 °C-os emeléséhez szükséges hőmennyiség) 5-30-szor nagyobb, mint más anyagoké. Csak a hidrogénnek és az ammóniának van nagyobb hőkapacitása. Ezenkívül csak a folyékony víznek és a higanynak van fajlagos hőkapacitása, amely a hőmérséklet 0-ról 35 °C-ra emelkedésével csökken (majd növekedni kezd). A víz 16°C-os fajlagos hőkapacitását hagyományosan egységnek tekintik, amely más anyagok standardja. Mivel a homok hőkapacitása 5-ször kisebb, mint a folyékony vízé, ezért ugyanolyan napmelegítés mellett a tározóban lévő víz 5-ször kevésbé melegszik fel, mint a parton lévő homok, de ugyanannyiszor tovább tartja a hőt. A víz nagy hőkapacitása megvédi a növényeket a magas levegőhőmérséklet hirtelen hőmérséklet-emelkedésétől, a párolgás magas hője pedig részt vesz a növények hőszabályozásában.
A magas olvadás- és forráspont, valamint a nagy hőkapacitás erős vonzást jelez a szomszédos molekulák között, aminek következtében a folyékony víz magas belső kohézióval rendelkezik.
Víz, mint oldószer. A vízmolekula polaritása határozza meg, hogy más folyadékoknál jobban képes oldani az anyagokat. A szervetlen sók kristályainak feloldása az őket alkotó ionok hidratációja miatt történik. A szerves anyagok, köztük a karboxil és a hidroxil, nagyon jól oldódnak vízben. Karbonilcsoport és más csoportok, amelyekkel a víz hidrogénkötést képez. (ad. 1)
A növényben lévő víz szabad és kötött állapotban egyaránt megtalálható (2. melléklet). A szabad víz mozgékony, a tiszta víz szinte összes fizikai-kémiai tulajdonságával rendelkezik, és jól áthatol a sejtmembránokon. Vannak speciális membránfehérjék, amelyek a membránon belül vízáteresztő csatornákat képeznek (akvaporinok). A szabad víz különböző biokémiai reakciókba lép be, párologtatás közben elpárolog, alacsony hőmérsékleten megfagy.
Megkötött víz - elsősorban a nem vizes komponensekkel való kölcsönhatás eredményeként megváltozott fizikai tulajdonságai. A kötött vizet hagyományosan olyan víznek tekintik, amely nem fagy meg, ha a hőmérséklet -10 °C-ra csökken.
A növényekben megkötött víz:
1) Ozmotikusan kötött
2) Kolloidkötésű
3) Kapillárison kötött
Az ozmotikusan kötött víz ionokkal vagy kis molekulatömegű anyagokkal kötődik. A víz hidratálja az oldott anyagokat - ionokat, molekulákat. A víz elektrosztatikusan kötődik, és monomolekuláris primer hidratáló réteget képez. A vakuoláris nedv cukrokat, szerves savakat és sóikat, szervetlen kationokat és anionokat tartalmaz. Ezek az anyagok ozmotikusan tartják vissza a vizet.
Kolloid kötött víz - magában foglalja a kolloid rendszerben lévő vizet és a kolloidok felszínén és közöttük lévő vizet, valamint az immobilizált vizet. Az immobilizáció a víz mechanikus befogása a makromolekulák vagy komplexeik konformációs változásai során, miközben a víz be van zárva a makromolekula zárt terébe. Jelentős mennyiségű kolloidhoz kötött víz található a sejtfalfibrillumok felszínén, valamint a citoplazma biokolloidjaiban és a sejt membránszerkezeteinek mátrixában.
A kolloid részecskéket (elsősorban fehérjéket) hidratáló vizet kolloid kötöttnek, az oldott anyagokat (ásványi sók, cukrok, szerves savak stb.) ozmotikusan kötöttnek nevezzük. Egyes kutatók úgy vélik, hogy a sejtben lévő összes víz bizonyos fokig kötődik. A fiziológusok hagyományosan kötött víz alatt olyan vizet értenek, amely nem fagy meg, amikor a hőmérséklet -10 °C-ra csökken. Fontos megjegyezni, hogy a vízmolekulák bármilyen megkötése (oldott anyagok hozzáadása, hidrofób kölcsönhatások stb.) csökkenti azok energiáját. Ez az oka annak, hogy a sejt vízpotenciálja csökken a tiszta vízhez képest.
A különböző növényi szervek víztartalma meglehetősen tág határok között változik. Ez a környezeti feltételektől, a növények korától és típusától függően változik. Így a salátalevél víztartalma 93-95%, kukorica - 75-77%. A víz mennyisége a különböző növényi szervekben változik: a napraforgó levelei 80-83% vizet tartalmaznak, a szárak - 87-89%, a gyökerek - 73-75%. A 6-11%-os víztartalom főként a levegőn szárított magvakra jellemző, amelyekben a létfontosságú folyamatok gátolódnak. A víz élő sejtekben, elhalt xilémelemekben és sejtközi terekben található. Az intercelluláris terekben a víz gőzállapotban van. A növény fő párologtató szervei a levelek. Ebből a szempontból természetes, hogy a legnagyobb mennyiségű víz a levelek sejtközi tereit tölti ki. Folyékony állapotban a víz a sejt különböző részein található: sejtmembrán, vakuólum, protoplazma. A vakuolák a sejt vízben leggazdagabb része, ahol a tartalma eléri a 98%-ot. A legmagasabb víztartalomnál a protoplazma víztartalma 95%. A legalacsonyabb víztartalom a sejtmembránokra jellemző. A sejtmembránok víztartalmának mennyiségi meghatározása nehéz; látszólag 30 és 50% között mozog.
A növényi sejt különböző részein a víz formái is eltérőek. A vakuoláris sejtnedvben a viszonylag kis molekulatömegű vegyületek által visszatartott (ozmotikusan kötött) víz és a szabad víz dominál. A növényi sejt héjában a vizet főként nagy polimer tartalmú vegyületek (cellulóz, hemicellulóz, pektin anyagok), azaz kolloid kötött víz kötik meg. Magában a citoplazmában van szabad víz, kolloidálisan és ozmotikusan kötve. A fehérjemolekula felületétől legfeljebb 1 nm távolságra elhelyezkedő víz szorosan kötődik, és nincs szabályos hatszögletű szerkezete (kolloid kötött víz). Ezenkívül bizonyos mennyiségű ion van a protoplazmában, és ezért a víz egy része ozmotikusan kötődik.
A szabad és a kötött víz élettani jelentősége eltérő. A legtöbb kutató úgy véli, hogy a fiziológiai folyamatok intenzitása, beleértve a növekedési ütemet is, elsősorban a szabad víztartalomtól függ. A megkötött víztartalom és a növények kedvezőtlen külső körülményekkel szembeni ellenállása között közvetlen összefüggés van. Ezek a fiziológiai összefüggések nem mindig figyelhetők meg.
