Водата е познато и необичайно вещество. Почти 3/4 от повърхността на нашата планета е заета от океани и морета. твърда вода- сняг и лед - 20% от земята е покрита. Климатът на планетата зависи от водата. Това казват геофизиците Земята отдавна щеше да е изстинала и да се е превърнала в безжизнено парче камък, ако не беше водата.Тя има много висок топлинен капацитет. При нагряване поглъща топлина; охлаждайки го раздава. Водата на сушата хем поема, хем връща много топлина и така "изравнява" климата. А тези водни молекули, които са разпръснати в атмосферата – в облаци и под формата на пари предпазват Земята от космическия студ.

Водата е най-мистериозното вещество в природата след ДНК,притежаващи уникални свойства, които не само все още не са напълно обяснени, но далеч не всички са известни. Колкото по-дълго се изучава, толкова повече нови аномалии и мистерии се откриват в него. Повечето от тези аномалии, които осигуряват възможността за живот на Земята, се обясняват с наличието на водородни връзки между водните молекули, които са много по-силни от ван дер Ваалсовите сили на привличане между молекулите на други вещества, но с порядък по-слаби от йонните и ковалентни връзкимежду атомите в молекулите. Същите водородни връзки присъстват и в молекулата на ДНК.

Водната молекула (H 2 16 O) се състои от два водородни атома (H) и един кислороден атом (16 O). Оказва се, че почти цялото разнообразие от свойства на водата и необичайният характер на тяхното проявление в крайна сметка се определя от физическа природатези атоми, начина, по който се комбинират в молекула и групирането на получените молекули.

Ориз. Структурата на водната молекула . Геометрична схема (a), плосък модел (b) и пространствена електронна структура (c) на H2O мономера. Два от четирите електрона на външната обвивка на кислородния атом участват в създаването на ковалентни връзки с водородните атоми, а другите два образуват силно удължени електронни орбити, чиято равнина е перпендикулярна на равнината H-O-H.

Водната молекула H 2 O е изградена под формата на триъгълник: ъгълът между двете кислородно-водородни връзки е 104 градуса. Но тъй като и двата водородни атома са от една и съща страна на кислорода, електрически зарядиса концентрирани в него. Молекулата на водата е полярна, което е причината за особеното взаимодействие между различните й молекули. Водородните атоми в молекулата на H 2 O, имащи частичен положителен заряд, взаимодействат с електроните на кислородните атоми на съседните молекули. Такава химична връзка се нарича водородна връзка. Той комбинира H 2 O молекули в своеобразни асоциати на пространствената структура; равнината, в която са разположени водородните връзки, е перпендикулярна на равнината на атомите на една и съща молекула Н 2 О. Взаимодействието между водните молекули обяснява преди всичко неравномерно високите температури на нейното топене и кипене. Необходима е допълнителна енергия за разхлабване и след това разрушаване на водородните връзки. И тази енергия е много значима. Ето защо топлинният капацитет на водата е толкова висок.

Водната молекула има две полярни H–O ковалентни връзки. Те се образуват поради припокриването на два едноелектронни p-облака от кислороден атом и едноелектронни S-облаци от два водородни атома.

В съответствие с електронната структура на водородните и кислородните атоми водната молекула има четири електронни двойки. Два от тях участват в образуването на ковалентни връзки с два водородни атома, т.е. са задължителни. Другите две електронни двойки са свободни - не се свързват. Те образуват електронен облак. Облакът е нехомогенен - ​​в него могат да се разграничат отделни концентрации и разреждания.

Във водната молекула има четири полюса на заряд: два са положителни и два са отрицателни. Положителните заряди са концентрирани при водородните атоми, тъй като кислородът е по-електроотрицателен от водорода. Два отрицателни полюса попадат върху две несвързани електронни двойки кислород.

В кислородното ядро ​​се създава излишък от електронна плътност. Вътрешната електронна двойка кислород равномерно огражда ядрото: тя е схематично представена от кръг с център - O 2 - ядрото. Четирите външни електрона са групирани в две електронни двойки, гравитиращи към ядрото, но частично некомпенсирани. Схематично общите електронни орбитали на тези двойки са показани като елипси, издължени от общ център - O 2- ядрото. Всеки от останалите два кислородни електрона се сдвоява с един водороден електрон. Тези пари също гравитират към кислородното ядро. Следователно водородните ядра - протоните - са донякъде голи и тук има липса на електронна плътност.

Така във водната молекула се разграничават четири полюса на заряди:две отрицателни (излишна електронна плътност в областта на кислородното ядро) и две положителни (липса на електронна плътност в две водородни ядра). За по-голяма яснота можем да си представим, че полюсите заемат върховете на деформиран тетраедър, в центъра на който има кислородно ядро.

Ориз. Структурата на водната молекула: a е ъгълът между O-H връзки; б – разположение на полюсите на заряда; c – поява на електронния облак на водната молекула.

Почти сферичната водна молекула има подчертано изразена полярност, тъй като електрическите заряди в нея са разположени асиметрично. Всяка водна молекула е миниатюрен дипол с висок диполен момент от 1,87 debay. Дебай е извънсистемна единица на електрически дипол 3.33564·10 30 C·m. Под въздействието на водни диполи междуатомните или междумолекулните сили на повърхността на веществото, потопено в него, отслабват 80 пъти. С други думи, водата има висока диелектрична константа, най-високата от всички познати ни съединения.

До голяма степен поради това водата се проявява като универсален разтворител. Твърдите вещества, течностите и газовете са обект на разтварящото му действие в една или друга степен.

Специфичният топлинен капацитет на водата е най-високият сред всички вещества. В допълнение, той е 2 пъти по-висок от този на леда, докато за повечето прости вещества (например метали) топлинният капацитет практически не се променя по време на топене, а за вещества от многоатомни молекули, като правило, той намалява по време на топене.

Такава идея за структурата на молекулата позволява да се обяснят много свойства на водата, по-специално структурата на леда. В кристалната решетка на леда всяка от молекулите е заобиколена от четири други. В планарно изображение това може да бъде представено по следния начин:

Комуникацията между молекулите се осъществява чрез водороден атом. Положително зареденият водороден атом на една водна молекула е привлечен от отрицателно заредения кислороден атом на друга водна молекула. Такава връзка се нарича водородна връзка (обозначава се с точки). По отношение на силата, водородната връзка е около 15-20 пъти по-слаба от ковалентната връзка. Поради това водородната връзка лесно се разрушава, което се наблюдава например при изпаряване на вода.

Ориз. вляво - Водородни връзки между водните молекули

Структурата на течната вода наподобява тази на леда. В течната вода молекулите също са свързани една с друга чрез водородни връзки, но структурата на водата е по-малко "твърда" от тази на леда. Поради топлинното движение на молекулите във водата някои водородни връзки се разкъсват, други се образуват.

Ориз. Ледена кристална решетка. Молекулите на водата H 2 O (черни топки) в неговите възли са разположени така, че всеки има четири "съседа".

Полярността на водните молекули, наличието на частично некомпенсирани електрически заряди в тях поражда тенденция към групиране на молекулите в разширени "общности" - асоциати. Оказва се, че само водата в състояние на пара напълно отговаря на формулата H2O. Това показват резултатите от определянето на молекулното тегло на водната пара. В температурния диапазон от 0 до 100°C концентрацията на отделни (мономерни молекули) течна вода не надвишава 1%. Всички други водни молекули се комбинират в асоциати с различна степен на сложност и техният състав се описва с общата формула (H 2 O)x.

Непосредствената причина за образуването на асоциати са водородните връзки между водните молекули. Те възникват между водородните ядра на някои молекули и електронните "бучки" на кислородните ядра на други водни молекули. Вярно е, че тези връзки са десет пъти по-слаби от "стандартните" вътрешномолекулни химични връзки и обикновените молекулярни движения са достатъчни, за да ги разрушат. Но под въздействието на топлинни вибрации лесно възникват нови връзки от този тип. Появата и разпадането на асоциациите може да се изрази чрез схемата:

x H 2 O↔ (H 2 O) x

Тъй като електронните орбитали във всяка водна молекула образуват тетраедрична структура, водородните връзки могат да подредят водните молекули под формата на тетраедрични координирани асоциати.

Повечето изследователи обясняват аномално високия топлинен капацитет на течната вода с факта, че когато ледът се топи, неговата кристална структура не се разрушава веднага. В течната вода водородните връзки между молекулите се запазват. Остават, така да се каже, фрагменти от лед - сътрудници от голям или по-малък брой водни молекули. Въпреки това, за разлика от леда, всеки сътрудник не съществува дълго. Постоянно има унищожаване на едни и формиране на други сътрудници. При всяка стойност на температурата във водата в този процес се установява собствено динамично равновесие. И когато водата се нагрява, част от топлината се изразходва за разкъсване на водородни връзки в асоциираните съединения. В този случай 0,26-0,5 eV се изразходват за разкъсване на всяка връзка. Това обяснява аномално високия топлинен капацитет на водата в сравнение със стопилките на други вещества, които не образуват водородни връзки. Когато такива стопилки се нагряват, енергията се изразходва само за предаване на топлинни движения на техните атоми или молекули. Водородните връзки между водните молекули се разрушават напълно само когато водата премине в пара. За правилността на тази гледна точка говори и фактът, че специфичната топлина на водните пари при 100°C практически съвпада със специфичната топлина на леда при 0°C.

Снимка по-долу:

Елементарният структурен елемент на сътрудника е клъстерът: Ориз. Отделен хипотетичен воден клъстер. Отделни клъстери образуват асоциирани водни молекули (H 2 O) x: Ориз. Клъстери от водни молекули образуват асоциати.

Има и друга гледна точка за природата на аномално високия топлинен капацитет на водата. Професор G. N. Zatsepina забеляза, че моларният топлинен капацитет на водата, който е 18 cal/(molgrad), е точно равен на теоретичния моларен топлинен капацитет на твърдо тяло с триатомни кристали. И в съответствие със закона на Dulong и Petit, атомните топлинни мощности на всички химически прости (моноатомни) кристални тела при достатъчно висока температура са еднакви и равни на 6 cal Dmol o deg). А за триатомните, в чийто грам има 3 N a места на кристална решетка, - 3 пъти повече. (Тук N a е числото на Авогадро).

Оттук следва, че водата е, така да се каже, кристално тяло, състоящо се от триатомни молекули H 2 O. Това съответства на общата идея за водата като смес от кристални асоциати с малка добавка на свободна H 2 O вода молекули между тях, чийто брой се увеличава с повишаване на температурата. От тази гледна точка е изненадващ не високият топлинен капацитет на течната вода, а ниският твърд лед. Намаляването на специфичната топлина на водата по време на замръзване се обяснява с липсата на напречни топлинни вибрации на атомите в твърдата кристална решетка на леда, където всеки протон, който причинява водородна връзка, има само една степен на свобода за топлинни вибрации вместо три.

Но поради какво и как могат да възникнат толкова големи промени в топлинния капацитет на водата без съответните промени в налягането? За да отговорим на този въпрос, нека се срещнем с хипотезата на кандидата на геоложките и минералогическите науки Ю. А. Колясников за структурата на водата.

Той посочва, че дори пионерите на водородните връзки J. Bernal и R. Fowler през 1932 г. сравняват структурата на течната вода с кристалната структура на кварца и тези сътрудници, споменати по-горе, са главно 4H 2 0 тетрамери, в които четири молекули вода са свързани в компактен тетраедър с дванадесет вътрешни водородни връзки. В резултат на това се образува тетраедрична пирамида - тетраедър.

В същото време водородните връзки в тези тетрамери могат да образуват както десни, така и леви последователности, точно както кристалите на широко разпространения кварц (Si0 2), които също имат тетраедрична структура, идват в дясно- и ляво-кристални форми. Тъй като всеки такъв воден тетрамер също има четири неизползвани външни водородни връзки (като една водна молекула), тетрамерите могат да бъдат свързани чрез тези външни връзки в един вид полимерни вериги, като ДНК молекула. И тъй като има само четири външни връзки и три пъти повече вътрешни, това позволява на тежките и силни тетрамери в течна вода да огъват, обръщат и дори разрушават тези външни водородни връзки, отслабени от топлинни вибрации. Това е причината за водния поток.

Водата, според Колясников, има такава структура само в течно състояние и, вероятно, частично в състояние на пара. Но в леда, чиято кристална структура е добре проучена, тетрахидролите са свързани помежду си чрез негъвкави директни водородни връзки с еднаква сила в ажурна рамка с големи кухини в нея, което прави плътността на леда по-малка от плътността на водата.

Ориз. Кристалната структура на леда: водните молекули са свързани правилни шестоъгълници

Когато ледът се разтопи, някои от водородните връзки в него отслабват и се огъват, което води до пренареждане на структурата в описаните по-горе тетрамери и прави течната вода по-плътна от леда. При 4°C настъпва състояние, когато всички водородни връзки между тетрамерите са максимално огънати, което определя максималната плътност на водата при тази температура. По-нататъшните връзки нямат къде да се огънат.

При температура над 4°С започва разкъсването на отделните връзки между тетрамерите, а при 36–37°С половината от външните водородни връзки се разрушават. Това определя минимума на кривата на зависимостта на специфичния топлинен капацитет на водата от температурата. При температура от 70°C почти всички междутетрамерни връзки вече са разкъсани и заедно със свободните тетрамери във водата остават само къси фрагменти от „полимерни“ вериги от тях. Накрая, когато водата заври, настъпва окончателното разкъсване на вече единичните тетрамери на отделни молекули на Н 2 О. И обстоятелството, че специфична топлинаизпарението на водата е точно 3 пъти по-голямо от сумата на специфичните топлина на топенето на леда и последващото нагряване на водата до 100 ° C, е потвърждение на предположението на Колясников, че. че броят на вътрешните връзки в тетрамера е 3 пъти по-голям от броя на външните.

Такава тетраедрична спирална структура на водата може да се дължи на нейната древна реологична връзка с кварца и други силициево-кислородни минерали, преобладаващи в земната кора, от чиито дълбини водата някога се е появила на Земята. Точно както малък кристал сол кара околния разтвор да кристализира в кристали като него, а не в други, така кварцът кара водните молекули да се подреждат в тетраедрични структури, които са най-енергийно благоприятни. И в нашата ера в земната атмосфера водните пари, кондензиращи в капки, образуват такава структура, защото атмосферата винаги съдържа малки капчици аерозолна вода, която вече има тази структура. Те са центрове на кондензация на водни пари в атмосферата. По-долу са възможни верижни силикатни структури, базирани на тетраедър, който също може да бъде съставен от водни тетраедри.

Ориз. Елементарен правилен силициево-кислороден тетраедър SiO 4 4- .

Ориз. Елементарни силициево-кислородни звена-орто групи SiO 4 4- в структурата на Mg-пироксен енстатит (а) и диорто групи Si 2 O 7 6- в Са-пироксеноиден воластонит (б).

Ориз. Най-простите видове островни силициево-кислородни анионни групи: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, g-Si 4 O 12, e-Si 6 O 18.

Ориз. по-долу - Най-важните видове силициево-кислородни верижни анионни групи (според Белов): a-метагерманат, b - пироксен, c - батизит, d-воластонит, d-власовит, е-мелилит, g-родонит, s-пироксмангит , n-метафосфат, k - флуоробериллат, l - барилит.

Ориз. по-долу - Кондензация на пироксенови силициево-кислородни аниони в клетъчен двуредов амфибол (a), триредов амфибол-подобен (b), слоест талк и свързани аниони (c).

Ориз. по-долу - Най-важните видове лентови силициево-кислородни групи (според Белов): а - силиманит, амфибол, ксонотлит; б-епидидимит; s-ортоклаз; g-нарсарсукит; d-фенакит призматичен; e-euclase инкрустиран.

Ориз. вдясно - Фрагмент (елементарен пакет) от слоестата кристална структура на мусковит KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, илюстриращ наслояването на алумосилициево-кислородни мрежи с полиедрични слоеве от големи алуминиеви и калиеви катиони, напомнящи ДНК верига .

Възможни са и други модели на водната конструкция. Тетраедрично свързаните водни молекули образуват особени вериги с доста стабилен състав. Изследователите откриват все по-фини и сложни механизми на "вътрешната организация" на водната маса. В допълнение към структурата, подобна на лед, течна вода и мономерни молекули, е описан и трети елемент от структурата, нететраедричен.

Определена част от водните молекули е свързана не в триизмерни рамки, а в линейни пръстеновидни асоциации. Пръстените, когато са групирани, образуват още по-сложни комплекси от асоциирани.

По този начин водата може теоретично да образува вериги, като ДНК молекула, която ще бъде обсъдена по-долу. В тази хипотеза също е интересно, че тя предполага еднаква вероятност за съществуването на дясната и лявата вода. Но биолозите отдавна са забелязали, че в биологичните тъкани и структури се наблюдават само лява или дясна форма. Пример за това са протеинови молекули, изградени само от леви аминокиселини и усукани само в лява спирала. Но всички захари в дивата природа са десни. Все още никой не е успял да обясни защо в дивата природа има такова предпочитание към лявото в някои случаи и към дясното в други. Наистина, в неживата природа както десните, така и левите молекули се срещат с еднаква вероятност.

Преди повече от сто години известният френски натуралист Луи Пастьор открива това органични съединенияв състава на растенията и животните са оптически асиметрични – въртят равнината на поляризация на падащата върху тях светлина. Всички аминокиселини, които изграждат животните и растенията, въртят равнината на поляризация наляво, а всички захари - надясно. Ако синтезираме същото химичен съставсъединения, тогава всяко от тях ще има равен брой ляво- и дясно ориентирани молекули.

Както знаете, всички живи организми са изградени от протеини, а те от своя страна са изградени от аминокиселини. Свързвайки се една с друга в различни последователности, аминокиселините образуват дълги пептидни вериги, които спонтанно се "усукват" в сложни протеинови молекули. Както много други органични съединения, аминокиселините имат хирална симетрия (от гръцки chiros - ръка), тоест могат да съществуват в две огледално-симетрични форми, наречени "енантиомери". Такива молекули са подобни една на друга, като лявата и дясна ръка, затова се наричат ​​D- и L-молекули (от лат. dexter, laevus - десен и ляв).

Сега си представете, че средата с леви и десни молекули е преминала в състояние само с леви или само с десни молекули. Експертите наричат ​​такава среда хирално (от гръцката дума "хейра" - ръка) подредена. Самовъзпроизвеждането на живите (биопоеза - по определението на Д. Бернал) може да възникне и да се поддържа само в такава среда.

Ориз. Огледална симетрия в природата

Друго име за енантиомерните молекули - "десни" и "левичари" - идва от способността им да въртят равнината на поляризация на светлината в различни посоки. Ако линейно поляризирана светлина премине през разтвор на такива молекули, нейната равнина на поляризация се върти: по посока на часовниковата стрелка, ако молекулите в разтвора са десни, и обратно на часовниковата стрелка, ако са наляво. И в смес от същите количества D-и L-образна (наречена "рацемат") светлината ще запази първоначалната си линейна поляризация. Това оптично свойство на хиралните молекули е открито за първи път от Луи Пастьор през 1848 г.

Любопитно е, че почти всички естествени протеини се състоят само от леви аминокиселини. Този факт е още по-изненадващ, тъй като синтезът на аминокиселини в лабораторни условия произвежда приблизително еднакъв брой десни и леви молекули. Оказва се, че тази особеност притежават не само аминокиселините, но и много други вещества, важни за живите системи, като всяко има строго определен знак за огледална симетрия в цялата биосфера. Например, захарите, които изграждат много нуклеотиди, както и ДНК и РНК нуклеинови киселини, са представени в тялото изключително от правилни D-молекули. Въпреки че физичните и химичните свойства на "огледалните антиподи" съвпадат, тяхната физиологична активност в организмите е различна: L-caxara не се абсорбира, L-фенилаланинът, за разлика от безвредните си D-молекули, причинява психични заболявания и т.н.

Според съвременните представи за произхода на живота на Земята изборът на определен тип огледална симетрия от органичните молекули служи като основна предпоставка за тяхното оцеляване и последващо самовъзпроизвеждане. Въпросът как и защо е възникнал еволюционният подбор на един или друг огледален антипод обаче все още е една от най-големите загадки на науката.

Съветският учен Л. Л. Морозов доказва, че преходът към хирално подреждане не може да се случи еволюционно, а само с някаква специфична рязка фазова промяна. Академик В. И. Голдански нарече този преход, благодарение на който се е зародил животът на Земята, хирална катастрофа.

Как са възникнали условията за фазовата катастрофа, която е причинила хиралния преход?

Най-важното беше, че органичните съединения се топят при 800-1000 0C в земната кора, а горните се охлаждат до температурата на космоса, тоест абсолютната нула. Температурният спад достигна 1000°C. При такива условия органични молекулисе разтопи под действието на висока температура и дори напълно се разруши, а горната част остана студена, тъй като органичните молекули бяха замръзнали. Газовете и водните пари, изтичащи от земната кора, променят химичния състав на органичните съединения. Газовете пренасят топлина със себе си, карайки границата на топене на органичния слой да се движи нагоре и надолу, създавайки градиент.

При много ниско атмосферно налягане водата беше при земната повърхностсамо под формата на пара и лед. Когато налягането достигне така наречената тройна точка на водата (0,006 атмосфери), водата за първи път може да бъде под формата на течност.

Разбира се, само експериментално е възможно да се докаже какво точно е причинило хиралния преход: земни или космически причини. Но по един или друг начин, в един момент хирално подредените молекули (а именно левите аминокиселини и десните захари) се оказаха по-стабилни и започна неудържимо нарастване на техния брой - хирален преход.

Хрониката на планетата също така разказва, че по това време на Земята не е имало нито планини, нито депресии. Полуразтопената гранитна кора беше повърхност, равна на нивото на съвременния океан. В тази равнина обаче все още имаше депресии поради неравномерното разпределение на масите вътре в Земята. Тези понижения изиграха изключително важна роля.

Факт е, че депресиите с плоско дъно с диаметър стотици и дори хиляди километри и дълбочина не повече от сто метра вероятно са се превърнали в люлка на живота. В края на краищата водата, която се събра на повърхността на планетата, се вля в тях. Водата разрежда хиралните органични съединения в слоя пепел. Химическият състав на съединението постепенно се променя и температурата се стабилизира. Преходът от неодушевено към живо, който започна в безводни условия, продължи вече във водната среда.

Това ли е произходът на живота? Най-вероятно да. В геоложката секция Isua (Западна Гренландия), която е на 3,8 милиарда години, са открити съединения, подобни на бензин и масло, с изотопно съотношение C12/C13, характерно за фотосинтетичния въглерод.

Ако биологичната природа на въглеродните съединения от секцията Isua бъде потвърдена, ще се окаже, че целият период от възникването на живота на Земята - от появата на хирална органична материя до появата на клетка, способна на фотосинтеза и възпроизводство - е била завършен само за сто милиона години. И в този процес водните молекули и ДНК изиграха огромна роля.

Най-удивителното в структурата на водата е, че водните молекули при ниски отрицателни температури и високи налягания вътре в нанотръбите могат да кристализират под формата на двойна спирала, напомняща на ДНК. Това доказаха компютърни експерименти на американски учени, ръководени от Xiao Cheng Zeng от Университета на Небраска (САЩ).

ДНК е двойна верига, усукана в спирала.Всяка нишка се състои от "тухли" - от последователно свързани нуклеотиди. Всеки ДНК нуклеотид съдържа една от четирите азотни бази - гуанин (G), аденин (A) (пурини), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидини), свързани с дезоксирибозата, към последната от своя страна фосфат групата е прикачена. Помежду си съседните нуклеотиди са свързани във верига чрез фосфодиестерна връзка, образувана от 3 "-хидроксилни (3"-OH) и 5"-фосфатни групи (5"-PO3). Това свойство определя наличието на полярност в ДНК, т.е. противоположна посока, а именно 5"- и 3"-краища: 5"-краят на едната нишка съответства на 3"-края на втората нишка. Последователността от нуклеотиди ви позволява да "кодирате" информация за различни видове РНК, най-важните от които са информация или шаблон (mRNA), рибозомна (rRNA) и транспортна (tRNA). Всички тези видове РНК се синтезират върху ДНК шаблона чрез копиране на ДНК последователността в РНК последователността, синтезирана по време на транскрипцията и участват в най-важния процес на живота - предаването и копирането на информация (транслация).

Първичната структура на ДНК е линейната последователност от ДНК нуклеотиди във верига. Последователността на нуклеотидите във веригата на ДНК се записва като буквална формула на ДНК: например - AGTCATGCCAG, записът е от 5 "до 3" края на ДНК веригата.

Вторичната структура на ДНК се формира поради взаимодействията на нуклеотидите (предимно азотни бази) един с друг, водородни връзки. Класически пример за вторичната структура на ДНК е двойната спирала на ДНК. ДНК двойната спирала е най-често срещаната форма на ДНК в природата, състояща се от две полинуклеотидни вериги на ДНК. Изграждането на всяка нова ДНК верига се осъществява на принципа на комплементарността, т.е. всяка азотна база на една верига на ДНК съответства на строго определена основа на другата верига: в комплементарна двойка срещу А е Т, а срещу G е С и т.н.

За да може водата да образува спирала, като в симулиран експеримент, тя е била "поставена" в нанотръби под високо налягане, вариращо в различните експерименти от 10 до 40 000 атмосфери. След това беше зададена температура, която имаше стойност от -23°C. Резервът спрямо точката на замръзване на водата е направен поради факта, че с увеличаване на налягането точката на топене на водния лед намалява. Диаметърът на нанотръбите варира от 1,35 до 1,90 nm.

Ориз. Обща формаводни структури (изображение от New Scientist)

Молекулите на водата са свързани помежду си с водородни връзки, разстоянието между кислородните и водородните атоми е 96 pm, а между два водорода - 150 pm. В твърдо състояние кислородният атом участва в образуването на две водородни връзки със съседни водни молекули. В този случай отделните молекули на H 2 O влизат в контакт една с друга с противоположни полюси. Така се образуват слоеве, в които всяка молекула е свързана с три молекули от своя слой и една от съседните. В резултат на това кристалната структура на леда се състои от шестоъгълни „тръби“, свързани помежду си като пчелна пита.

Ориз. Вътрешна стена на водната структура (изображение на New Scientist)

Учените очакваха да видят, че във всички случаи водата образува тънка тръбна структура. Моделът обаче показа, че при диаметър на тръбата от 1,35 nm и налягане от 40 000 атмосфери, водородните връзки се усукаха, което доведе до образуването на двустенна спирала. Вътрешната стена на тази структура е четворна спирала, а външната стена се състои от четири двойни спирали, подобни на структурата на ДНК молекулата.

Последният факт засяга не само еволюцията на нашите представи за водата, но и еволюцията ранен животи самата ДНК молекула. Ако приемем, че в епохата на възникване на живота криолитните глинести скали са имали формата на нанотръби, възниква въпросът - може ли водата, сорбирана в тях, да служи като структурна основа (матрица) за синтез на ДНК и четене на информация? Може би затова спиралната структура на ДНК повтаря спиралната структура на водата в нанотръбите. Според списание New Scientist сега нашите чуждестранни колеги ще трябва да потвърдят съществуването на такива водни макромолекули в реални експериментални условия с помощта на инфрачервена спектроскопия и спектроскопия на неутронно разсейване.

Доцент доктор. О.В. Мосин

работа 1

Снежинките като физичен феномен

Работата е извършена от Даниил Холодяков

Цели: Научете повече за снежинките от гледна точка на MKT

Задачи: разберете естеството на образуването на снежинки

1. Образуване на снежинки

2. форми на снежинки

3. Кристална симетрия

4. Еднакви снежинки

5. Цвят и светлина

6. Допълнителни материали

1. Случвало ли ви се е да гледате снежинка и да се чудите как се образува и защо е различна от другите видове сняг, които сте виждали преди?

Снежинките са специална форма на воден лед. Снежинките се образуват в облаци, които са съставени от водна пара. Когато температурата е 32°F (0°C) или по-ниска, водата се превръща от течност в лед. Няколко фактора влияят върху образуването на снежинки. Температура, въздушни течения, влажност - всичко това оказва влияние върху формата и размера им. Мръсотия и прах могат да се смесят във водата и да променят теглото и издръжливостта на кристалите. Частиците мръсотия правят снежинката по-тежка, могат да я направят податлива на топене и могат да причинят пукнатини и счупвания в кристала. Образуването на снежинка е динамичен процес. Една снежинка може да се изправи пред много различни условия околен свят, понякога се топи, понякога расте - структурата на снежинката непрекъснато се променя.

2. Кои са най-често срещаните форми на снежинки?

Обикновено шестоъгълни кристали се образуват във високи облаци; игли или плоски шестстранни кристали се образуват в облаци със средна височина; и голямо разнообразие от шестстранни форми се образуват в ниски облаци. По-ниските температури създават снежинки с по-остри върхове отстрани на кристалите и могат да доведат до разклоняване на стрелата. Снежинките, които се появяват при по-топли условия, растат по-бавно, което води до по-гладка и по-малко сложна форма.

0; -3°C - Тънки шестоъгълни плочи

3; -6° C - Игли

6; -10 ° C - Кухи колони

десет; -12°C - Секторни плочи (шестоъгълници с вдлъбнатини)

12; -15°C - Дендрити (дантелени шестоъгълни форми)

3. Защо снежинките са симетрични?

Първо, не всички снежинки са еднакви от всички страни. Неравномерните температури, наличието на мръсотия и други фактори могат да доведат до изкривяване на снежинката. Вярно е обаче, че много снежинки са симетрични и много сложни по структура. Това е така, защото формата на снежинката отразява вътрешния ред на водните молекули. Молекулите на водата в твърдо състояние, като сняг и лед, образуват слаби връзки (така наречените водородни връзки) една с друга. Тези подредени подредби водят до симетричната, шестоъгълна форма на снежинката. По време на кристализацията водните молекули се подчиняват на максималната сила на привличане, а силите на отблъскване са намалени до минимум. Следователно водните молекули се подреждат в дадени пространства в определена подредба, като например да заемат пространството и да поддържат симетрия.

4. Вярно ли е, че няма две еднакви снежинки?

Да и не. Никога две снежинки няма да бъдат идентични, до точния брой водни молекули, въртене на електрони, изотопи на водород и кислород и т.н. От друга страна, две снежинки могат да изглеждат еднакви и всяка снежинка вероятно е имала своя прототип в някакъв момент от историята. Структурата на една снежинка непрекъснато се променя според условията на околната среда и под въздействието на много фактори, така че изглежда малко вероятно да видите две еднакви снежинки.

5. Ако водата и ледът са прозрачни, защо снегът изглежда бял?

Краткият отговор е, че снежинките имат толкова много отразяващи повърхности, че разпръскват светлината във всичките й цветове, поради което снегът изглежда бял. Дългият отговор е свързан с това как човешкото око възприема цвета. Въпреки че източникът на светлина не може да бъде наистина "бял" (например слънчевата светлина, флуоресцентните и нажежаемите лампи имат определен цвят), човешки мозъккомпенсира източника на светлина. Така, въпреки че слънчевата светлина е жълта и светлината, разпръсната от снега, също е жълта, мозъкът вижда снега възможно най-бял, тъй като цялата картина, получена от мозъка, има жълт оттенък, който автоматично се изважда.

Изводи:

1. Снежинките са специална форма на воден лед.

2. Температурата, въздушните течения, влажността са фактори, които влияят върху формата и размера на снежинката.

3. Това е редът на водните молекули, който определя симетрията на снежинката.

аз съм в истински снежни кристали.

работа 2

Лед и вода в природата.

Работата е извършена от Гусева Алина

Цел: да научите нещо ново.

Задачи:

Помислете за значението на водата в природата;

Разберете свойствата и видовете вода;

Запознайте се с основните свойства на водния лед;

Разширете знанията си за водата като цяло.

вода (водороден оксид) - бинарно неорганично съединение, химична формула H2O. Водната молекула се състои от два водородни атома и един кислород, които са свързани помежду си с ковалентна връзка. При нормални условия е бистра течност, без цвят, мирис и вкус. В твърдо състояние се нарича лед, сняг или скреж, а в газообразно състояние се нарича водна пара. Водата може да съществува и под формата на течни кристали.

Около 71% от повърхността на Земята е покрита с вода (океани, морета, езера, реки, лед) - 361,13 милиона km2. На Земята приблизително 96,5% от водата е в океаните (1,7% от световните запаси са подпочвени води, други 1,7% в ледниците и ледените шапки на Антарктика и Гренландия, малка част в реки, езера и блата и 0,001% в облаци). По-голямата част от водата на земята е солена и неподходяща за селско стопанство и пиене. Делът на прясната вода е около 2,5%.

Водата е добър силно полярен разтворител. AT природни условиявинаги съдържа разтворени вещества (соли, газове). Водата е от ключово значение за създаването и поддържането на живота на Земята, в химическа структураживи организми, във формирането на климата и времето. Това е най-важното вещество за всички живи същества на планетата Земя.

В атмосферата на нашата планета водата е под формата на малки капчици, в облаци и мъгла, а също и под формата на пара. По време на кондензация той се отстранява от атмосферата под формата на валежи (дъжд, сняг, градушка, роса). Водата е изключително често срещано вещество в космоса, но поради високото вътретечно налягане водата не може да съществува в течно състояние във вакуума на космоса, поради което се представя само под формата на пара или лед.

Видове вода.

Водата на Земята може да съществува в три основни състояния – течно, газообразно и твърдо, и да придобива различни формикоито могат едновременно да съществуват едно с друго: водна пара и облаци в небето, морска вода и айсберги, ледници и реки на повърхността на земята, водоносни хоризонти в земята. Водата често се разделя на типове според различни принципи. Според особеностите на произход, състав или приложение те разграничават между другото: мека и твърда вода - според съдържанието на калциеви и магнезиеви катиони. Според изотопите на водорода в молекулата: лека (по състав почти съответства на обикновената), тежка (деутерий), свръхтежка вода (тритий). Разграничават се още: прясна, дъждовна, морска, минерална, солена, питейна, чешмяна, дестилирана, дейонизирана, безпирогенна, светена, структурирана, стопена, подземна, отпадъчна и повърхностна вода.

физични свойства.

Вода при нормални условия поддържа течно агрегатно състояние, докато подобните водородни съединения са газове (H2S, CH4, HF). Поради голямата разлика в електроотрицателността на водородните и кислородните атоми, електронните облаци са силно изместени към кислорода. Поради тази причина водната молекула има голям диполен момент(D = 1,84, на второ място след циановодородната киселина). При температурата на преход към твърдо състояние водните молекули се подреждат, в процеса на това се увеличават обемите на празнините между молекулите и общата плътност на водата намалява, което обяснява причината по-ниска плътност на водата в ледената фаза. Изпарението, от друга страна, разрушава всички връзки. Разрушаването на връзките изисква много енергия, ето защо водата повечето висок специфичен топлинен капацитетнаред с други течности и твърди вещества. Необходими са 4,1868 kJ енергия, за да се загрее един литър вода с един градус. Поради това свойство водата често се използва като охлаждаща течност. Отвъд голямото специфична топлина, водата също има високи стойности на специфична топлина топене(при 0 °C - 333,55 kJ/kg) и изпаряване(2250 kJ/kg).

Водата също има високо повърхностно напрежениесред течностите, на второ място след живака. Относително високият вискозитет на водата се дължи на факта, че водородните връзки пречат на водните молекули да се движат с различни скорости. Водата е добър разтворител за полярни вещества. Всяка молекула на разтвореното вещество е заобиколена от водни молекули и положително заредените части на молекулата на разтвореното вещество привличат кислородни атоми, а отрицателно заредените части привличат водородни атоми. Тъй като водната молекула е малка по размер, много водни молекули могат да обграждат всяка молекула разтворено вещество.Водата има отрицателен електрически потенциал на повърхността.

Чиста вода - добър изолатор. Защото водата е добра разтворител, някои соли почти винаги са разтворени във водата, тоест във водата присъстват положителни и отрицателни йони. В резултат на това водата провежда електричество. Електрическата проводимост на водата може да се използва за определяне на нейната чистота.

Водата има коефициент на пречупване n=1,33в оптичния диапазон. Въпреки това, той силно абсорбира инфрачервеното лъчение и следователно водната пара е основният естествен парников газ, отговорен за повече от 60% от парниковия ефект.

Лед - вода в твърдо агрегатно състояние. Ледът понякога се нарича някои вещества в твърдо агрегирано състояние, които са склонни да имат течна или газообразна форма при стайна температура; по-специално сух лед, амонячен лед или метанов лед.

Основни свойства на водния лед.

В момента са известни три аморфни разновидности и 15 кристални модификации на лед. Ажурната кристална структура на такъв лед води до факта, че неговата плътност (равна на 916,7 kg / m при 0 ° C) е по-ниска от плътността на водата (999,8 kg / m) при същата температура. Следователно водата, превръщайки се в лед, увеличава обема си с около 9%. Ледът, тъй като е по-лек от течната вода, се образува на повърхността на водните тела, което предотвратява по-нататъшното замръзване на водата.

Висока специфична топлина на топене лед, равен на 330 kJ/kg, е важен фактор в циркулацията на топлината на Земята. И така, за да разтопите 1 kg лед или сняг, ви е необходима толкова топлина, колкото е необходимо, за да загреете един литър вода с 80 °C. Ледът се среща в природата под формата на самия лед (континентален, плаващ, подземен), както и под формата на сняг, скреж и др. Под въздействието на собственото си тегло ледът придобива пластични свойства и течливост. Естественият лед обикновено е много по-чист от водата, тъй като когато водата кристализира, водните молекули са първите, които влизат в решетката.

При нормално атмосферно налягане водата се втвърдява при 0°C и кипи (превръща се във водна пара) при 100°C. С намаляването на налягането температурата на топене (топене) на леда бавно се повишава и точката на кипене на водата пада. При налягане от 611,73 Pa (около 0,006 atm) точките на кипене и топене съвпадат и стават равни на 0,01 ° C. Тези налягания и температури се наричат вода с тройна точка . При по-ниско налягане водата не може да бъде в течно състояние и ледът се превръща директно в пара. Температурата на сублимация на леда пада с намаляване на налягането. При високо налягане има модификации на лед с точки на топене над стайна температура.

С увеличаване на налягането плътността на водните пари в точката на кипене също се увеличава, а тази на течната вода намалява. При температура от 374 °C (647 K) и налягане от 22,064 MPa (218 atm), водата преминава през критична точка. В този момент плътността и другите свойства на течната и газообразната вода са еднакви. При по-високо налягане и/или температура разликата между течна вода и водна пара изчезва. Това агрегатно състояние се нарича суперкритична течност».

Може да има вода метастабилни състоянияпренаситена пара, прегрята течност, преохладена течност. Тези състояния могат да съществуват дълго време, но са нестабилни и при контакт с по-стабилна фаза настъпва преход. Например, можете да получите свръхохладена течност чрез охлаждане на чиста вода в чист съд под 0 ° C, но когато се появи център на кристализация, течната вода бързо се превръща в лед.

Данни .

Средно тялото на растенията и животните съдържа повече от 50% вода.

Съставът на мантията на Земята съдържа 10-12 пъти повече вода от количеството вода в океаните.

Ако всички ледници се стопят, тогава нивото на водата в земните океани ще се повиши с 64 m и около 1/8 от земната повърхност ще бъде наводнена с вода.

Понякога водата замръзва при положителна температура.

При определени условия (вътре в нанотръбите) водните молекули образуват ново състояние, в което запазват способността си да текат дори при температури близки до абсолютната нула.

Водата отразява 5% от слънчевите лъчи, докато снегът отразява около 85%. Само 2% от слънчевата светлина прониква под океанския лед.

Синият цвят на чистата океанска вода се дължи на селективното поглъщане и разсейване на светлината във водата.

С помощта на капки вода от крановете можете да създадете напрежение до 10 киловолта, експериментът се нарича "Капкомер на Келвин".

Водата е едно от малкото вещества в природата, което се разширява, когато преминава от течно в твърдо състояние.

Изводи:

Водата запазва течно агрегатно състояние, има голям диполен момент, голям специфичен топлинен капацитет, стойност на изпарение, високо повърхностно напрежение, отрицателен повърхностен електрически потенциал, е добър изолатор и разтворител.

Литература

1. Вода // Енциклопедичен речник на Брокхаус и Ефрон: В 86 тома (82 тома и 4 допълнителни). - Санкт Петербург, 1890-1907.

2. Лосев К. С. Вода. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 272 с.

3. Хидробионтите в самопречистването на водите и биогенната миграция на елементите. - М.: МАКС-Прес. 2008. 200 стр. Предговор от чл.-кор РАН В. В. Малахов. (Поредица: Наука. Образование. Иновации. Брой 9). ISBN 978-5-317-02625-7.

4. По някои въпроси за поддържане на качеството на водата и нейното самопречистване // Водни ресурси. 2005. Т. 32. № 3. С. 337-347.

5. Андреев В. Г. Ефектът на протонообменното взаимодействие върху структурата на водната молекула и силата на водородната връзка. Материали на V международна конференция " Реални проблеминаука в Русия. - Кузнецк 2008, т.3 С. 58-62.

персонализирано търсене

Водна структура

Доцент доктор. О.В. Мосин

Молекулата на водата е малък дипол, съдържащ положителни и отрицателни заряди на полюсите. Тъй като масата и зарядът на кислородното ядро ​​са по-големи от тези на водородните ядра, електронният облак се свива към кислородното ядро. В този случай водородните ядра са изложени. Така електронният облак има неравномерна плътност. В близост до водородните ядра има липса на електронна плътност, а от противоположната страна на молекулата, близо до кислородното ядро, има излишък на електронна плътност. Именно тази структура определя полярността на водната молекула. Ако свържете епицентровете на положителните и отрицателните заряди с прави линии, ще получите триизмерна геометрична фигура - правилен тетраедър.

Структурата на водната молекула (фигура вдясно)

Поради наличието на водородни връзки всяка водна молекула образува водородна връзка с 4 съседни молекули, образувайки ажурна мрежеста рамка в ледена молекула. В течното си състояние обаче водата е неподредена течност; тези водородни връзки са спонтанни, краткотрайни, бързо се разкъсват и се образуват отново. Всичко това води до разнородност в структурата на водата.

Водородни връзки между водните молекули (снимката долу вляво)

Фактът, че водата е разнородна по своя състав, е установен отдавна. Отдавна е известно, че ледът плува на повърхността на водата, тоест плътността на кристалния лед е по-малка от плътността на течността.

В почти всички други вещества кристалът е по-плътен от течната фаза. Освен това, дори след топене, с повишаване на температурата, плътността на водата продължава да се увеличава и достига максимум при 4°C. По-малко известна е аномалията на свиваемостта на водата: при нагряване от точката на топене до 40 °C тя намалява и след това се увеличава. Топлинният капацитет на водата също зависи немонотонно от температурата.

В допълнение, при температури под 30 ° С, с повишаване на налягането от атмосферното до 0,2 GPa, вискозитетът на водата намалява и коефициентът на самодифузия - параметър, който определя скоростта на движение на водните молекули една спрямо друга - се увеличава.

За други течности зависимостта е обратна и почти никога не се случва някой важен параметър да се държи немонотонно, т.е. първо се повишава, а след преминаване на критичната стойност на температурата или налягането намалява. Имаше предположение, че всъщност водата не е една течност, а смес от два компонента, които се различават по свойства, като плътност и вискозитет, и следователно по структура. Подобни идеи започват да се появяват в края на 19 век, когато се натрупват много данни за водните аномалии.

Идеята, че водата се състои от два компонента, е предложена за първи път от Уайтинг през 1884 г. Неговото авторство е цитирано от Е. Ф. Фрицман в монографията "Природата на водата. Тежка вода", публикувана през 1935 г. През 1891 г. W. Rengten въвежда концепцията за две състояния на водата, които се различават по плътност. След него се появяват много трудове, в които водата се разглежда като смес от асоциати с различен състав (хидроли).

Когато структурата на леда беше определена през 20-те години на миналия век, се оказа, че водните молекули в кристално състояние образуват триизмерна непрекъсната мрежа, в която всяка молекула има четири най-близки съседи, разположени във върховете на правилен тетраедър. През 1933 г. J. Bernal и P. Fowler предполагат, че подобна решетка съществува в течна вода. Тъй като водата е по-плътна от леда, те смятат, че молекулите в нея не са подредени по същия начин, както в леда, тоест като силициевите атоми в минерала тридимит, а като силициевите атоми в по-плътна модификация на силициев диоксид, кварц. Увеличаването на плътността на водата при нагряване от 0 до 4 ° C се обяснява с наличието на компонент тридимит при ниска температура. Така моделът на Бернал Фаулър запазва елемента на двуструктурата, но основното им постижение е идеята за непрекъсната тетраедрична мрежа. Тогава се появява известният афоризъм на И. Лангмюр: „Океанът е една голяма молекула“. Прекомерната конкретизация на модела не добави привърженици на теорията на единната мрежа.

Едва през 1951 г. J. Popple създава модел на непрекъсната мрежа, който не е толкова специфичен като модела на Бернал Фаулър. Попл си представя водата като произволна тетраедрична мрежа, връзките между молекулите в която са извити и имат различна дължина. Моделът на Popl обяснява уплътняването на водата по време на топенето чрез огъване на връзките. Когато през 60-те и 70-те години на миналия век се появиха първите дефиниции на структурата на ледовете II и IX, стана ясно как огъването на връзката може да доведе до структурно уплътняване. Моделът на Pople не може да обясни немонотонността на зависимостта на свойствата на водата от температурата и налягането, както и моделите с две състояния. Следователно идеята за две държави се споделя от много учени дълго време.

Но през втората половина на 20-ти век беше невъзможно да се фантазира за състава и структурата на хидролите толкова, колкото в началото на века. Вече беше известно как са подредени ледът и кристалните хидрати и знаеха много за водородните връзки. В допълнение към моделите на континуума (модел на Попла) се появиха две групи смесени модели: клъстерни и клатратни. В първата група водата се появява като клъстери от молекули, свързани с водородни връзки, които се носят в море от молекули, които не участват в такива връзки. Моделите от втората група разглеждат водата като непрекъсната мрежа (обикновено наричана рамка в този контекст) от водородни връзки, която съдържа празнини; те съдържат молекули, които не образуват връзки с молекулите на рамката. Не беше трудно да се изберат такива свойства и концентрации на две микрофази на клъстерните модели или свойствата на рамката и степента на запълване на нейните празнини в клатратните модели, за да се обяснят всички свойства на водата, включително известните аномалии.

Сред клъстерните модели най-ярък беше моделът на Г. Немети и Х. Шераги: техните снимки, изобразяващи клъстери от свързани молекули, плаващи в море от несвързани молекули, са включени в много монографии.

Първият модел от клатратен тип е предложен през 1946 г. от О.Я.Самойлов: във водата се запазва мрежа от водородни връзки, подобна на хексагонален лед, чиито кухини са частично запълнени с мономерни молекули. L. Pauling през 1959 г. създава друга версия, предполагайки, че мрежата от връзки, присъщи на някои кристални хидрати, може да служи като основа за структурата.

През втората половина на 60-те и началото на 70-те години се наблюдава сближаване на всички тези възгледи. Появяват се варианти на клъстерни модели, при които молекулите в двете микрофази са свързани с водородни връзки. Поддръжниците на клатратните модели започнаха да позволяват образуването на водородни връзки между празните и структурните молекули. Тоест всъщност авторите на тези модели разглеждат водата като непрекъсната мрежа от водородни връзки. И ние говорим за това колко нехомогенна е тази мрежа (например по плътност). Идеята за водата като клъстери с водородни връзки, плаващи в море от водни молекули, лишени от връзки, беше сложен край в началото на осемдесетте години, когато Г. Стенли приложи теорията на перколацията към водния модел, който описва фазата преходи на водата.

През 1999 г. известният руски изследовател на водите С.В. Зенин защити докторската си дисертация по теория на клъстерите в Института по биомедицински проблеми на Руската академия на науките, което беше значителна стъпка в популяризирането на тази област на изследване, чиято сложност се засилва от факта, че те са в пресечната точка на три науки: физика, химия и биология. Към тях, въз основа на данни, получени от трима физични и химични методи: рефрактометрия (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), високоефективна течна хроматография (S.V. Zenin et al., 1998) и протонен магнитен резонанс (S.V. Zenin, 1993) модел на основното стабилно структурно образуване на водни молекули (структурирана вода) , и след това (S.V. Zenin, 2004) е получено изображение с помощта на фазов контрастен микроскоп на тези структури.

Сега науката е доказала, че характеристиките на физичните свойства на водата и множеството краткотрайни водородни връзки между съседни водородни и кислородни атоми във водната молекула създават благоприятни възможности за образуването на специални асоциирани структури (клъстери), които възприемат, съхраняват и предават голямо разнообразие от информация.

Структурната единица на такава вода е клъстер, състоящ се от клатрати, чиято природа се определя от кулонови сили на далечни разстояния. Структурата на клъстерите кодира информация за взаимодействията, които са се случили с тези водни молекули. Във водните клъстери, поради взаимодействието между ковалентните и водородните връзки между кислородните атоми и водородните атоми, миграцията на протони (H+) може да възникне според релейния механизъм, което води до делокализация на протони в клъстера.

Вода, съставена от много клъстери различни видове, образува йерархична пространствена течнокристална структура, която може да възприема и съхранява огромни количества информация.

Фигурата (V.L. Voeikov) показва диаграми на няколко прости клъстерни структури като пример.

Някои възможни структури на водни клъстери

Носители на информация могат да бъдат физически полета от различно естество. По този начин е установена възможността за дистанционно информационно взаимодействие на течнокристалната структура на водата с обекти от различно естество с помощта на електромагнитни, акустични и други полета. Човек също може да бъде обект на влияние.

Водата е източник на свръхслабо и слабо променливо електромагнитно излъчване. Най-малко хаотичното електромагнитно излъчване се създава от структурирана вода. В такъв случай индукция на съответния електромагнитно поле, което променя структурните и информационните характеристики на биологичните обекти.

През последните години бяха получени важни данни за свойствата на преохладената вода. Много е интересно да се изследва вода при ниска температура, защото тя може да бъде по-преохладена от други течности. Кристализацията на водата, като правило, започва върху някакви нехомогенности или по стените на съда, или върху плаващи частици от твърди примеси. Следователно не е лесно да се намери температурата, при която преохладената вода би кристализирала спонтанно. Но учените успяха да направят това и сега температурата на така наречената хомогенна нуклеация, когато образуването на ледени кристали се извършва едновременно в целия обем, е известна за налягания до 0,3 GPa, т.е. улавяне на регионите на съществуване на лед II.

От атмосферното налягане до границата, разделяща ледовете I и II, тази температура пада от 231 до 180 K и след това леко се повишава до 190 K. Под тази критична температура течната вода е невъзможна по принцип.

Структура на лед (снимка вдясно)

Има обаче една мистерия, свързана с тази температура. В средата на осемдесетте години, нова модификация на аморфен лед - ледвисока плътност и това помогна да се съживи идеята за водата като смес от две състояния. Като прототипи не се разглеждат кристални структури, а структури аморфен ледразлични плътности. В най-разбираема форма тази концепция е формулирана от Е. Г. Понятовски и В. В. Синицин, които през 1999 г. пишат: „Водата се разглежда като закономерен разтвор на два компонента, локалните конфигурации в които съответстват на късия ред на модификации на аморфни лед." Освен това, чрез изучаване на реда на къси разстояния в свръхохладена вода при високо налягане, използвайки методи на неутронна дифракция, учените успяха да намерят компоненти, съответстващи на тези структури.

Като следствие от полиморфизма на аморфните ледове, имаше и предположения за разделянето на водата на два несмесващи се компонента при температура под хипотетичната критична точка при ниска температура. За съжаление, според изследователите, тази температура при налягане от 0,017 GPa е 230 K под температурата на нуклеация, така че никой все още не е успял да наблюдава стратификацията на течната вода. По този начин възраждането на модела с две състояния повдигна въпроса за нехомогенността на мрежата от водородни връзки в течна вода. Разбирането на тази хетерогенност е възможно само с помощта на компютърна симулация.

Говорейки за кристалната структура на водата, трябва да се отбележи, че са известни 14 модификации на леда,повечето от които не се срещат в природата, в които водните молекули едновременно запазват своята индивидуалност и са свързани чрез водородни връзки. От друга страна, има много варианти на мрежата от водородни връзки в клатратните хидрати. Енергиите на тези мрежи (ледове с високо налягане и клатратни хидрати) не са много по-високи от енергиите на кубични и шестоъгълни ледове. Следователно фрагменти от такива структури могат да се появят и в течна вода. Възможно е да се проектират безброй различни непериодични фрагменти, молекулите в които имат четири най-близки съседи, разположени приблизително по върховете на тетраедъра, но тяхната структура не съответства на структурите на известни модификации на лед. Многобройни изчисления показват, че енергиите на взаимодействие на молекулите в такива фрагменти ще бъдат близки една до друга и няма причина да се твърди, че някаква структура трябва да преобладава в течната вода.

Структурните изследвания на водата могат да бъдат изследвани с различни методи;протонна магнитно-резонансна спектроскопия, инфрачервена спектроскопия, рентгенова дифракция и др. Например, дифракцията на рентгенови лъчи и неутрони е изследвана многократно. Тези експерименти обаче не могат да дадат подробна информация за структурата. Различни по плътност нехомогенности могат да се видят от рентгеново и неутронно разсейване с малък ъгъл, но такива нехомогенности трябва да са големи, състоящи се от стотици водни молекули. Би било възможно да ги видите и да изследвате разсейването на светлината. Водата обаче е изключително бистра течност. Единственият резултат от дифракционните експерименти е функцията на радиалното разпределение, тоест разстоянието между атомите кислород, водород и кислород-водород. От тях се вижда, че няма далечен ред в подреждането на водните молекули. Тези функции се разпадат много по-бързо за водата, отколкото за повечето други течности. Например разпределението на разстоянията между кислородните атоми при температура, близка до стайната, дава само три максимума, при 2,8, 4,5 и 6,7. Първият максимум съответства на разстоянието до най-близките съседи и стойността му е приблизително равна на дължината на водородната връзка. Вторият максимум е близо до средната дължина на ръба на тетраедъра: не забравяйте, че водните молекули в шестоъгълния лед са разположени във върховете на тетраедъра, описан около централната молекула. А третият максимум, изразен много слабо, съответства на разстоянието до третите и по-далечни съседи във водородната мрежа. Самият този максимум не е много ярък и няма нужда да говорим за следващи пикове. Има опити да се получи по-подробна информация от тези разпределения. Така през 1969 г. И. С. Андрианов и И. З. Фишър намират разстоянията до осмия съсед, докато до петия съсед се оказва 3, а до шестия 3,1. Това позволява да се правят данни за далечната среда на водните молекули.

Друг метод за изследване на структурата - неутронна дифракция върху водни кристали се извършва точно по същия начин като рентгеновата дифракция. Въпреки това, поради факта, че дължините на разсейване на неутрони не се различават толкова много за различните атоми, методът на изоморфно заместване става неприемлив. На практика обикновено се работи с кристал, чиято молекулна структура вече е приблизително установена с други методи. След това се измерват интензитетите на неутронна дифракция за този кристал. Въз основа на тези резултати се извършва трансформация на Фурие, по време на която се използват измерените неутронни интензитети и фази, изчислени, като се вземат предвид неводородните атоми, т.е. кислородни атоми, чиято позиция в структурния модел е известна. Тогава на картата на Фурие, получена по този начин, атомите на водорода и деутерия са представени с много по-големи тегла, отколкото на картата на електронната плътност, т.к. приносът на тези атоми за разсейването на неутрони е много голям. От тази карта на плътността може например да се определят позициите на водородните атоми (отрицателна плътност) и деутериевите атоми (положителна плътност).

Възможен е вариант на този метод, който се състои в това, че образуваният във вода кристал се държи в тежка вода преди измерванията. В този случай неутронната дифракция не само дава възможност да се определи къде се намират водородните атоми, но също така разкрива онези от тях, които могат да бъдат обменени с деутерий, което е особено важно при изследването на изотопния (H-D) обмен. Такава информация помага да се потвърди правилността на установяването на структурата.

Други методи също позволяват да се изследва динамиката на водните молекули. Това са експерименти за квазиеластично разсейване на неутрони, ултрабърза инфрачервена спектроскопия и изследване на водна дифузия с помощта на ЯМР или белязани атоми на деутерий. Методът на ЯМР спектроскопията се основава на факта, че ядрото на водородния атом има магнитен момент-спин, който взаимодейства с магнитни полета, постоянни и променливи. От ЯМР спектъра може да се съди за средата, в която се намират тези атоми и ядра, като по този начин се получава информация за структурата на молекулата.

В резултат на експерименти за квазиеластично разсейване на неутрони във водни кристали, най-важният параметър, коефициентът на самодифузия, беше измерен при различни налягания и температури. За да се прецени коефициентът на самодифузия от квазиеластичното разсейване на неутрони, е необходимо да се направи предположение за природата на молекулярното движение. Ако те се движат в съответствие с модела на Я. И. Френкел (известен местен теоретичен физик, автор на "Кинетичната теория на течностите" - класическа книга, преведена на много езици), наричан още "чакащ скок" модел, тогава времето на установен живот (времето между скокове) на една молекула е 3,2 пикосекунди. Най-новите методи на фемтосекундна лазерна спектроскопия направиха възможно да се оцени продължителността на живота на прекъсната водородна връзка: отнема 200 fs за протон, за да намери партньор. Това обаче са средни стойности. Изучаването на детайлите на структурата и естеството на движението на водните молекули е възможно само с помощта на компютърна симулация, понякога наричана числен експеримент.

Ето как изглежда структурата на водата според резултатите от компютърна симулация (по данни на доктора на химическите науки Г.Г. Маленков). Общата неподредена структура може да бъде разделена на два типа региони (показани с тъмни и светли топки), които се различават по своята структура, например по обема на полиедъра на Вороной (а), степента на тетраедричност на най-близката среда ( b), стойността на потенциалната енергия (c), а също и в присъствието на четири водородни връзки във всяка молекула (d). Тези зони обаче буквално в един момент, след няколко пикосекунди, ще сменят местоположението си.

Симулацията се прави така. Структурата на леда се взема и се нагрява, докато се разтопи. След това, след известно време, за да може водата да забрави своя кристален произход, моментално се правят фотомикроснимки.

За анализ на структурата на водата се избират три параметъра:
- степента на отклонение на локалната среда на молекулата от върховете на правилния тетраедър;
-потенциална енергия на молекулите;
е обемът на така наречения полиедър на Вороной.

За да се конструира този полиедър, човек взема ръб от дадената молекула до най-близката, разделя го наполовина и начертава равнина, перпендикулярна на ръба през тази точка. Това е обемът на молекула. Обемът на полиедър е плътността, тетраедричността, степента на изкривяване на водородните връзки, енергията, степента на стабилност на конфигурацията на молекулите. Молекулите с близки стойности на всеки от тези параметри са склонни да се групират заедно в отделни клъстери. Регионите с ниска и висока плътност имат различни енергийни стойности, но могат да имат и еднакви стойности. Експериментите показват, че региони с различна структура, клъстери, възникват спонтанно и спонтанно се разпадат. Цялата структура на водата живее и непрекъснато се променя, а времето, през което се случват тези промени, е много малко. Изследователите проследиха движенията на молекулите и установиха, че те правят неправилни трептения с честота от около 0,5 ps и амплитуда от 1 ангстрьом. Наблюдавани са и редки бавни скокове в ангстрьоми, които продължават пикосекунди. Като цяло, за 30 ps една молекула може да се движи 8-10 ангстрьома. Животът на местната среда също е малък. Регионите, съставени от молекули с близки стойности на обема на полиедъра на Вороной, могат да се разпаднат за 0,5 ps и могат да живеят няколко пикосекунди. Но разпределението на живота на водородните връзки е много голямо. Но това време не надвишава 40 ps, ​​а средната стойност е няколко ps.

В заключение следва да се подчертае, че Теорията за клъстерната структура на водата има много клопки.Например Зенин предполага, че основният структурен елемент на водата е клъстер от 57 молекули, образувани от сливането на четири додекаедъра. Те имат общи лица, а центровете им образуват правилен тетраедър. Фактът, че водните молекули могат да бъдат разположени във върховете на петоъгълен додекаедър, е известен отдавна; такъв додекаедър е в основата на газовите хидрати. Следователно няма нищо изненадващо в предположението, че такива структури съществуват във водата, въпреки че вече беше казано, че никоя конкретна структура не може да бъде доминираща и да съществува дълго време. Затова е странно, че този елемент се приема за основен и в него влизат точно 57 молекули. От топки, например, е възможно да се съберат същите структури, които се състоят от додекаедри, съседни един на друг и съдържат 200 молекули. Зенин пък твърди, че процесът на триизмерна полимеризация на водата спира на 57 молекули. По-големи сътрудници, според него, не трябва да бъдат. Но ако това беше така, шестоъгълните ледени кристали, които съдържат огромен брой молекули, свързани заедно с водородни връзки, не биха могли да се утаят от водна пара. Изобщо не е ясно защо растежът на клъстера Zenin спря на 57 молекули. За да избегне противоречия, Зенин също опакова клъстерите в по-сложни образувания - ромбоедри - от почти хиляда молекули, като първоначалните клъстери не образуват водородни връзки помежду си. Защо? С какво молекулите на повърхността им се различават от тези вътре? Според Зенин моделът на хидроксилните групи на повърхността на ромбоедрите осигурява паметта на водата. Следователно водните молекули в тези големи комплекси са твърдо фиксирани, а самите комплекси са твърди вещества. Такава вода няма да тече и нейната точка на топене, която е свързана с молекулното тегло, трябва да е доста висока.

Какви свойства на водата обяснява моделът на Зенин? Тъй като моделът се основава на тетраедрични структури, той може повече или по-малко да съответства на данните от рентгеновата и неутронната дифракция. Въпреки това е малко вероятно моделът да може да обясни намаляването на плътността по време на топенето - опаковката на додекаедрите е по-малко плътна от леда. Но най-трудно е да се съгласим с модел с динамични свойства - течливост, голяма стойност на коефициента на самодифузия, кратки времена на корелация и диелектрична релаксация, които се измерват в пикосекунди.

Доцент доктор. О.В. Мосин

Препратки:
Г.Г. Маленков. Напредък във физическата химия, 2001 г
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Тяглов. Експериментално доказателство за наличието на водни фракции. Ж. Хомеопатично лекарство и акупунктура. 1997. № 2. С. 42-46.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов. Хидрофобен модел на структурата на асоциирани водни молекули. J. Физическа химия, 1994 г. Т. 68. № 4. С. 636-641.
С.В. Зенин Изследване на структурата на водата чрез метода на протонния магнитен резонанс. Докл.РАН.1993.Т.332.No3.С.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Природата на хидрофобното взаимодействие. Появата на ориентировъчни полета в водни разтвори. J.Phys.chemistry.1994.T.68.No.3.S.500-503.
С.В. Зенин, Б.В. Тяглов, Г. Б. Сергеев, З.А. Шабарова. Изследване на вътрешномолекулни взаимодействия в нуклеотидни амиди чрез ЯМР. Материали на 2-ра Всесъюзна конф. По динамика Стереохимия. Одеса.1975.с.53.
С.В. Зенин. Структурираното състояние на водата като основа за управление на поведението и безопасността на живите системи. Теза. Доктор на биологичните науки. Държавен научен център "Институт по биомедицински проблеми" (ДНЦ "ИМБП"). Защитен 1999. 05. 27. УДК 577.32:57.089.001.66.207 p.
В И. Слесарев. Отчет за изпълнението на изследванията

Водни свойства

Защо водата е вода?

Сред безкрайното множество от вещества водата със своите физични и химични свойства заема много специално, изключително място. И това трябва да се разбира буквално.

Почти всички физични и химични свойства на водата са изключение в природата. Тя наистина е най-невероятната субстанция на света. Водата е удивителна не само с разнообразието от изотопни форми на молекулата, но и не само с надеждите, които се свързват с нея като неизчерпаем източник на енергия за бъдещето. В допълнение, това е невероятно и неговите - най-често срещаните свойства.

Как се изгражда водната молекула?

Сега се знае много точно как се изгражда една молекула вода. Построен е така.

Взаимното разположение на ядрата на водородните и кислородните атоми и разстоянието между тях са добре проучени и измерени. Оказа се, че водната молекула е нелинейна. Заедно с електронни обвивкиатоми, водната молекула, ако я погледнете "отстрани", може да бъде изобразена така:

т.е. геометрично взаимното разположение на зарядите в молекулата може да бъде изобразено като прост тетраедър. Всички водни молекули с всякакъв изотопен състав са изградени по абсолютно същия начин.

Колко водни молекули има в океана?

един. И този отговор не е съвсем шега. Разбира се, всеки може, след като погледне в справочника и разбере колко вода има в Световния океан, е лесно да изчисли колко молекули H2O съдържа. Но този отговор не е съвсем правилен. Водата е специално вещество. Поради особената структура отделните молекули взаимодействат помежду си. Специална химическа връзка възниква поради факта, че всеки от водородните атоми на една молекула дърпа към себе си електроните на кислородните атоми в съседните молекули. Поради такава водородна връзка, всяка водна молекула е доста силно свързана с четири други съседни молекули, точно както е показано на диаграмата. Вярно е, че тази схема е твърде опростена - тя е плоска, в противен случай не можете да я изобразите на фигурата. Нека си представим малко по-точна картина. За да направите това, трябва да се има предвид, че равнината, в която са разположени водородните връзки (те са обозначени с пунктирана линия) във водната молекула, е насочена перпендикулярно на равнината на водородните атоми.

Всички отделни молекули H2O във водата са свързани в една непрекъсната пространствена решетка - в една гигантска молекула. Следователно твърдението на някои учени физикохимици, че целият океан е една молекула, е напълно основателно. Но това твърдение не трябва да се приема твърде буквално. Въпреки че всички водни молекули във водата са свързани чрез водородни връзки, те са в една и съща тежест в много сложно подвижно равновесие, запазвайки индивидуалните свойства на единичните молекули и образувайки сложни агрегати. Тази идея се отнася не само за водата: парче диамант също е една молекула.

Как се изгражда една ледена молекула?

Няма специални ледени молекули. Молекулите на водата, поради тяхната забележителна структура, са свързани в парче лед една с друга по такъв начин, че всяка от тях е свързана и заобиколена от четири други молекули. Това води до образуването на много рехава структура от лед, в която остава много свободен обем. Правилната кристална структура на леда се изразява в удивителната грация на снежинките и в красотата на мразовитите шарки върху замръзналите прозорци.

Как се изграждат водните молекули във водата?

За съжаление този много важен въпрос все още не е достатъчно проучен. Структурата на молекулите в течната вода е много сложна. Когато ледът се топи, неговата мрежеста структура се запазва частично в получената вода. Молекулите в стопената вода се състоят от много прости молекули - агрегати, които запазват свойствата на леда. С повишаване на температурата някои от тях се разпадат, размерите им намаляват.

Взаимното привличане води до факта, че средният размер на сложна водна молекула в течна вода значително надвишава размера на единична водна молекула. Такава изключителна молекулярна структура на водата определя нейните изключителни физични и химични свойства.

Каква трябва да бъде плътността на водата?

Това е много странен въпрос, нали? Спомнете си как е установена единицата за маса - един грам. Това е масата на един кубичен сантиметър вода. Следователно не може да има съмнение, че плътността на водата трябва да бъде такава, каквато е. Можете ли да се съмнявате? Мога. Теоретиците са изчислили, че ако водата не е запазила рохкава, подобна на лед структура в течно състояние и нейните молекули са плътно опаковани, тогава плътността на водата ще бъде много по-висока. При 25°C то ще бъде равно не на 1,0, а на 1,8 g/cm3.

При каква температура трябва да заври водата?

Този въпрос също е, разбира се, странен. Все пак водата кипи при 100 градуса. Всеки знае това. Освен това всеки знае, че точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане е избрана като една от референтните точки на температурната скала, условно обозначена като 100 ° C.

Въпросът обаче е поставен по различен начин: при каква температура трябва да заври водата? В края на краищата точките на кипене на различните вещества не са случайни. Те зависят от позицията на елементите, които изграждат техните молекули в периодичната система на Менделеев.

Ако сравним химически съединения на различни елементи с еднакъв състав, които принадлежат към една и съща група на периодичната таблица, лесно е да се види, че колкото по-нисък е атомният номер на елемента, толкова по-ниско е атомното му тегло, толкова по-ниска е точката на кипене на неговите съединения. Според химичния си състав водата може да се нарече кислороден хидрид. H2Te, H2Se и H2S са химически аналози на водата. Ако проследим техните точки на кипене и сравним как се променят точките на кипене на хидридите в други групи периодична система, тогава можете доста точно да определите точката на кипене на всеки хидрид, както и на всяко друго съединение. Самият Менделеев по този начин успя да предскаже свойствата на химичните съединения на елементи, които все още не са открити.

Ако определим точката на кипене на кислородния хидрид по позицията му в периодичната таблица, тогава се оказва, че водата трябва да кипи при -80 ° C. Следователно водата кипи приблизително сто и осемдесет градуса по-висока , отколкото трябва да се вари. Точката на кипене на водата - това е нейното най-разпространено свойство - се оказва необикновена и изненадваща.

свойства на всякакви химическо съединениезависи от естеството на елементите, които го образуват и следователно от тяхното положение в периодичната система от химични елементи на Менделеев. Тези графики показват зависимостите на точките на кипене и топене водородни съединения IV и VI група на периодичната система. Водата е поразително изключение. Поради много малкия радиус на протона, силите на взаимодействие между неговите молекули са толкова големи, че е много трудно да се разделят, така че водата кипи и се топи при необичайно високи температури.

Графика А. Нормална зависимост на точката на кипене на хидридите на елементи от IV група от позицията им в периодичната система.

Графика B. Сред хидридите на елементи от група VI водата има аномални свойства: водата трябва да кипи при минус 80 - минус 90 ° C, но кипи при плюс 100 ° C.

Графика Б. Нормална зависимост на точката на топене на хидриди на елементи от IV група от позицията им в периодичната система.

Графика D. Сред хидридите на елементи от група VI водата нарушава реда: трябва да се стопи при минус 100 ° C, а ледените висулки се топят при 0 ° C.

При каква температура замръзва водата?

Въпросът не е ли не по-малко странен от предишните? Е, кой не знае, че водата замръзва при нула градуса? Това е втората референтна точка на термометъра. Това е най-често срещаното свойство на водата. Но дори и в този случай може да се запита: при каква температура трябва да замръзне водата в съответствие с нейната химическа природа? Оказва се, че кислородният хидрид, въз основа на позицията му в периодичната таблица, трябва да се е втвърдил при сто градуса под нулата.

Колко течни състояния на водата има?

На този въпрос не е толкова лесно да се отговори. Разбира се, има и нещо – течна вода, позната на всички ни. Но водата в течно състояние има толкова изключителни свойства, че човек трябва да се чуди дали толкова просто, на пръв поглед непровокативно

без съмнение отговорът? Водата е единственото вещество в света, което след като се стопи, първо се свива, а след това се разширява с повишаване на температурата. При около 4°C водата има най-висока плътност. Тази рядка аномалия в свойствата на водата се обяснява с факта, че в действителност течната вода е сложен разтвор с напълно необичаен състав: това е разтвор на вода във вода.

Когато ледът се топи, първо се образуват големи сложни водни молекули. Те запазват остатъците от рехавата кристална структура на леда и се разтварят в обикновена вода с ниско молекулно тегло. Следователно в началото плътността на водата е ниска, но с повишаването на температурата тези големи молекули се разпадат и следователно плътността на водата се увеличава, докато обичайното топлинно разширение започне да доминира, при което плътността на водата отново пада. Ако това е вярно, тогава са възможни няколко състояния на водата, само че никой не знае как да ги раздели. И все още не се знае дали някога ще бъде възможно да се направи това. Това изключително свойство на водата е от голямо значение за живота. В резервоарите, преди настъпването на зимата, постепенно охлаждащата вода пада, докато температурата на целия резервоар достигне 4 ° C. При по-нататъшно охлаждане отгоре остава по-студена вода и всяко смесване спира. Резултатът е изключителна ситуация: тънък слой студена водастава като "топло одеяло" за всички обитатели на подводния свят. При 4°C се чувстват добре.

Какво трябва да е по-лесно - вода или лед?

Кой не знае това... Все пак ледът плава по водата. Гигантски айсберги плуват в океана. Езерата през зимата са покрити с плаващ твърд слой лед. Разбира се, ледът е по-лек от водата.

Но защо "разбира се"? Толкова ли е ясно? Обратно, обемът на всички твърди веществакогато се разтопи, тя се увеличава и те се давят в собствената си стопилка. Но ледът плува по водата. Това свойство на водата е аномалия в природата, изключение и, освен това, абсолютно забележително изключение.

Положителните заряди във водната молекула са прикрепени към водородните атоми. Отрицателните заряди са валентните електрони на кислорода. Тяхното взаимно разположение във водна молекула може да се представи като прост тетраедър.

Нека се опитаме да си представим как би изглеждал светът, ако водата имаше нормални свойства и ледът, както би трябвало да бъде всяко нормално вещество, е по-плътен от течната вода. През зимата по-плътният лед, който замръзва отгоре, би потънал във водата, непрекъснато потъвайки към дъното на резервоара. През лятото ледът, защитен от слой студена вода, не можеше да се стопи. Постепенно всички езера, езера, реки, потоци ще замръзнат напълно, превръщайки се в гигантски блокове лед. Накрая моретата щяха да замръзнат, а отвъд тях и океаните. Нашият красив цъфтящ зелен свят ще се превърне в непрекъсната ледена пустиня, на места покрита с тънък слой стопена вода.

Колко лед има?

В природата, на нашата Земя – едно: обикновен лед. Ледът е скала с изключителни свойства. Тя е твърда, но тече като течност, а от високите планини бавно текат огромни ледени реки. Ледът е променлив - постоянно изчезва и се образува отново. Ледът е необичайно силен и издръжлив - в продължение на десетки хилядолетия той запазва без промени телата на мамути, случайно загинали в ледникови пукнатини. В своите лаборатории човекът успя да открие най-малко шест различни, не по-малко удивителни леда. Те не могат да бъдат намерени в природата. Те могат да съществуват само при много високо налягане. Обикновеният лед се запазва до налягане от 208 MPa (мегапаскала), но при това налягане се топи при -22 °C. Ако налягането е по-високо от 208 MPa, се появява плътен лед - лед-Sh. По-тежка е от водата и потъва в нея. При по-ниска температура и по-високо налягане - до 300 MPa - се образува още по-плътен лед-P. Налягане над 500 MPa превръща леда в лед-V. Този лед може да се нагрее до почти 0°C и няма да се стопи, въпреки че е под огромно налягане. При налягане от около 2 GPa (гигапаскала) възниква лед-VI. Това е буквално горещ лед - той може да издържи на температури от 80 ° C, без да се стопи.Ice-VII, открит при налягане от 3GPa, може би може да се нарече нажежен лед. Той е най-плътен и огнеупорен от познат лед. Топи се само при 190° над нулата.

Ice-VII има необичайно висока твърдост. Този лед може дори да причини внезапни бедствия. Огромно налягане се развива в лагерите, в които се въртят валовете на мощните турбини на електроцентралите. Ако дори малко вода попадне в смазката, тя ще замръзне, въпреки факта, че температурата на лагерите е много висока. Получените частици лед-VII, които са с голяма твърдост, ще започнат да разрушават вала и лагера и бързо ще ги извадят от строя.

Може би в космоса има лед?

Сякаш има и в същото време много странно. Но е открит от учени на Земята, въпреки че такъв лед не може да съществува на нашата планета. Плътността на всички известни в момента ледове, дори при много високи налягания, само много малко надвишава 1 g/cm3. Плътност на хексагонална и кубична модификация на лед при много ниски налягания и температури, дори близки до абсолютна нула, малко по-малко от единица. Плътността им е 0,94 g/cm3.

Но се оказа, че във вакуум, при незначителни налягания и при температури под -170 ° C, при условия, когато образуването на лед става, когато се кондензира от пара върху охладена твърда повърхност, възниква абсолютно невероятен лед. Плътността му е ... 2,3 g / cm3. Всички известни досега ледове са кристални, а този нов лед изглежда аморфен, характеризиращ се с неподреденото относително разположение на отделните водни молекули; няма определена кристална структура. Поради тази причина понякога се нарича стъклен лед. Учените са сигурни, че този удивителен лед трябва да се появи в космически условия и да играе голяма роля във физиката на планетите и кометите. Откриването на такъв свръхплътен лед беше неочаквано за физиците.

Какво е необходимо, за да се стопи ледът?

Много топлина. Много повече, отколкото да се стопи това количество от всяко друго вещество. Изключително високата специфична топлина на топене - 80 кал (335 J) на грам лед - също е аномално свойство на водата. Когато водата замръзне, това количество топлина се освобождава отново.

Когато настъпи зимата, се образува лед, пада сняг и водата връща топлината, затопляйки земята и въздуха. Те издържат на студа и омекотяват прехода към сурова зима. Благодарение на това прекрасно свойство на водата на нашата планета съществуват есента и пролетта.

Колко топлина е необходима за загряване на вода?

Много. Повече, отколкото за нагряване на равно количество от всяко друго вещество. Необходима е една калория (4,2 J), за да се загрее грам вода с един градус. Това е повече от два пъти топлинния капацитет на всяко химическо съединение.

Водата е вещество, което е още по-необикновено в най-обикновените за нас свойства. Разбира се, тази способност на водата е от голямо значение не само при готвене на вечеря в кухнята. Водата е големият разпределител на топлина по цялата земя. Нагрята от Слънцето под екватора, тя пренася топлина в Световния океан чрез гигантски потоци от морски течения към далечните полярни региони, където животът е възможен само благодарение на тази удивителна характеристика на водата.

Защо морската вода е солена?

Това е може би едно от най-важните следствия от едно от най-невероятните свойства на водата. В неговата молекула центровете на положителните и отрицателните заряди са силно изместени един спрямо друг. Следователно водата има изключително висока, аномална стойност на диелектричната константа. За вода, e \u003d 80, а за въздух и вакуум, e \u003d 1. Това означава, че всеки два противоположни заряда във водата се привличат взаимно със сила 80 пъти по-малка от тази във въздуха. В крайна сметка, според закона на Кулон:

Но все пак междумолекулните връзки във всички тела, които определят здравината на тялото, се дължат на взаимодействието между положителните заряди атомни ядраи отрицателни електрони. На повърхността на тяло, потопено във вода, силите, действащи между молекулите или атомите, са отслабени почти сто пъти под въздействието на водата. Ако оставащата сила на връзката между молекулите стане недостатъчна, за да издържи действието на топлинното движение, молекулите или атомите на тялото започват да се откъсват от повърхността му и преминават във водата. Тялото започва да се разтваря, разпадайки се или на отделни молекули, като захарта в чаша чай, или на заредени частици - йони, като трапезната сол.

Именно поради аномално високата диелектрична проницаемост водата е един от най-силните разтворители. Той дори е в състояние да разтвори всяка скала на земната повърхност. Бавно и неизбежно разрушава дори гранитите, извличайки от тях лесно разтворими съставки.

Потоци, реки и реки носят разтворени примеси в океана. Водата от океана се изпарява и отново се връща на земята, за да продължи своята вечна работа отново и отново. А разтворените соли остават в моретата и океаните.

Не мислете, че водата разтваря и отнася в морето само това, което е лесно разтворимо и то какво морска водасъдържа само обикновена сол, която е на масата за хранене. Не, морската вода съдържа почти всички елементи, които съществуват в природата. Съдържа и магнезий, и калций, и сяра, и бром, и йод, и флуор. В по-малки количества в него се срещат желязо, мед, никел, калай, уран, кобалт, дори сребро и злато. Над шестдесет елемента са открити от химиците в морската вода. Вероятно всички останали ще бъдат намерени. Най-много в морската вода има готварска сол. Следователно водата в морето е солена.

Можете ли да бягате по повърхността на водата?

Мога. За да се убедите в това, погледнете повърхността на всяко езерце през лятото. По водата не само ходи, но и тича много живи и бързи хора. Ако вземем предвид, че площта на опора за краката на тези насекоми е много малка, тогава е лесно да се разбере, че въпреки малкото си тегло, повърхността на водата може да издържи значително налягане, без да пробие .

Може ли водата да тече нагоре?

Да може би. Това се случва постоянно и навсякъде. Самата вода се издига в почвата, намокряйки цялата дебелина на земята от нивото на подземните води. Самата вода се издига нагоре по капилярните съдове на дървото и помага на растението да достави разтворени хранителни вещества на голяма височина - от дълбоко скрити в земята корени до листа и плодове. Самата вода се движи нагоре в порите на попивателната хартия, когато трябва да изсушите петното, или в тъканта на кърпата, когато избършете лицето си. В много тънки тръби - в капиляри - водата може да се издигне на височина до няколко метра.

Какво обяснява това?

Друга забележителна характеристика на водата е нейното изключително високо повърхностно напрежение. Молекулите на водата на нейната повърхност изпитват действието на силите на междумолекулно привличане само от едната страна, а във водата това взаимодействие е аномално голямо. Следователно всяка молекула на повърхността му се изтегля в течността. В резултат на това възниква сила, която дърпа повърхността на течността.За водата тя е особено голяма: нейното повърхностно напрежение е 72 mN / m (милинютон на метър).

Може ли водата да помни?

Подобен въпрос звучи, разбира се, много необичайно, но е доста сериозен и много важен. Касае се за голям физико-химичен проблем, който в най-важната си част все още не е изследван. Този въпрос е само поставен в науката, но все още не е намерил отговор.

Въпросът е дали предишната история на водата влияе или не на нейните физични и химични свойства и дали е възможно чрез изучаване на свойствата на водата да разберем какво се е случило с нея по-рано - да накараме самата вода да "помни" и да ни каже за това. Да, възможно е, колкото и изненадващо да изглежда. Най-лесният начин да разберете това е прост, но много интересен и необичаен пример - паметта на леда.

Ледът е вода. Когато водата се изпари, изотопният състав на водата и парата се променя. Леката вода се изпарява, макар и в незначителна степен, но по-бързо от тежката вода.

Когато естествената вода се изпари, съставът се променя в изотопното съдържание не само на деутерий, но и на тежък кислород. Тези промени в изотопния състав на парите са много добре проучени, както и тяхната зависимост от температурата също е добре проучена.

Наскоро учените организираха забележително преживяване. В Арктика, в дебелината на огромен ледник в северната част на Гренландия, беше положен сондаж и беше пробито и извлечено гигантско ледено ядро ​​с дължина почти един и половина километра. На него ясно се виждаха годишните слоеве растящ лед. Тези слоеве бяха подложени на изотопен анализ по цялата дължина на ядрото и температурите на образуване на годишни слоеве лед във всяка секция на ядрото бяха определени от относителното съдържание на тежки изотопи на водород и кислород - деутерий и 18O. Датата на формиране на годишния слой се определя чрез директно отчитане. Така климатичната ситуация на Земята се възстанови в продължение на хилядолетие. Водата успя да запомни и запише всичко това в дълбоките слоеве на гренландския ледник.

В резултат на изотопни анализи на ледени слоеве учените са построили крива на изменението на климата на Земята. Оказа се, че средната температура у нас е подложена на вековни колебания. През 15 век е било много студено, в края на XVIIв. и в началото на XIX. Най-горещите години са били 1550 и 1930 г.

Тогава каква е мистерията на „паметта“ на водата?

Факт е, че през последните години науката постепенно натрупа много невероятни и напълно неразбираеми факти. Някои от тях са твърдо установени, други изискват количествено надеждно потвърждение и всички все още чакат своето обяснение.

Например, все още никой не знае какво се случва с водата, която тече през силно магнитно поле. Теоретичните физици са абсолютно сигурни, че нищо не може и не се случва с нея, затвърждавайки убеждението си с доста надеждни теоретични изчисления, от които следва, че след прекратяване на магнитното поле водата трябва моментално да се върне в предишното си състояние и да остане така, както беше . И опитът показва, че се променя и става различен.

Има ли голяма разлика? Преценете сами. от обикновена водав парния котел разтворените соли, изтичайки, се отлагат в плътен и твърд като камък слой по стените на тръбите на котела и от магнетизираната вода (както сега се нарича в техниката) се утаяват в форма на рохкава утайка, суспендирана във вода. Изглежда, че разликата е малка. Но зависи от гледната точка. Според работниците в топлоелектрическите централи тази разлика е изключително важна, тъй като магнетизираната вода осигурява нормалната и непрекъсната работа на гигантските електроцентрали: стените на тръбите на парните котли не надрасват, топлообменът е по-висок и повече електроенергия генерирани. Магнитната подготовка за вода отдавна е инсталирана в много топлоелектрически централи, но нито инженери, нито учени знаят как и защо работи. Освен това опитът показва, че след магнитно третиране на водата в нея се ускоряват процесите на кристализация, разтваряне, адсорбция, промени в омокрянето ... във всички случаи обаче ефектите са малки и трудни за възпроизвеждане.

Действието на магнитното поле върху водата (непременно бързо течаща) продължава малка част от секундата, а водата „помни“ това за десетки часове. Защо не е известно. В това отношение практиката е много по-напред от науката. В крайна сметка не е известно повече върху какво точно действа магнитното третиране - върху водата или върху съдържащите се в нея примеси. Няма такова нещо като чиста вода.

„Паметта“ на водата не се ограничава до запазване на ефектите от магнитното въздействие. В науката съществуват и постепенно се натрупват много факти и наблюдения, които показват, че водата изглежда „помни“, че е била замръзнала преди.

Разтопената вода, наскоро получена чрез топене на парче лед, също изглежда различна от водата, от която е образувано това парче лед. В разтопена вода семената покълват по-бързо и по-добре, кълновете се развиват по-бързо; тогава, сякаш, пилетата растат и се развиват по-бързо, които получават разтопена вода. В допълнение към невероятните свойства на стопената вода, установени от биолозите, са известни и чисто физически и химични разлики, например стопената вода се различава по вискозитет, по стойността на диелектричната константа. Вискозитетът на стопената вода приема обичайната си стойност за водата само 3-6 дни след топенето. Защо това е така (ако е така), никой не знае.

Повечето изследователи наричат ​​тази област от явления "структурна памет" на водата, вярвайки, че всички тези странни прояви на влиянието на предишната история на водата върху нейните свойства се обясняват с промяна във фината структура на нейното молекулярно състояние. Може би това е така, но ... да назовеш не е същото като да обясниш. Все още има важен проблем в науката: защо и как водата „помни“ какво се е случило с нея.

Откъде идва водата на Земята?

Завинаги, във всички посоки, Вселената е пронизана от потоци космически лъчи - потоци от частици с огромна енергия. Най-вече те съдържат протони - ядрата на водородните атоми. При движението си в космоса нашата планета непрекъснато е подложена на "протонна бомбардировка". Прониквайки в горните слоеве на земната атмосфера, протоните улавят електрони, превръщат се във водородни атоми и веднага реагират с кислорода, образувайки вода. Изчислението показва, че всяка година почти един и половина тона такава "космическа" вода се ражда в стратосферата. На голяма надморска височина при ниски температури еластичността на водната пара е много ниска и водните молекули, постепенно се натрупват, кондензират върху частици космически прах, образувайки мистериозни сребристи облаци. Учените предполагат, че те се състоят от най-малките ледени кристали, възникнали от такава "космическа" вода. Изчислението показа, че водата, която се появи по този начин на Земята през цялата й история, ще бъде достатъчно, за да роди всички океани на нашата планета. Значи водата е дошла на Земята от космоса? Но...

Геохимиците не смятат водата за небесен гост. Те са убедени, че тя има земен произход. Скалите, които изграждат земната мантия, която се намира между централното ядро ​​на земята и земната кора, под въздействието на натрупаната топлина радиоактивно разпаданеизотопи, стопени на места. От тях се отделят летливи компоненти: азот, хлор, въглеродни съединения, сяра, най-вече водни пари.

Колко изригвания биха могли да бъдат изхвърлени от всички вулкани през цялото съществуване на нашата планета?

Учените са изчислили това. Оказа се, че такава изригнала "геологична" вода също би била достатъчна, за да напълни всички океани.

В централните части на нашата планета, които формират нейното ядро, вероятно няма вода. Малко вероятно е тя да съществува там. Някои учени смятат, че освен това, ако и кислородът, и водородът присъстват там, тогава те, заедно с други елементи, трябва да образуват нови за науката, неизвестни металоподобни форми на съединения с висока плътност, стабилни при онези огромни налягания и температури, които преобладават в центъра на земното кълбо..

Други изследователи са сигурни, че ядрото на земното кълбо се състои от желязо. Това, което всъщност не е толкова далеч от нас, под краката ни, на дълбочина над 3 хиляди километра, все още не е известно на никого, но вероятно там няма вода.

По-голямата част от водата в недрата на Земята е в нейната мантия - слоеве, разположени под земната кора и простиращи се приблизително на дълбочина от 3 хиляди км. Геолозите смятат, че в мантията са концентрирани най-малко 13 милиарда кубически метра. км вода.

Най-горният слой на земната обвивка - земната корасъдържа още около 1,5 млрд. куб.м. км вода. Почти цялата вода в тези слоеве е в свързано състояние – тя е част от скалии минерали, образувайки хидрати. В тази вода не можеш да се къпеш и няма да я пиеш.

Хидросферата – водната обвивка на земното кълбо се формира от около 1,5 млрд. куб.м. км вода. Почти цялото това количество се съдържа в океаните. Заема около 70% от цялата земна повърхност, площта му е над 360 милиона квадратни метра. км. От космоса планетата ни изобщо не прилича на кълбо, а по-скоро на водна топка.

Средната дълбочина на океана е около 4 км. Ако сравним тази „бездънна дълбочина“ с размерите на самото земно кълбо, чийто среден диаметър е равен на km, тогава, напротив, ще трябва да признаем, че живеем на влажна планета, тя е само леко навлажнена с вода и дори тогава не по цялата повърхност. Водата в океаните и моретата е солена - не можете да я пиете.

На сушата има много малко вода: само около 90 милиона кубически метра. км. От тях повече от 60 милиона кубични метра. km е под земята, почти цялата е солена вода. Около 25 милиона кубични метра km твърда вода се намира в планински и ледникови райони, в Арктика, в Гренландия, в Антарктика. Тези водни запаси на земното кълбо са запазени.

Всички езера, блата, изкуствени резервоари и почвата съдържат още 500 хиляди кубически метра. км вода.

Водата също присъства в атмосферата. Винаги има във въздуха, дори и в най-безводните пустини, където няма капка вода и никога не вали, и тогава има много водна пара. Освен това облаците винаги плуват по небето, облаците се събират, вали сняг, вали, мъглата се разпространява по земята. Всички тези запаси от вода в атмосферата са изчислени точно: всички те, взети заедно, възлизат само на 14 хиляди кубически метра. км.

Въведение

1. Структурата на водните молекули

2. Структурата на водата в трите й агрегатни състояния

3. Разновидности на водата

4. Ненормални свойства на водата

5. Фазови преобразувания и диаграма на състоянието на водата

6. Модели на структурата на вода и лед

7. Инертни видове лед

Заключение

Библиография

Въведение

Водата е най-важното вещество на Земята, без което не може да съществува жив организъм и нито един биологичен, химична реакция, и технологични процеси.

Водата (водороден оксид) е течност без мирис, вкус и цвят (синкава в дебели слоеве); H 2 O, казват те. м. 18.016, най-простата стабилна връзка. водород с кислород.

Водата е едно от най-често срещаните вещества в природата. Покрива около 3/4 от цялата земна повърхност, образувайки основата на океаните, моретата, езерата, реките, подземните води и блатата. Голямо количество вода има и в атмосферата. Растенията и живите организми съдържат 50-96% вода в състава си.

В междузвездното пространство са открити водни молекули. Водата е част от кометите, повечето планети от Слънчевата система и техните спътници. Количеството вода на повърхността на Земята се оценява на 1,39 * 10 18 тона, по-голямата част от която се съдържа в моретата и океаните. Количеството прясна вода, налично за използване в реки, езера, блата и резервоари, е 2*10 4 тона.2,5-3,010 16 тона, което е само 0,0004% от масата на цялата ни планета.Това количество обаче е достатъчно да покрие цялата повърхност земно кълбо 53 метра слой и ако цялата тази маса внезапно се стопи, превръщайки се във вода, тогава нивото на Световния океан ще се повиши с около 64 метра в сравнение със сегашното.), има приблизително същото количество подземни води и само малко част от него е пресен. Атмосферата съдържа прибл. 1,3 * 10 13 тона вода. Водата е част от много минерали и скали (глина, гипс и др.), присъства в почвата и е основен компонент на всички живи организми.

Плътност H 2 O \u003d 1 g / cm3 (при 3,98 градуса), t pl. = 0 градуса и t kip = 100 градуса. Топлинният капацитет на водата е 4,18 J / (g / K) Mr (H 2 O) \u003d 18 и съответства на най-простата му формула. въпреки това молекулна масатечна вода, определена чрез изследване на нейните разтвори в други разтворители, е по-висока. Това показва, че в течната вода има асоцииране на молекули, т.е. комбинирането им в по-сложни агрегати. Водата е единственото вещество в природата, което съществува на земята във всичките три агрегатни състояния: Голяма част от водата е в газообразно състояние под формата на пари в атмосферата; лежи под формата на огромни маси от сняг и лед през цялата годинапо върховете на високите планини и в полярните страни. В недрата на земята също има вода, която напоява почвата и скалите.

Климатът зависи от водата. Геофизиците казват, че Земята отдавна би се охладила и би се превърнала в безжизнено парче камък, ако не беше водата. Тя има много висок топлинен капацитет. При нагряване поглъща топлина; охлаждайки го раздава. Водата на сушата хем поема, хем връща много топлина и така "изравнява" климата. А Земята е защитена от космическия студ от тези водни молекули, които са разпръснати в атмосферата - в облаци и под формата на пари ... не можете без вода - това е най-важното вещество на Земята.

Водата е познато и необичайно вещество. известен съветски учен

Академик И. В. Петрянов нарече научно-популярната си книга за водата „най-необикновеното вещество в света“. И "Занимателна физиология", написана от доктора на биологичните науки Б. Ф. Сергеев, започва с глава за водата - "Веществото, което създаде нашата планета".

1. Структурата на водната молекула

От всички обичайни течности водата е най-универсалният разтворител, течността с най-високи стойности на повърхностно напрежение, диелектрична константа, топлина на изпаряване и най-високата (след амоняка) топлина на топене. За разлика от повечето вещества, водата се разширява, когато замръзне при ниско налягане.

Тези специфични свойства на водата са свързани със специалната структура на нейната молекула. Химична формулавода H 2 0 е измамно проста. Във водната молекула ядрата на водородните атоми са разположени асиметрично по отношение на ядрото на кислородния атом и електроните. Ако кислородният атом е в центъра на тетраедъра, центровете на масата на двата водородни атома ще бъдат в ъглите на тетраедъра, а зарядните центрове на двете двойки електрони ще заемат другите два ъгъла (фиг. 1.1). ). По този начин четири електрона се намират на възможно най-голямото разстояние както от ядрото на кислородния атом, така и от ядрата на водородните атоми, при което те все още се привличат от ядрото на кислородния атом. Останалите шест електрона на водната молекула са разположени по следния начин: четири електрона са в позиция, която осигурява химическа връзка между ядрата на кислородните и водородните атоми, а другите два са разположени близо до ядрото на кислородния атом.

Асиметричното разположение на атомите на водната молекула причинява неравномерно разпределение на електрическите заряди в нея, което прави водната молекула полярна. Тази структура на водната молекула причинява привличането на водните молекули една към друга в резултат на образуването на водородни връзки между тях. Подреждането на водородните и кислородните атоми вътре в образуваните агрегати от водни молекули е подобно на разположението на силициевите и кислородните атоми в кварца. Това се отнася за леда и в по-малка степен за течната вода, чиито агрегати от молекули винаги са в етап на преразпределение. Когато водата се охлажда, нейните молекули се групират в агрегати, които постепенно се увеличават и стават все по-стабилни, когато се приближават до температура от 4 ° C, когато водата достига максималната си плътност. При тази температура водата все още няма твърда структура и заедно с дългите вериги от нейните молекули има голям брой отделни водни молекули. При по-нататъшно охлаждане веригите от водни молекули растат поради добавянето на свободни молекули към тях, в резултат на което плътността на водата намалява. Когато водата се превърне в лед, всички нейни молекули влизат в повече или по-малко твърда структура под формата на отворени вериги, които образуват кристали.

Фиг.1.1 Структурата на водната молекула

Взаимно проникване на водородни и кислородни атоми. Ядрата на два водородни атома и две двойки електрони са разположени в ъглите на тетраедъра: ядрото на кислородния атом е разположено в центъра.

Високите стойности на повърхностното напрежение и топлината на изпаряване на водата се обясняват с факта, че е необходим относително голям разход на енергия за отделяне на водна молекула от група молекули. Склонността на водните молекули да установяват водородни връзки и тяхната полярност обяснява необичайно високата разтворимост на водата. Някои съединения, като захари и алкохоли, се държат в разтвор чрез водородни връзки. Съединения, които имат висока степенйонизационни входове, като натриев хлорид, се задържат в разтвор поради факта, че йони с противоположни заряди се неутрализират от групи от ориентирани водни молекули.

Друга особеност на водната молекула е, че както водородните, така и кислородните атоми могат да имат различни маси за един и същи ядрен заряд. Разновидности химичен елементс различни атомни тегла се наричат ​​изотопи на този елемент. Водната молекула обикновено се образува от водород с атомно тегло 1 (H 1) и кислород с атомно тегло 16 (O 16). Повече от 99% от водните атоми принадлежат към тези изотопи. Освен това има следните изотопи: H 2, H 3, O 14, O 15, O 17, O 18, O 19. Много от тях се натрупват във водата в резултат на частичното й изпарение и поради тяхната голяма маса. Изотопите H 3 , O 14 , O 15 , O 19 са радиоактивни. Най-често срещаният от тях е тритий Н 3, който се образува в горните слоеве на атмосферата под въздействието на космическите лъчи. Този изотоп се е натрупал и в резултат на ядрени експлозии през последните няколко години. Въз основа на тези и други факти за изотопите, чрез анализиране на изотопния състав на водата е възможно частично да се разкрие историята на някои природни води. По този начин съдържанието на тежки изотопи в повърхностни водисвидетелства за дългосрочното изпаряване на водата, което се случва например в Мъртво море, Голямото солено езеро и други ендореични резервоари. Повишените нива на тритий в подземните води може да означават, че тези води са с метеоритен произход с висока скорост на циркулация, тъй като полуживотът на този изотоп е само 12,4 години. За съжаление, изотопният анализ е твърде скъп и поради тази причина не може да се използва широко в изследвания на природни води.

Водната молекула H 2 O е изградена под формата на триъгълник: ъгълът между двете кислородно-водородни връзки е 104 градуса. Но тъй като и двата водородни атома са разположени от една и съща страна на кислорода, електрическите заряди в него се разпръскват. Молекулата на водата е полярна, което е причината за особеното взаимодействие между различните й молекули.

Водородните атоми в молекулата на H 2 O, имащи положителен частичен заряд, взаимодействат с електроните на кислородните атоми на съседните молекули. Такава химична връзка се нарича водородна връзка. Той комбинира H 2 O молекули в полимери с уникална пространствена структура; равнината, в която са разположени водородните връзки, е перпендикулярна на равнината на атомите на една и съща молекула Н 2 О. Взаимодействието между водните молекули обяснява преди всичко неравномерно високите температури на нейното топене и кипене. Необходима е допълнителна енергия за разхлабване и след това разрушаване на водородните връзки. И тази енергия е много значима. Ето защо топлинният капацитет на водата е толкова висок.

Както повечето вещества, водата е изградена от молекули, а последната от атоми.