Ջուրը ծանոթ և անսովոր նյութ է: Մեր մոլորակի մակերեսի գրեթե 3/4-ը զբաղեցնում են օվկիանոսներն ու ծովերը։ կոշտ ջուր- ձյուն և մերկասառույց - ցամաքի 20%-ը ծածկված է։ Մոլորակի կլիման կախված է ջրից։ Երկրաֆիզիկոսներն ասում են Երկիրը վաղուց սառչած կլիներ ու վերածվեր անշունչ քարի, եթե չլիներ ջուրը։Նա ունի շատ բարձր ջերմային հզորություն: Երբ տաքացվում է, այն կլանում է ջերմությունը; սառչում է, տալիս է այն: Ցամաքային ջուրը և՛ կլանում է, և՛ վերադարձնում է շատ ջերմություն և այդպիսով «հավասարեցնում» է կլիման։ Իսկ այդ ջրի մոլեկուլները, որոնք ցրված են մթնոլորտում՝ ամպերի մեջ և գոլորշիների տեսքով, պաշտպանում են Երկիրը տիեզերական ցրտից։

Ջուրը բնության մեջ ԴՆԹ-ից հետո ամենաառեղծվածային նյութն է,ունենալով եզակի հատկություններ, որոնք ոչ միայն դեռ ամբողջությամբ չեն բացատրվել, այլև հայտնի չեն բոլորից: Որքան երկար է այն ուսումնասիրվում, այնքան նորանոր անոմալիաներ ու առեղծվածներ են հայտնաբերվում նրա մեջ։ Այս անոմալիաների մեծ մասը, որոնք ապահովում են Երկրի վրա կյանքի հնարավորությունը, բացատրվում են ջրի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերի առկայությամբ, որոնք շատ ավելի ուժեղ են, քան վան դեր Վալսի ձգողական ուժերը այլ նյութերի մոլեկուլների միջև, բայց մեծության կարգով ավելի թույլ են։ քան իոնային և կովալենտային կապերմոլեկուլների ատոմների միջև: Նույն ջրածնային կապերը առկա են նաև ԴՆԹ-ի մոլեկուլում։

Ջրի մոլեկուլը (H 2 16 O) բաղկացած է երկու ջրածնի ատոմներից (H) և մեկ թթվածնի ատոմից (16 O): Պարզվում է, որ ջրի հատկությունների գրեթե ողջ բազմազանությունը և դրանց դրսևորման անսովոր բնույթը, ի վերջո, որոշվում է. ֆիզիկական բնույթայս ատոմները, ինչպես են դրանք միավորվում մոլեկուլի մեջ և ստացված մոլեկուլների խմբավորումը:

Բրինձ. Ջրի մոլեկուլի կառուցվածքը . H2O մոնոմերի երկրաչափական սխեման (ա), հարթ մոդել (b) և տարածական էլեկտրոնային կառուցվածք (c): Թթվածնի ատոմի արտաքին թաղանթի չորս էլեկտրոններից երկուսը մասնակցում են ջրածնի ատոմների հետ կովալենտային կապերի ստեղծմանը, իսկ մյուս երկուսը կազմում են խիստ երկարաձգված էլեկտրոնային ուղեծրեր, որոնց հարթությունը ուղղահայաց է H-O-H հարթությանը։

Ջրի H 2 O մոլեկուլը կառուցված է եռանկյունու տեսքով՝ թթվածին-ջրածին երկու կապերի անկյունը 104 աստիճան է։ Բայց քանի որ ջրածնի երկու ատոմներն էլ գտնվում են թթվածնի նույն կողմում, էլեկտրական լիցքերկենտրոնացած են դրանում։ Ջրի մոլեկուլը բևեռային է, ինչով էլ պայմանավորված է նրա տարբեր մոլեկուլների հատուկ փոխազդեցությունը։ H 2 O մոլեկուլի ջրածնի ատոմները, ունենալով մասնակի դրական լիցք, փոխազդում են հարևան մոլեկուլների թթվածնի ատոմների էլեկտրոնների հետ։ Նման քիմիական կապը կոչվում է ջրածնային կապ: Այն միավորում է H 2 O մոլեկուլները տարածական կառուցվածքի յուրահատուկ ասոցիացիաների մեջ. հարթությունը, որում գտնվում են ջրածնային կապերը, ուղղահայաց է նույն H 2 O մոլեկուլի ատոմների հարթությանը: Ջրի մոլեկուլների փոխազդեցությունը հիմնականում բացատրում է դրա հալման և եռման անկանոն բարձր ջերմաստիճանները: Ջրածնային կապերը թուլացնելու, ապա կոտրելու համար լրացուցիչ էներգիա է անհրաժեշտ։ Եվ այս էներգիան շատ նշանակալի է։ Այդ իսկ պատճառով ջրի ջերմունակությունն այդքան բարձր է։

Ջրի մոլեկուլն ունի երկու բևեռային H–O կովալենտային կապ։ Դրանք առաջանում են թթվածնի ատոմի երկու մեկէլեկտրոնային p-ամպերի և երկու ջրածնի ատոմների մեկէլեկտրոն S-ամպերի համընկնման պատճառով։

Ջրածնի և թթվածնի ատոմների էլեկտրոնային կառուցվածքին համապատասխան՝ ջրի մոլեկուլն ունի չորս էլեկտրոնային զույգ։ Նրանցից երկուսը ներգրավված են ջրածնի երկու ատոմների հետ կովալենտային կապերի ձևավորման մեջ, այսինքն. պարտավորեցնող են. Մյուս երկու էլեկտրոնային զույգերն ազատ են, չեն կապվում: Նրանք ձևավորում են էլեկտրոնային ամպ: Ամպը անհամասեռ է. նրանում կարելի է առանձնացնել առանձին կոնցենտրացիաներ և հազվադեպություն:

Ջրի մոլեկուլում կա լիցքերի չորս բևեռ՝ երկուսը դրական, երկուսը բացասական։ Դրական լիցքերը կենտրոնացած են ջրածնի ատոմներում, քանի որ թթվածինն ավելի էլեկտրաբացասական է, քան ջրածինը։ Երկու բացասական բևեռներ ընկնում են թթվածնի երկու ոչ կապող էլեկտրոնային զույգերի վրա:

Թթվածնի միջուկում առաջանում է էլեկտրոնային խտության ավելցուկ։ Թթվածնի ներքին էլեկտրոնային զույգը հավասարաչափ շրջանակում է միջուկը. այն սխեմատիկորեն ներկայացված է շրջանով, որի կենտրոնն է՝ O 2 միջուկը: Չորս արտաքին էլեկտրոնները խմբավորված են երկու էլեկտրոնային զույգերի, որոնք ձգվում են դեպի միջուկը, բայց մասամբ չեն փոխհատուցվում։ Սխեմատիկորեն այս զույգերի ընդհանուր էլեկտրոնային ուղեծրերը ցուցադրվում են որպես էլիպսներ՝ ձգված ընդհանուր կենտրոնից՝ O 2- միջուկից: Մնացած երկու թթվածնի էլեկտրոններից յուրաքանչյուրը զուգակցվում է մեկ ջրածնի էլեկտրոնի հետ: Այս գոլորշիները նույնպես ձգվում են դեպի թթվածնի միջուկը։ Հետևաբար, ջրածնի միջուկները՝ պրոտոնները, որոշ չափով մերկ են, և այստեղ առկա է էլեկտրոնային խտության պակաս։

Այսպիսով, ջրի մոլեկուլում տարբերվում են լիցքերի չորս բևեռներ.երկու բացասական (էլեկտրոնների ավելցուկային խտությունը թթվածնի միջուկի տարածքում) և երկու դրական (էլեկտրոնի խտության բացակայություն երկու ջրածնի միջուկներում): Ավելի մեծ պարզության համար կարելի է պատկերացնել, որ բևեռները զբաղեցնում են դեֆորմացված քառանիստի գագաթները, որի կենտրոնում կա թթվածնի միջուկ։

Բրինձ. Ջրի մոլեկուլի կառուցվածքը. a-ն անկյունն է O-H պարտատոմսեր; բ - լիցքավորման բևեռների գտնվելու վայրը. գ – ջրի մոլեկուլի էլեկտրոնային ամպի տեսքը.

Գրեթե գնդաձև ջրի մոլեկուլն ունի ընդգծված բևեռականություն, քանի որ դրանում էլեկտրական լիցքերը գտնվում են ասիմետրիկորեն: Ջրի յուրաքանչյուր մոլեկուլ մանրանկարչական դիպոլ է, որի դիպոլային մոմենտը կազմում է 1,87 դեբեյ: Debye-ը 3.33564·10 30 C·m էլեկտրական դիպոլի արտահամակարգային միավոր է: Ջրի դիպոլների ազդեցությամբ նրա մեջ ընկղմված նյութի մակերեսի միջատոմային կամ միջմոլեկուլային ուժերը թուլանում են 80 անգամ։ Այլ կերպ ասած, ջուրն ունի բարձր դիէլեկտրական հաստատուն, որը մեզ հայտնի բոլոր միացություններից ամենաբարձրն է:

Հիմնականում դրա շնորհիվ ջուրը դրսևորվում է որպես ունիվերսալ լուծիչ: Պինդները, հեղուկները և գազերը այս կամ այն ​​չափով ենթակա են դրա լուծարման գործողությանը:

Ջրի տեսակարար ջերմունակությունն ամենաբարձրն է բոլոր նյութերի մեջ։ Բացի այդ, այն 2 անգամ ավելի բարձր է, քան սառույցը, մինչդեռ պարզ նյութերի մեծ մասի համար (օրինակ՝ մետաղների) ջերմային հզորությունը գործնականում չի փոխվում հալման ժամանակ, իսկ պոլիատոմային մոլեկուլներից նյութերի դեպքում, որպես կանոն, այն նվազում է հալման ժամանակ։

Մոլեկուլի կառուցվածքի նման պատկերացումը թույլ է տալիս բացատրել ջրի շատ հատկություններ, մասնավորապես՝ սառույցի կառուցվածքը։ Սառույցի բյուրեղային ցանցում մոլեկուլներից յուրաքանչյուրը շրջապատված է չորս ուրիշներով: Հարթ պատկերում սա կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ.

Մոլեկուլների միջև հաղորդակցությունն իրականացվում է ջրածնի ատոմի միջոցով։ Ջրի մեկ մոլեկուլի դրական լիցքավորված ջրածնի ատոմը ձգվում է մեկ այլ ջրի մոլեկուլի բացասական լիցքավորված թթվածնի ատոմով: Նման կապը կոչվում է ջրածնային կապ (նշվում է կետերով): Ամրության առումով ջրածնային կապը մոտ 15–20 անգամ ավելի թույլ է, քան կովալենտային կապը։ Հետեւաբար, ջրածնային կապը հեշտությամբ կոտրվում է, ինչը նկատվում է, օրինակ, ջրի գոլորշիացման ժամանակ։

Բրինձ. ձախ - Ջրածնային կապեր ջրի մոլեկուլների միջև

Հեղուկ ջրի կառուցվածքը նման է սառույցի կառուցվածքին: Հեղուկ ջրի մեջ մոլեկուլները միմյանց հետ կապված են նաև ջրածնային կապերի միջոցով, սակայն ջրի կառուցվածքն ավելի քիչ «կոշտ» է, քան սառույցը։ Ջրի մեջ մոլեկուլների ջերմային շարժման պատճառով որոշ ջրածնային կապեր կոտրվում են, մյուսները՝ առաջանում։

Բրինձ. Սառցե բյուրեղյա վանդակ: Ջրի մոլեկուլները H 2 O (սև գնդիկներ) իր հանգույցներում տեղակայված են այնպես, որ յուրաքանչյուրն ունի չորս «հարևան»:

Ջրի մոլեկուլների բևեռականությունը, դրանցում մասամբ չփոխհատուցված էլեկտրական լիցքերի առկայությունը առաջացնում է մոլեկուլները խմբավորելու հակվածություն ընդլայնված «համայնքների»՝ ասոցիատների մեջ։ Պարզվում է, որ միայն գոլորշի վիճակում գտնվող ջուրը լիովին համապատասխանում է H2O բանաձեւին։ Դա ցույց են տվել ջրի գոլորշու մոլեկուլային քաշի որոշման արդյունքները։ 0-ից 100°C ջերմաստիճանային միջակայքում առանձին (մոնոմերային մոլեկուլների) հեղուկ ջրի կոնցենտրացիան չի գերազանցում 1%-ը։ Բոլոր մյուս ջրի մոլեկուլները միավորվում են տարբեր աստիճանի բարդության ասոցիացիաների մեջ, և դրանց բաղադրությունը նկարագրվում է ընդհանուր բանաձևով (H 2 O)x:

Ասոցիատների ձևավորման անմիջական պատճառը ջրածնային կապերն են ջրի մոլեկուլների միջև: Դրանք առաջանում են որոշ մոլեկուլների ջրածնի միջուկների և ջրի այլ մոլեկուլների թթվածնի միջուկների էլեկտրոնային «կմբուկների» միջև։ Ճիշտ է, այդ կապերը տասն անգամ ավելի թույլ են, քան «ստանդարտ» ներմոլեկուլային քիմիական կապերը, և դրանք ոչնչացնելու համար բավական են սովորական մոլեկուլային շարժումները։ Բայց ջերմային թրթռումների ազդեցության տակ հեշտությամբ առաջանում են նաև այս տեսակի նոր կապեր։ Գործընկերների առաջացումը և քայքայումը կարող է արտահայտվել սխեմայով.

x H 2 O↔ (H 2 O) x

Քանի որ յուրաքանչյուր ջրի մոլեկուլում էլեկտրոնային ուղեծրերը կազմում են քառանիստ կառուցվածք, ջրածնային կապերը կարող են պատվիրել ջրի մոլեկուլների դասավորությունը քառաեդրային համակարգված ասոցիացիաների տեսքով:

Հետազոտողների մեծամասնությունը հեղուկ ջրի անոմալ բարձր ջերմունակությունը բացատրում է նրանով, որ երբ սառույցը հալվում է, նրա բյուրեղային կառուցվածքը անմիջապես չի քայքայվում: Հեղուկ ջրում պահպանվում են ջրածնային կապերը մոլեկուլների միջև։ Այն մնում է, ասես, սառույցի բեկորներ՝ կապված ջրի մոլեկուլների մեծ կամ փոքր քանակի հետ: Այնուամենայնիվ, ի տարբերություն սառույցի, յուրաքանչյուր ասոցիացիա երկար ժամանակ գոյություն չունի: Անընդհատ տեղի է ունենում ոմանց ոչնչացում և այլ ասոցիացիաների ձևավորում։ Ջրի յուրաքանչյուր ջերմաստիճանի արժեքի դեպքում այս գործընթացում հաստատվում է իր սեփական դինամիկ հավասարակշռությունը: Իսկ երբ ջուրը տաքացվում է, ջերմության մի մասը ծախսվում է ասոցիատներում ջրածնային կապերը կոտրելու վրա։ Այս դեպքում յուրաքանչյուր կապը խզելու վրա ծախսվում է 0,26-0,5 էՎ։ Սա բացատրում է ջրի անոմալ բարձր ջերմունակությունը՝ համեմատած ջրածնային կապեր չառաջացնող այլ նյութերի հալվածքների հետ։ Երբ այդպիսի հալոցները տաքացվում են, էներգիան ծախսվում է միայն նրանց ատոմներին կամ մոլեկուլներին ջերմային շարժումներ հաղորդելու վրա։ Ջրի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերն ամբողջությամբ կոտրվում են միայն այն ժամանակ, երբ ջուրն անցնում է գոլորշու մեջ: Այս տեսակետի ճիշտության մասին է վկայում նաև այն փաստը, որ 100°C-ում ջրի գոլորշիների հատուկ ջերմությունը գործնականում համընկնում է 0°C-ում սառույցի տեսակարար ջերմության հետ։

Ստորև նկարը.

Ասոցիացիայի տարրական կառուցվածքային տարրը կլաստերն է. Բրինձ. Առանձին հիպոթետիկ ջրային կլաստեր: Առանձին կլաստերներ կազմում են ջրի մոլեկուլների ասոցիացիաներ (H 2 O) x: Բրինձ. Ջրի մոլեկուլների կլաստերները կազմում են ասոցիացիաներ:

Կա մեկ այլ տեսակետ ջրի անոմալ բարձր ջերմունակության բնույթի վերաբերյալ։ Պրոֆեսոր Գ. Եվ Դուլոնգի և Պետիտի օրենքի համաձայն, բոլոր քիմիապես պարզ (միատոմ) բյուրեղային մարմինների ատոմային ջերմային հզորությունները բավականաչափ բարձր ջերմաստիճանում նույնն են և հավասար են 6 կալԴմոլ օ դեգ. Իսկ եռատոմայինների համար, որոնց գրամում կա 3 N a բյուրեղյա վանդակավոր տեղամասեր, 3 անգամ ավելի։ (Այստեղ N a-ն Ավոգադրոյի թիվն է):

Այստեղից հետևում է, որ ջուրը, այսպես ասած, բյուրեղային մարմին է, որը բաղկացած է եռատոմային H 2 0 մոլեկուլներից: Սա համապատասխանում է ջրի ընդհանուր գաղափարին որպես բյուրեղանման միավորների խառնուրդ ազատ H 2 O ջրի փոքր խառնուրդով: մոլեկուլներ նրանց միջև, որոնց թիվը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: Այս տեսանկյունից զարմանալի է ոչ թե հեղուկ ջրի բարձր ջերմունակությունը, այլ ցածրը ամուր սառույց. Սառեցման ժամանակ ջրի հատուկ ջերմության նվազումը բացատրվում է սառույցի կոշտ բյուրեղային ցանցում ատոմների լայնակի ջերմային թրթիռների բացակայությամբ, որտեղ յուրաքանչյուր պրոտոն, որն առաջացնում է ջրածնային կապ, ունի միայն մեկ աստիճան ջերմային թրթռումների համար երեքի փոխարեն:

Բայց ինչի՞ շնորհիվ և ինչպե՞ս կարող են ջրի ջերմունակության նման մեծ փոփոխություններ առաջանալ առանց ճնշման համապատասխան փոփոխությունների: Այս հարցին պատասխանելու համար եկեք հանդիպենք երկրաբանական և հանքաբանական գիտությունների թեկնածու Յու.Ա.Կոլյասնիկովի վարկածով ջրի կառուցվածքի մասին։

Նա նշում է, որ նույնիսկ ջրածնային կապերը հայտնագործողներ Ջ. Բերնալը և Ռ. Ֆաուլերը 1932 թվականին համեմատել են հեղուկ ջրի կառուցվածքը քվարցի բյուրեղային կառուցվածքի հետ, և վերը նշված ասոցիատները հիմնականում 4H 2 0 տետրամերներն են, որոնցում չորս մոլեկուլ ջրեր են։ միացված է կոմպակտ քառաեդրոնում տասներկու ներքին ջրածնային կապերով: Արդյունքում ձևավորվում է քառանիստ բուրգ՝ քառանիստ։

Միևնույն ժամանակ, այս տետրամերների ջրածնային կապերը կարող են ձևավորել ինչպես աջակողմյան, այնպես էլ ձախակողմյան հաջորդականություններ, ինչպես որ տարածված քվարցի բյուրեղները (Si0 2), որոնք ունեն նաև քառաեզր կառուցվածք, լինում են աջակողմյան և ձախակողմյան բյուրեղներով։ ձևերը. Քանի որ յուրաքանչյուր այդպիսի ջրային քառամեր ունի նաև չորս չօգտագործված արտաքին ջրածնային կապեր (ինչպես մեկ ջրի մոլեկուլ), այդ տետրամերները կարող են միացվել այս արտաքին կապերով մի տեսակ պոլիմերային շղթաների մեջ, ինչպես ԴՆԹ-ի մոլեկուլը: Եվ քանի որ կան միայն չորս արտաքին կապեր, և երեք անգամ ավելի շատ ներքին կապեր, դա թույլ է տալիս հեղուկ ջրի ծանր և ուժեղ քառամերներին թեքվել, պտտվել և նույնիսկ կոտրել ջերմային թրթռանքներից թուլացած այս արտաքին ջրածնային կապերը: Հենց դա է առաջացնում ջրի հոսքը։

Ջուրը, ըստ Կոլյասնիկովի, նման կառուցվածք ունի միայն հեղուկ վիճակում և, հնարավոր է, մասնակիորեն գոլորշի վիճակում։ Բայց սառույցի մեջ, որի բյուրեղային կառուցվածքը լավ ուսումնասիրված է, տետրահիդրոլները փոխկապակցված են ոչ ճկուն հավասար ուժգնությամբ ուղղակի ջրածնային կապերով բացված շրջանակի մեջ, որի մեջ մեծ բացեր կան, ինչը սառույցի խտությունը դարձնում է ավելի քիչ, քան ջրի խտությունը:

Բրինձ. Սառույցի բյուրեղային կառուցվածքը. ջրի մոլեկուլները միացված են կանոնավոր վեցանկյուններ

Երբ սառույցը հալվում է, դրանում առկա ջրածնային կապերի մի մասը թուլանում և թեքվում է, ինչը հանգեցնում է կառուցվածքի վերադասավորման վերը նկարագրված տետրամերների և հեղուկ ջուրը դարձնում սառույցից ավելի խիտ: 4°C-ում ձևավորվում է մի վիճակ, երբ տետրամերների միջև բոլոր ջրածնային կապերը առավելագույնս թեքված են, ինչը որոշում է ջրի առավելագույն խտությունը այս ջերմաստիճանում: Հետագա կապերը թեքվելու տեղ չունեն:

4°C-ից բարձր ջերմաստիճանում սկսվում է տետրամերների միջև առանձին կապերի խզումը, իսկ 36–37°C ջերմաստիճանում կոտրվում է արտաքին ջրածնային կապերի կեսը։ Սա որոշում է ջերմաստիճանից ջրի հատուկ ջերմային հզորության կախվածության կորի նվազագույնը: 70°C ջերմաստիճանի դեպքում գրեթե բոլոր միջտետրամերային կապերն արդեն կոտրված են, և ազատ տետրամերների հետ միասին ջրի մեջ մնում են դրանց «պոլիմերային» շղթաների միայն կարճ բեկորները։ Վերջապես, երբ ջուրը եռում է, տեղի է ունենում այժմ միայնակ տետրամերների վերջնական խզումը H 2 0-ի առանձին մոլեկուլների մեջ: Եվ այն հանգամանքը, որ հատուկ ջերմությունջրի գոլորշիացումը ուղիղ 3 անգամ ավելի է, քան սառույցի հալման հատուկ ջերմությունների գումարը և ջրի հետագա տաքացումը մինչև 100 ° C, հաստատում է Կոլյասնիկովի այն ենթադրությունը, որ. որ տետրամերի ներքին կապերի թիվը 3 անգամ մեծ է արտաքին կապերի թվից։

Ջրի նման քառանիստ պտուտակավոր կառուցվածքը կարող է պայմանավորված լինել նրա հնագույն ռեոլոգիական կապով երկրակեղևում տարածված քվարցի և սիլիցիում-թթվածնային այլ հանքանյութերի հետ, որոնց խորքերից ժամանակին ջուր է հայտնվել Երկրի վրա: Ինչպես աղի փոքր բյուրեղը ստիպում է իրեն շրջապատող լուծույթը բյուրեղացնել իր նման բյուրեղների մեջ, և ոչ թե ուրիշների, այնպես էլ քվարցը ստիպեց ջրի մոլեկուլները շարվել քառաեզրական կառուցվածքներում, որոնք էներգետիկ առումով առավել բարենպաստ են: Իսկ մեր դարաշրջանում երկրագնդի մթնոլորտում ջրային գոլորշիները, խտանալով կաթիլների մեջ, ձևավորում են նման կառուցվածք, քանի որ մթնոլորտը միշտ պարունակում է աերոզոլային ջրի փոքրիկ կաթիլներ, որոնք արդեն ունեն այս կառուցվածքը: Դրանք մթնոլորտում ջրի գոլորշիների խտացման կենտրոններն են։ Ստորև բերված են հնարավոր շղթայական սիլիկատային կառուցվածքներ, որոնք հիմնված են քառանիստի վրա, որը նույնպես կարող է կազմված լինել ջրային քառաեդրից:

Բրինձ. Տարրական կանոնավոր սիլիցիում-թթվածին քառաեդրոն SiO 4 4- .

Բրինձ. Սիլիցիում-թթվածնի տարրական միավորներ-օրթո խմբեր SiO 4 4- Mg-pyroxene enstatite (a) և diortho խմբերի կառուցվածքում Ca-pyroxenoid wollastonite-ում (b):

Բրինձ. Կղզու սիլիցիում-թթվածին անիոնային խմբերի ամենապարզ տեսակները՝ a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, g-Si 4 O 12, e-Si 6 O 18:

Բրինձ. ներքևում - Սիլիցիում-թթվածնային շղթայի անիոնային խմբերի ամենակարևոր տեսակները (ըստ Բելովի). , n-մետաֆոսֆատ, k - ֆտորոբերիլատ, l - բարիլիտ:

Բրինձ. ներքևում - Պիրոքսենի սիլիցիում-թթվածնային անիոնների խտացումը բջջային երկշարք ամֆիբոլի (ա), եռաշարանի ամֆիբոլանման (բ), շերտավոր թալկի և հարակից անիոնների մեջ (c):

Բրինձ. ներքևում - Ժապավենի սիլիցիում-թթվածնային խմբերի ամենակարևոր տեսակները (ըստ Բելովի). ա - սիլիմանիտ, ամֆիբոլ, քոնոտլիտ; b-էպիդիդիմիտ; s-orthoclase; g-narsarsukite; դ-ֆենացիտ պրիզմատիկ; e-euclase մոդայիկ.

Բրինձ. աջ կողմում - Մուսկովիտ KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 շերտավոր բյուրեղային կառուցվածքի մի հատված (տարրական փաթեթ), որը ցույց է տալիս ալյումինասիլիցիում-թթվածնային ցանցերի միջշերտավորումը մեծ ալյումինի և կալիումի կատիոնների բազմաշերտ շերտերով, որոնք հիշեցնում են ԴՆԹ: .

Հնարավոր են նաև ջրային կառուցվածքի այլ մոդելներ։ Չորրանկյունով կապված ջրի մոլեկուլները ձևավորում են բավականին կայուն կազմի յուրահատուկ շղթաներ։ Հետազոտողները հայտնաբերում են ջրային զանգվածի «ներքին կազմակերպման» ավելի ու ավելի նուրբ ու բարդ մեխանիզմներ։ Բացի սառույցի նման կառուցվածքից, հեղուկ ջրից և մոնոմերային մոլեկուլներից, նկարագրվել է նաև կառուցվածքի երրորդ տարրը՝ ոչ քառանիստը։

Ջրի մոլեկուլների որոշակի մասը կապված է ոչ թե եռաչափ շրջանակների, այլ գծային օղակների ասոցիացիաների մեջ: Օղակները, երբ խմբավորվում են, ձևավորում են ասոցացվածների էլ ավելի բարդ բարդույթներ:

Այսպիսով, ջուրը տեսականորեն կարող է ձևավորել շղթաներ, ինչպես ԴՆԹ-ի մոլեկուլը, որը կքննարկվի ստորև: Այս վարկածում հետաքրքիր է նաև, որ այն ենթադրում է աջ և ձախակողմյան ջրի գոյության հավասար հավանականություն։ Բայց կենսաբանները վաղուց նկատել են, որ կենսաբանական հյուսվածքներում և կառուցվածքներում նկատվում են միայն ձախ կամ աջակողմյան գոյացություններ։ Դրա օրինակը սպիտակուցի մոլեկուլներն են, որոնք կառուցված են միայն ձախակողմյան ամինաթթուներից և ոլորված միայն ձախակողմյան պարույրով: Սակայն վայրի բնության մեջ շաքարները բոլորն էլ աջլիկ են: Ոչ ոք դեռ չի կարողացել բացատրել, թե ինչու է վայրի բնության մեջ նման նախապատվությունը որոշ դեպքերում ձախին, իսկ որոշ դեպքերում՝ աջին: Իսկապես, անշունչ բնության մեջ հավասար հավանականությամբ հանդիպում են և՛ աջակողմյան, և՛ ձախակողմյան մոլեկուլները։

Ավելի քան հարյուր տարի առաջ ֆրանսիացի հայտնի բնագետ Լուի Պաստերը բացահայտեց դա օրգանական միացություններԲույսերի և կենդանիների կազմի մեջ օպտիկապես ասիմետրիկ են. նրանք պտտում են լույսի բևեռացման հարթությունը նրանց վրա: Բոլոր ամինաթթուները, որոնք կազմում են կենդանիները և բույսերը, պտտում են բևեռացման հարթությունը դեպի ձախ, իսկ բոլոր շաքարները՝ աջ: Եթե ​​սինթեզենք նույնը քիմիական բաղադրությունըմիացություններ, ապա նրանցից յուրաքանչյուրը կունենա հավասար թվով ձախ և աջակողմյան մոլեկուլներ:

Ինչպես գիտեք, բոլոր կենդանի օրգանիզմները կազմված են սպիտակուցներից, և նրանք իրենց հերթին ամինաթթուներից են։ Միանալով միմյանց տարբեր հաջորդականություններով՝ ամինաթթուները ձևավորում են երկար պեպտիդային շղթաներ, որոնք ինքնաբերաբար «պտտվում» են բարդ սպիտակուցային մոլեկուլների: Ինչպես շատ այլ օրգանական միացություններ, ամինաթթուներն ունեն քիրալային համաչափություն (հունարեն chiros - ձեռք), այսինքն՝ դրանք կարող են գոյություն ունենալ երկու հայելային սիմետրիկ ձևերով, որոնք կոչվում են «էնանտիոմերներ»։ Նման մոլեկուլները նման են միմյանց, ինչպես ձախ և աջ ձեռք, ուստի դրանք կոչվում են D- և L-մոլեկուլներ (լատ. dexter, laevus - աջ և ձախ)։

Հիմա պատկերացրեք, որ ձախ և աջ մոլեկուլներով միջավայրն անցել է մի վիճակի, որտեղ միայն ձախ կամ միայն աջ մոլեկուլներ կան: Մասնագետները նման միջավայրն անվանում են քիրալային (հունարեն «հեյրա» - ձեռք բառից) պատվիրված: Կենդանիների ինքնավերարտադրումը (բիոպոեզիա - ըստ Դ. Բերնալի սահմանման) կարող էր առաջանալ և պահպանվել միայն նման միջավայրում։

Բրինձ. Հայելային համաչափություն բնության մեջ

Էնանտիոմերային մոլեկուլների մեկ այլ անվանում՝ «աջլիկ» և «ձախլիկ», գալիս է լույսի բևեռացման հարթությունը տարբեր ուղղություններով պտտելու նրանց կարողությունից։ Եթե ​​գծային բևեռացված լույսն անցնում է նման մոլեկուլների լուծույթով, ապա դրա բևեռացման հարթությունը պտտվում է. Եվ նույն խառնուրդի մեջ քանակները D-and L-աձև (կոչվում է «ռասեմատ») լույսը կպահպանի իր սկզբնական գծային բևեռացումը: Քիրալային մոլեկուլների այս օպտիկական հատկությունը առաջին անգամ հայտնաբերվել է Լուի Պաստերի կողմից 1848 թվականին։

Հետաքրքիր է, որ գրեթե բոլոր բնական սպիտակուցները բաղկացած են միայն ձախակողմյան ամինաթթուներից: Այս փաստն առավել զարմանալի է, քանի որ ամինաթթուների սինթեզը լաբորատոր պայմաններում արտադրում է մոտավորապես նույն թվով աջ և ձախ մոլեկուլներ: Պարզվում է, որ այս հատկանիշն օժտված է ոչ միայն ամինաթթուներով, այլև կենդանի համակարգերի համար կարևոր բազմաթիվ այլ նյութերով, և յուրաքանչյուրն ունի հայելու համաչափության խիստ սահմանված նշան ամբողջ կենսոլորտում։ Օրինակ՝ բազմաթիվ նուկլեոտիդներ կազմող շաքարները, ինչպես նաև ԴՆԹ և ՌՆԹ նուկլեինաթթուները մարմնում ներկայացված են բացառապես ճիշտ D-մոլեկուլներով։ Չնայած «հայելային հակապոդների» ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները համընկնում են, սակայն նրանց ֆիզիոլոգիական ակտիվությունը օրգանիզմներում տարբեր է՝ L-caxara-ն չի ներծծվում, L-ֆենիլալանինը, ի տարբերություն իր անվնաս D-մոլեկուլների, առաջացնում է հոգեկան հիվանդություններ և այլն։

Երկրի վրա կյանքի ծագման մասին ժամանակակից պատկերացումների համաձայն, օրգանական մոլեկուլների կողմից հայելային համաչափության որոշակի տեսակի ընտրությունը նրանց գոյատևման և հետագա ինքնավերարտադրության հիմնական նախապայմանն էր: Այնուամենայնիվ, հարցը, թե ինչպես և ինչու է տեղի ունեցել այս կամ այն ​​հայելային հակապոդի էվոլյուցիոն ընտրությունը, դեռևս գիտության ամենամեծ առեղծվածներից մեկն է:

Խորհրդային գիտնական Լ. Ակադեմիկոս Վ.Ի.Գոլդանսկին այս անցումը, որի շնորհիվ առաջացել է կյանքը Երկրի վրա, անվանել է քիրալային աղետ:

Ինչպե՞ս են առաջացել քիրալային անցման պատճառ դարձած փուլային աղետի պայմանները:

Ամենակարևորն այն էր, որ օրգանական միացությունները երկրակեղևում հալվում էին 800-1000 0C ջերմաստիճանում, իսկ վերինները սառչում էին մինչև տիեզերքի ջերմաստիճանը, այսինքն՝ բացարձակ զրո։ Ջերմաստիճանի անկումը հասել է 1000°C-ի։ Նման պայմաններում օրգանական մոլեկուլներհալվել է բարձր ջերմաստիճանի ազդեցության տակ և նույնիսկ ամբողջությամբ ոչնչացվել, իսկ գագաթը մնացել է սառը, քանի որ օրգանական մոլեկուլները սառել են: Երկրի ընդերքից արտահոսած գազերն ու ջրի գոլորշիները փոխեցին օրգանական միացությունների քիմիական բաղադրությունը։ Գազերն իրենց հետ ջերմություն են տարել՝ պատճառ դառնալով, որ օրգանական շերտի հալման սահմանը շարժվել է վեր ու վար՝ առաջացնելով գրադիենտ։

Մթնոլորտային շատ ցածր ճնշման դեպքում ջուրը եղել է երկրի մակերեսըմիայն գոլորշու և սառույցի տեսքով: Երբ ճնշումը հասավ այսպես կոչված ջրի եռակի կետին (0,006 մթնոլորտ), ջուրն առաջին անգամ կարող էր լինել հեղուկի տեսքով։

Իհարկե, միայն փորձարարական եղանակով է հնարավոր ապացուցել, թե կոնկրետ ինչն է առաջացրել քիրալային անցումը` երկրային կամ տիեզերական պատճառներ: Բայց այսպես թե այնպես, ինչ-որ պահի քիրալային պատվիրված մոլեկուլները (մասնավորապես՝ ձախակողմյան ամինաթթուները և աջակողմյան շաքարները) պարզվեց, որ ավելի կայուն էին, և սկսվեց դրանց թվի անկասելի աճը. քիրալային անցում:

Մոլորակի տարեգրությունը պատմում է նաև, որ այն ժամանակ Երկրի վրա ոչ սարեր կային, ոչ իջվածքներ։ Գրանիտի կիսահալած կեղևը նույնքան հարթ մակերես էր, որքան ժամանակակից օվկիանոսի մակարդակը: Այնուամենայնիվ, այս հարթավայրում դեռևս իջումներ են եղել Երկրի ներսում զանգվածների անհավասար բաշխման պատճառով։ Այս իջեցումները չափազանց կարևոր դեր են խաղացել։

Փաստն այն է, որ հարյուրավոր և նույնիսկ հազարավոր կիլոմետրերի տրամագծով և հարյուր մետրից ոչ ավելի խորությամբ հարթ հատակով իջվածքները, հավանաբար, դարձել են կյանքի օրրան։ Չէ՞ որ մոլորակի մակերեսին հավաքված ջուրը հոսել է նրանց մեջ։ Ջուրը նոսրացրել է մոխրի շերտի քիրալային օրգանական միացությունները: Միացության քիմիական բաղադրությունը աստիճանաբար փոխվեց, և ջերմաստիճանը կայունացավ։ Անջուր պայմաններում սկսված անշունչից կենդանի անցումը շարունակվեց արդեն ջրային միջավայրում։

Սա՞ է կյանքի ծագումը: Ամենայն հավանականությամբ՝ այո։ Isua (Արևմտյան Գրենլանդիա) երկրաբանական հատվածում, որը 3,8 միլիարդ տարեկան է, հայտնաբերվել են բենզինի և նավթի նման միացություններ՝ ֆոտոսինթետիկ ածխածնի համար բնորոշ C12/C13 իզոտոպային հարաբերակցությամբ։

Եթե ​​հաստատվի Իսուայի հատվածից ածխածնի միացությունների կենսաբանական բնույթը, ապա կպարզվի, որ Երկրի վրա կյանքի ծագման ողջ ժամանակահատվածը՝ քիրալ օրգանական նյութերի առաջացումից մինչև ֆոտոսինթեզ և վերարտադրման ունակ բջիջի հայտնվելը, եղել է։ ավարտվել է ընդամենը հարյուր միլիոն տարում: Եվ այս գործընթացում ջրի մոլեկուլները և ԴՆԹ-ն հսկայական դեր խաղացին:

Ջրի կառուցվածքի ամենազարմանալին այն է, որ ջրի մոլեկուլները ցածր բացասական ջերմաստիճանի և բարձր ճնշման նանոխողովակների ներսում կարող են բյուրեղանալ կրկնակի պարուրաձևի տեսքով, որը հիշեցնում է ԴՆԹ: Դա ապացուցվել է Նեբրասկայի համալսարանի (ԱՄՆ) Սյաո Չեն Զենի գլխավորությամբ ամերիկացի գիտնականների համակարգչային փորձարկումներով։

ԴՆԹ-ն կրկնակի շղթա է, որը ոլորված է պարույրի մեջ:Յուրաքանչյուր շարանը բաղկացած է «աղյուսներից»՝ հաջորդաբար կապված նուկլեոտիդներից։ ԴՆԹ-ի յուրաքանչյուր նուկլեոտիդ պարունակում է չորս ազոտային հիմքերից մեկը՝ գուանին (G), ադենին (A) (պուրիններ), թիմին (T) և ցիտոզին (C) (պիրիմիդիններ), որոնք կապված են դեզօքսիռիբոզի հետ, վերջինս, իր հերթին, ֆոսֆատ։ խումբը կցված է: Իրենց միջև հարակից նուկլեոտիդները շղթայով միացված են ֆոսֆոդիստերային կապով, որը ձևավորվում է 3 «-հիդրոքսիլ (3»-OH) և 5»-ֆոսֆատ խմբերով (5»-PO3): Այս հատկությունը որոշում է ԴՆԹ-ում բևեռականության առկայությունը, այսինքն. հակառակ ուղղությամբ, այն է՝ 5 «- և 3» ծայրեր. մեկ թելի 5» ծայրը համապատասխանում է երկրորդ թելի 3» ծայրին: Նուկլեոտիդների հաջորդականությունը թույլ է տալիս «կոդավորել» տեղեկատվություն ՌՆԹ-ի տարբեր տեսակների մասին, որոնցից ամենակարևորներն են ինֆորմացիան կամ կաղապարը (mRNA), ռիբոսոմային (rRNA) և տրանսպորտային (tRNA): ՌՆԹ-ի այս բոլոր տեսակները սինթեզվում են ԴՆԹ-ի կաղապարի վրա՝ պատճենելով ԴՆԹ-ի հաջորդականությունը տառադարձման ժամանակ սինթեզված ՌՆԹ-ի հաջորդականության մեջ և մասնակցում են կյանքի ամենակարևոր գործընթացին՝ տեղեկատվության փոխանցմանը և պատճենմանը (թարգմանություն):

ԴՆԹ-ի առաջնային կառուցվածքը շղթայում ԴՆԹ նուկլեոտիդների գծային հաջորդականությունն է: ԴՆԹ-ի շղթայում նուկլեոտիդների հաջորդականությունը գրված է ԴՆԹ բառացի բանաձևի տեսքով՝ օրինակ՝ AGTCATGCCAG, գրառումը ԴՆԹ-ի շղթայի 5 «3» ծայրից է։

ԴՆԹ-ի երկրորդական կառուցվածքը ձևավորվում է նուկլեոտիդների (հիմնականում ազոտային հիմքերի) միմյանց հետ փոխազդեցության, ջրածնային կապերի շնորհիվ։ ԴՆԹ-ի երկրորդական կառուցվածքի դասական օրինակ է ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրը: ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրը բնության մեջ ԴՆԹ-ի ամենատարածված ձևն է, որը բաղկացած է ԴՆԹ-ի երկու պոլինուկլեոտիդային շղթաներից: Յուրաքանչյուր նոր ԴՆԹ շղթայի կառուցումն իրականացվում է փոխլրացման սկզբունքով, այսինքն. ԴՆԹ-ի մի շղթայի յուրաքանչյուր ազոտային հիմքը համապատասխանում է մյուս շղթայի խիստ սահմանված հիմքին. լրացնող զույգում A-ին հակառակ T-ն է, իսկ G-ին հակառակը՝ C-ն և այլն:

Որպեսզի ջուրը պարուրաձև ձևավորի, ինչպես նմանակված փորձի ժամանակ, այն «տեղադրվեց» նանոխողովակների մեջ բարձր ճնշման տակ՝ տարբեր փորձարկումների ժամանակ տատանվելով 10-ից մինչև 40000 մթնոլորտ: Դրանից հետո սահմանվել է ջերմաստիճանը, որն ուներ -23°C արժեք։ Պահուստը ջրի սառեցման կետի համեմատ կազմվել է այն բանի շնորհիվ, որ ճնշման բարձրացման հետ ջրի սառույցի հալման կետը նվազում է։ Նանոխողովակների տրամագիծը տատանվում էր 1,35-ից 1,90 նմ:

Բրինձ. Ընդհանուր ձևջրային կառույցներ (պատկերը՝ New Scientist-ի կողմից)

Ջրի մոլեկուլները միմյանց կապված են ջրածնային կապերով, թթվածնի և ջրածնի ատոմների միջև հեռավորությունը 96 pm է, իսկ երկու ջրածնի միջև՝ 150 pm: Պինդ վիճակում թթվածնի ատոմը մասնակցում է ջրածնային երկու կապերի առաջացմանը հարեւան ջրի մոլեկուլների հետ։ Այս դեպքում առանձին H 2 O մոլեկուլները միմյանց հետ շփվում են հակառակ բևեռներով։ Այսպիսով, ձևավորվում են շերտեր, որոնցում յուրաքանչյուր մոլեկուլ կապված է իր շերտի երեք մոլեկուլների և հարևաններից մեկի հետ։ Արդյունքում, սառույցի բյուրեղային կառուցվածքը բաղկացած է վեցանկյուն «խողովակներից», որոնք փոխկապակցված են մեղրախիսխի նման։

Բրինձ. Ջրային կառուցվածքի ներքին պատը (Նոր գիտնականի պատկեր)

Գիտնականները ակնկալում էին տեսնել, որ ջուրը բոլոր դեպքերում կազմում է բարակ խողովակային կառուցվածք: Այնուամենայնիվ, մոդելը ցույց է տվել, որ 1,35 նմ խողովակի տրամագծով և 40000 մթնոլորտ ճնշման դեպքում ջրածնային կապերը ոլորվել են, ինչը հանգեցրել է կրկնակի պատի պարույրի ձևավորմանը։ Այս կառուցվածքի ներքին պատը քառապատիկ պարույր է, իսկ արտաքին պատը բաղկացած է չորս կրկնակի պարույրներից, որոնք նման են ԴՆԹ-ի մոլեկուլի կառուցվածքին։

Վերջին փաստը ազդում է ոչ միայն ջրի մասին մեր պատկերացումների, այլև էվոլյուցիայի վրա վաղ կյանքև հենց ԴՆԹ-ի մոլեկուլը: Եթե ​​ենթադրենք, որ կյանքի ծագման դարաշրջանում կրիոլիտիկ կավե ապարներն ունեցել են նանոխողովակների ձև, հարց է առաջանում՝ կարո՞ղ է դրանցում ներծծված ջուրը ծառայել որպես կառուցվածքային հիմք (մատրիցան) ԴՆԹ սինթեզի և տեղեկատվության ընթերցման համար։ Թերևս դա է պատճառը, որ ԴՆԹ-ի պտուտակավոր կառուցվածքը կրկնում է ջրի պարուրաձև կառուցվածքը նանոխողովակներում։ Ըստ New Scientist ամսագրի՝ այժմ մեր արտասահմանցի գործընկերները պետք է հաստատեն նման ջրային մակրոմոլեկուլների առկայությունը իրական փորձարարական պայմաններում՝ օգտագործելով ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիան և նեյտրոնային ցրման սպեկտրոսկոպիան։

բ.գ.թ. Օ.Վ. Մոսին

Աշխատանք 1

Ձյան փաթիլները որպես ֆիզիկայի երևույթ

Աշխատանքը կատարել է Դանիիլ Խոլոդյակովը

Նպատակներ. Իմացեք ավելին ձյան փաթիլների մասին MKT տեսանկյունից

Առաջադրանքներ՝ հասկանալ ձյան փաթիլների ձևավորման բնույթը

1. Ձյան փաթիլների ձևավորում

2. ձյան փաթիլների ձևեր

3. Բյուրեղների համաչափություն

4. Նույնական ձյան փաթիլներ

5. Գույն և լույս

6. Լրացուցիչ նյութեր

1. Երբևէ նայե՞լ եք ձյան փաթիլին և մտածել, թե ինչպես է այն ձևավորվում և ինչու է այն տարբերվում նախկինում տեսած ձյան այլ տեսակներից:

Ձյան փաթիլները ջրային սառույցի հատուկ ձև են: Ձյան փաթիլները ձևավորվում են ամպերի մեջ, որոնք կազմված են ջրային գոլորշուց։ Երբ ջերմաստիճանը 32°F (0°C) կամ ավելի ցուրտ է, ջուրը հեղուկից վերածվում է սառույցի: Ձյան փաթիլների ձևավորման վրա ազդում են մի քանի գործոններ. Ջերմաստիճանը, օդի հոսանքները, խոնավությունը - այս ամենն ազդում է դրանց ձևի և չափի վրա: Կեղտը և փոշին կարող են խառնվել ջրի մեջ և փոխել բյուրեղների քաշն ու ամրությունը: Կեղտոտ մասնիկները ձյան փաթիլն ավելի ծանր են դարձնում, այն կարող են հակված դարձնել հալման և կարող են առաջացնել բյուրեղի ճաքեր և կոտրվածքներ: Ձյան փաթիլի ձևավորումը դինամիկ գործընթաց է։ Ձյան փաթիլը կարող է հանդիպել տարբեր պայմանների միջավայրը, երբեմն հալվում է, երբեմն աճում - ձյան փաթիլի կառուցվածքը անընդհատ փոխվում է:

2. Որո՞նք են ձյան փաթիլների ամենատարածված ձևերը:

Սովորաբար, վեցանկյուն բյուրեղները ձևավորվում են բարձր ամպերի մեջ, ասեղներ կամ հարթ վեցակողմ բյուրեղներ ձևավորվում են միջին բարձրության ամպերում, իսկ վեցակողմ ձևերի լայն տեսականի ձևավորվում է ցածր ամպերի մեջ: Ավելի ցուրտ ջերմաստիճանը բյուրեղների կողքերին ավելի սուր ծայրերով ձյան փաթիլներ է ստեղծում և կարող է հանգեցնել սլաքների ճյուղավորման: Ձյան փաթիլները, որոնք հայտնվում են ավելի տաք պայմաններում, ավելի դանդաղ են աճում, ինչը հանգեցնում է ավելի հարթ և ավելի քիչ բարդ ձևի:

0; -3°C - բարակ վեցանկյուն թիթեղներ

3; -6° C - ասեղներ

6; -10 ° C - խոռոչ սյուներ

տասը; -12°C - հատվածային թիթեղներ (վեցանկյուններ՝ խորշերով)

12; -15°C - Դենդրիտներ (ժանյակային վեցանկյուն ձևեր)

3. Ինչու են ձյան փաթիլները սիմետրիկ:

Նախ, ոչ բոլոր ձյան փաթիլներն են նույնը բոլոր կողմերից: Անհավասար ջերմաստիճանը, կեղտի առկայությունը և այլ գործոններ կարող են հանգեցնել ձյան փաթիլի թեքության: Այնուամենայնիվ, ճիշտ է, որ շատ ձյան փաթիլներ ունեն սիմետրիկ և շատ բարդ կառուցվածք: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ձյան փաթիլի ձևն արտացոլում է ջրի մոլեկուլների ներքին կարգը: Պինդ վիճակում գտնվող ջրի մոլեկուլները, ինչպիսիք են ձյունը և սառույցը, թույլ կապեր են կազմում (այսպես կոչված՝ ջրածնային կապեր): Այս դասավորված դասավորությունները հանգեցնում են ձյան փաթիլի սիմետրիկ, վեցանկյուն ձևին: Բյուրեղացման ժամանակ ջրի մոլեկուլները ենթարկվում են ձգողականության առավելագույն ուժին, իսկ վանող ուժերը նվազագույնի են հասցվում։ Հետևաբար, ջրի մոլեկուլները շարվում են տվյալ տարածություններում որոշակի դասավորությամբ, օրինակ՝ զբաղեցնելու տարածքը և պահպանել համաչափությունը:

4. Ճի՞շտ է, որ երկու միանման ձյան փաթիլներ չկան։

Այո եւ ոչ. Ոչ մի երկու ձյան փաթիլ երբեք չի լինի նույնական՝ հաշվի առնելով ջրի մոլեկուլների ճշգրիտ թիվը, էլեկտրոնի սպինը, ջրածնի և թթվածնի իզոտոպները և այլն: Մյուս կողմից, երկու ձյան փաթիլները կարող են նույն տեսք ունենալ, և ցանկացած ձյան փաթիլ, հավանաբար, ունեցել է իր նախատիպը պատմության ինչ-որ պահի: Ձյան փաթիլի կառուցվածքը անընդհատ փոխվում է շրջակա միջավայրի պայմանների համաձայն և բազմաթիվ գործոնների ազդեցության տակ, ուստի դժվար թե երկու միանման ձյան փաթիլներ տեսնենք:

5. Եթե ջուրն ու սառույցը թափանցիկ են, ինչո՞ւ է ձյունը սպիտակ երևում:

Կարճ պատասխանն այն է, որ ձյան փաթիլներն այնքան արտացոլող մակերեսներ ունեն, որ լույսը ցրում են իր բոլոր գույներով, այդ իսկ պատճառով ձյունը սպիտակ է թվում: Երկար պատասխանը կապված է այն բանի հետ, թե ինչպես է մարդու աչքը ընկալում գույնը: Թեև լույսի աղբյուրը չի կարող իսկապես «սպիտակ» լինել (օրինակ՝ արևի լույսը, լյումինեսցենտային և շիկացած լույսերը բոլորն ունեն որոշակի գույն), մարդու ուղեղըփոխհատուցում է լույսի աղբյուրը. Այսպիսով, թեև արևի լույսը դեղին է, և ձյունից ցրված լույսը նույնպես դեղին է, ուղեղը ձյունը տեսնում է հնարավորինս սպիտակ, քանի որ ուղեղի ստացած ամբողջ պատկերը դեղին երանգ ունի, որն ինքնաբերաբար հանվում է։

Եզրակացություններ.

1. Ձյան փաթիլները ջրային սառույցի հատուկ ձև են:

2. Ջերմաստիճանը, օդի հոսանքները, խոնավությունը գործոններ են, որոնք ազդում են ձյան փաթիլի ձևի և չափի վրա:

3. Հենց ջրի մոլեկուլների կարգն է որոշում ձյան փաթիլի համաչափությունը։

ես իրական ձյան բյուրեղների մեջ եմ:

Աշխատանք 2

Սառույց և ջուր բնության մեջ.

Աշխատանքը կատարել է Գուսևա Ալինան

Նպատակը. Նոր բան սովորել:

Առաջադրանքներ.

Հաշվի առեք բնության մեջ ջրի արժեքները.

Հասկանալ ջրի հատկությունները և տեսակները;

Ծանոթացեք ջրային սառույցի հիմնական հատկություններին.

Ընդլայնել ձեր գիտելիքները ջրի մասին ընդհանրապես:

Ջուր (ջրածնի օքսիդ) երկուական անօրգանական միացություն է, քիմիական բանաձևը՝ H2O։ Ջրի մոլեկուլը բաղկացած է երկու ջրածնի ատոմներից և մեկ թթվածնից, որոնք փոխկապակցված են կովալենտային կապով։ Նորմալ պայմաններում այն ​​թափանցիկ հեղուկ է, անգույն, անհոտ և անհամ։ Պինդ վիճակում այն ​​կոչվում է սառույց, ձյուն կամ ցրտահարություն, իսկ գազային վիճակում՝ ջրային գոլորշի։ Ջուրը կարող է գոյություն ունենալ նաև հեղուկ բյուրեղների տեսքով։

Երկրի մակերեսի մոտ 71%-ը ծածկված է ջրով (օվկիանոսներ, ծովեր, լճեր, գետեր, սառույց)՝ 361,13 մլն կմ2։ Երկրի վրա ջրի մոտավորապես 96,5%-ը գտնվում է օվկիանոսներում, (համաշխարհային պաշարների 1,7%-ը ստորերկրյա ջրերն են, ևս 1,7%-ը՝ Անտարկտիդայի և Գրենլանդիայի սառցադաշտերում և սառցե գլխարկներում, մի փոքր մասը՝ գետերում, լճերում և ճահիճներում, և 0,001%-ը։ ամպերի մեջ): Երկրագնդի ջրի մեծ մասը աղի է և ոչ պիտանի գյուղատնտեսության և խմելու համար: Քաղցրահամ ջրի տեսակարար կշիռը կազմում է մոտ 2,5%։

Ջուրը լավ բարձր բևեռային լուծիչ է: AT բնական պայմաններըմիշտ պարունակում է լուծված նյութեր (աղեր, գազեր): Ջուրը առանցքային նշանակություն ունի Երկրի վրա կյանքի ստեղծման և պահպանման գործում քիմիական կառուցվածքըկենդանի օրգանիզմներ, կլիմայի և եղանակի ձևավորման մեջ։ Դա Երկիր մոլորակի բոլոր կենդանի էակների համար ամենակարեւոր նյութն է:

Մեր մոլորակի մթնոլորտում ջուրը փոքր կաթիլների, ամպերի և մառախուղի, ինչպես նաև գոլորշու տեսքով է։ Խտացման ժամանակ այն մթնոլորտից հեռացվում է տեղումների (անձրև, ձյուն, կարկուտ, ցող) ձևով։ Ջուրը չափազանց տարածված նյութ է տիեզերքում, սակայն ներհեղուկի բարձր ճնշման պատճառով ջուրը չի կարող հեղուկ վիճակում գոյություն ունենալ տարածության վակուումում, ինչի պատճառով այն ներկայացված է միայն գոլորշու կամ սառույցի տեսքով։

Ջրի տեսակները.

Երկրի վրա ջուրը կարող է գոյություն ունենալ երեք հիմնական վիճակում՝ հեղուկ, գազային և պինդ, և ձեռք բերել տարբեր ձևերորոնք կարող են միաժամանակ գոյակցել միմյանց հետ՝ ջրային գոլորշիներ և ամպեր երկնքում, ծովի ջուր և սառցաբեկորներ, սառցադաշտեր և գետեր երկրի մակերևույթի վրա, ջրատար հորիզոններ երկրի վրա: Ջուրը հաճախ բաժանվում է տեսակների՝ ըստ տարբեր սկզբունքների. Ըստ ծագման, բաղադրության կամ կիրառման առանձնահատկությունների՝ տարբերում են, ի թիվս այլ բաների, փափուկ և կոշտ ջուր՝ ըստ կալցիումի և մագնեզիումի կատիոնների պարունակության։ Ըստ մոլեկուլի ջրածնի իզոտոպների՝ թեթև (բաղադրությամբ այն գրեթե համապատասխանում է սովորականին), ծանր (դեյտերիում), գերծանր ջուր (տրիտում)։ Նաև առանձնանում է՝ թարմ, անձրևային, ծովային, հանքային, աղի, խմելու, ծորակ, թորած, դեոնացված, պիրոգենից զերծ, սուրբ, կառուցվածքային, հալված, ստորգետնյա, թափոններ և մակերեսային ջրեր:

ֆիզիկական հատկություններ.

Ջուրը նորմալ պայմաններում պահպանում է ագրեգացման հեղուկ վիճակ, մինչդեռ ջրածնի համանման միացությունները գազերն են (H2S, CH4, HF)։ Ջրածնի և թթվածնի ատոմների էլեկտրաբացասականության մեծ տարբերության պատճառով էլեկտրոնային ամպերը խիստ շեղվում են դեպի թթվածին։ Այս պատճառով ջրի մոլեկուլը ունի մեծ դիպոլային պահ(D = 1.84, զիջում է միայն հիդրոցյանաթթուն): Պինդ վիճակի անցման ջերմաստիճանում ջրի մոլեկուլները դասավորված են, դրա ընթացքում մոլեկուլների միջև բացերի ծավալները մեծանում են և ջրի ընդհանուր խտությունը նվազում է, ինչը բացատրում է պատճառը. սառույցի փուլում ջրի ավելի ցածր խտություն. Մյուս կողմից, գոլորշիացումը կոտրում է բոլոր կապերը: Կապերը խզելու համար մեծ էներգիա է պահանջվում, այդ իսկ պատճառով ջուրը ամենաշատը բարձր հատուկ ջերմային հզորությունի թիվս այլ հեղուկների և պինդ նյութերի: Մեկ լիտր ջուրը մեկ աստիճանով տաքացնելու համար պահանջվում է 4,1868 կՋ էներգիա։ Այս հատկության շնորհիվ ջուրը հաճախ օգտագործվում է որպես հովացուցիչ նյութ: Մեծից այն կողմ հատուկ ջերմություն, ունի նաև ջուր հատուկ ջերմության բարձր արժեքներ հալվելը(0 °C - 333,55 կՋ/կգ) և գոլորշիացում(2250 կՋ/կգ):

Ջուրն ունի նաև բարձր մակերեսային լարվածությունհեղուկների շարքում՝ զիջելով միայն սնդիկին։ Ջրի համեմատաբար բարձր մածուցիկությունը պայմանավորված է նրանով, որ ջրածնային կապերը թույլ չեն տալիս ջրի մոլեկուլները շարժվել տարբեր արագություններով։ Ջուրն է լավ լուծիչ բևեռային նյութերի համար. Լուծված նյութի յուրաքանչյուր մոլեկուլ շրջապատված է ջրի մոլեկուլներով, և լուծված նյութի մոլեկուլի դրական լիցքավորված մասերը ձգում են թթվածնի ատոմները, իսկ բացասական լիցքավորված մասերը՝ ջրածնի ատոմները։ Քանի որ ջրի մոլեկուլը փոքր է չափերով, շատ ջրի մոլեկուլներ կարող են շրջապատել յուրաքանչյուր լուծված նյութի մոլեկուլը: Ջուրն ունի մակերեսի բացասական էլեկտրական ներուժը.

Մաքուր ջուր - լավ մեկուսիչ. Քանի որ ջուրը լավ է վճարունակ, դրա մեջ գրեթե միշտ լուծված են որոշակի աղեր, այսինքն՝ ջրում առկա են դրական և բացասական իոններ։ Արդյունքում ջուրը փոխանցում է էլեկտրականությունը։ Ջրի էլեկտրական հաղորդունակությունը կարող է օգտագործվել ջրի մաքրությունը որոշելու համար:

Ջուրն ունի բեկման ինդեքսը n=1.33օպտիկական տիրույթում: Այնուամենայնիվ, այն ուժեղ կլանում է ինֆրակարմիր ճառագայթումը, և, հետևաբար, ջրի գոլորշին հիմնական բնական ջերմոցային գազն է, որը պատասխանատու է ջերմոցային էֆեկտի ավելի քան 60%-ի համար:

Սառույց - ջուրը պինդ ագրեգացված վիճակում. Սառույցը երբեմն կոչվում է ագրեգացման պինդ վիճակում գտնվող որոշ նյութեր, որոնք սենյակային ջերմաստիճանում հակված են ունենալ հեղուկ կամ գազային ձև. մասնավորապես՝ չոր սառույց, ամոնիակ կամ մեթանային սառույց:

Ջրային սառույցի հիմնական հատկությունները.

Ներկայումս հայտնի են երեք ամորֆ տեսակներ և սառույցի 15 բյուրեղային ձևափոխություններ։ Նման սառույցի բաց բյուրեղային կառուցվածքը հանգեցնում է նրան, որ դրա խտությունը (հավասար է 916,7 կգ / մ 0 ° C ջերմաստիճանում) ցածր է ջրի խտությունից (999,8 կգ / մ) նույն ջերմաստիճանում: Ուստի ջուրը, վերածվելով սառույցի, ավելացնում է իր ծավալը մոտ 9%-ով։ Սառույցը, լինելով ավելի թեթև, քան հեղուկ ջուրը, ձևավորվում է ջրային մարմինների մակերեսին, ինչը կանխում է ջրի հետագա սառեցումը։

Միաձուլման բարձր հատուկ ջերմություն սառույցը, որը հավասար է 330 կՋ/կգ, կարևոր գործոն է Երկրի վրա ջերմության շրջանառության համար։ Այսպիսով, 1 կգ սառույցը կամ ձյունը հալեցնելու համար անհրաժեշտ է այնքան ջերմություն, որքան անհրաժեշտ է մեկ լիտր ջուրը 80 °C տաքացնելու համար։ Սառույցը բնության մեջ առաջանում է բնական սառույցի տեսքով (մայրցամաքային, լողացող, ստորգետնյա), ինչպես նաև ձյան, ցրտահարության և այլնի տեսքով: Սառույցը սեփական քաշի ազդեցության տակ ձեռք է բերում պլաստիկ հատկություններ և հեղուկություն: Բնական սառույցը սովորաբար շատ ավելի մաքուր է, քան ջուրը, քանի որ երբ ջուրը բյուրեղանում է, ջրի մոլեկուլներն առաջինն են մտնում ցանցի մեջ:

Նորմալ մթնոլորտային ճնշման դեպքում ջուրը պնդանում է 0°C-ում և եռում (վերածվում է ջրի գոլորշու) 100°C-ում։ Երբ ճնշումը նվազում է, սառույցի հալման (հալման) ջերմաստիճանը դանդաղորեն բարձրանում է, իսկ ջրի եռման ջերմաստիճանը նվազում է։ 611,73 Պա (մոտ 0,006 ատմ) ճնշման դեպքում եռման և հալման կետերը համընկնում են և դառնում հավասար 0,01 ° C: Այս ճնշումներն ու ջերմաստիճանները կոչվում են եռակի կետ ջուր . Ավելի ցածր ճնշման դեպքում ջուրը չի կարող լինել հեղուկ վիճակում, իսկ սառույցը ուղղակիորեն վերածվում է գոլորշու: Սառույցի սուբլիմացիայի ջերմաստիճանը նվազում է ճնշման նվազմամբ։ Բարձր ճնշման դեպքում սառույցի փոփոխություններ կան՝ սենյակային ջերմաստիճանից բարձր հալման կետերով:

Ճնշման մեծացման հետ եռման կետում ջրի գոլորշու խտությունը նույնպես մեծանում է, իսկ հեղուկ ջրինը՝ նվազում։ 374 °C (647 Կ) ջերմաստիճանի և 22,064 ՄՊա (218 ատմ) ճնշման դեպքում ջուրն անցնում է միջով. կրիտիկական կետ. Այս պահին հեղուկ և գազային ջրի խտությունը և այլ հատկությունները նույնն են: Ավելի բարձր ճնշման և/կամ ջերմաստիճանի դեպքում հեղուկ ջրի և ջրի գոլորշու տարբերությունը անհետանում է: Այս ագրեգատային վիճակը կոչվում է գերկրիտիկական հեղուկ».

Ջուրը կարող է լինել մետակայուն վիճակներգերհագեցած գոլորշի, գերտաքացած հեղուկ, գերսառեցված հեղուկ։ Այս վիճակները կարող են գոյություն ունենալ երկար ժամանակ, բայց դրանք անկայուն են և անցում է տեղի ունենում ավելի կայուն փուլի հետ շփման ժամանակ: Օրինակ, դուք կարող եք գերսառեցված հեղուկ ստանալ՝ զովացնելով մաքուր ջուրը մաքուր նավի մեջ 0 ° C-ից ցածր, սակայն, երբ հայտնվում է բյուրեղացման կենտրոն, հեղուկ ջուրը արագ վերածվում է սառույցի:

Տվյալներ.

Միջին հաշվով, բույսերի և կենդանիների մարմինը պարունակում է ավելի քան 50% ջուր:

Երկրի թիկնոցի բաղադրությունը պարունակում է 10-12 անգամ ավելի շատ ջուր, քան օվկիանոսների ջրի քանակը։

Եթե ​​բոլոր սառցադաշտերը հալվեին, ապա Երկրի օվկիանոսներում ջրի մակարդակը կբարձրանար 64 մ-ով, և ցամաքի մակերեսի մոտ 1/8-ը կհեղեղվեր ջրով։

Երբեմն ջուրը սառչում է դրական ջերմաստիճանում:

Որոշակի պայմաններում (նանոխողովակների ներսում) ջրի մոլեկուլները ձևավորում են նոր վիճակ, որտեղ նրանք պահպանում են հոսելու ունակությունը նույնիսկ բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում:

Ջուրն արտացոլում է արևի ճառագայթների 5%-ը, իսկ ձյունը՝ մոտ 85%-ը։ Արևի լույսի միայն 2%-ն է թափանցում օվկիանոսի սառույցի տակ։

Օվկիանոսի մաքուր ջրի կապույտ գույնը պայմանավորված է ջրի մեջ լույսի ընտրովի կլանմամբ և ցրմամբ:

Ծորակներից ջրի կաթիլների օգնությամբ կարելի է ստեղծել մինչև 10 կիլովոլտ լարում, փորձը կոչվում է «Kelvin Dropper»:

Ջուրը բնության այն սակավաթիվ նյութերից է, որն ընդլայնվում է հեղուկից պինդի անցնելիս:

Եզրակացություններ.

Ջուրը պահպանում է ագրեգացման հեղուկ վիճակ, ունի մեծ դիպոլային մոմենտ, մեծ տեսակարար ջերմային հզորություն, գոլորշիացման արժեք, բարձր մակերևութային լարվածություն, մակերևույթի բացասական էլեկտրական պոտենցիալ, լավ մեկուսիչ և լուծիչ է:

գրականություն

1. Ջուր // Բրոքհաուսի և Էֆրոնի հանրագիտարանային բառարան. 86 հատորով (82 հատոր և 4 լրացուցիչ): - Սանկտ Պետերբուրգ, 1890-1907 թթ.

2. Losev K. S. Ջուր. - Լ.: Gidrometeoizdat, 1989. - 272 p.

3. Հիդրոբիոններ ջրերի ինքնամաքրման և տարրերի կենսագենիկ միգրացիայի մեջ. - M.: MAKS-Press. 2008. 200 էջ. Թղթակից անդամի առաջաբանը RAS V. V. Մալախով. (Սերիա՝ Գիտություն. Կրթություն. Նորարարություններ. Թողարկում 9): ISBN 978-5-317-02625-7 ։

4. Ջրի որակի պահպանման և դրա ինքնամաքրման որոշ հարցերի շուրջ // Ջրային ռեսուրսներ. 2005. Հատոր 32. Թիվ 3. Ս. 337-347.

5. Անդրեև Վ.Գ. Պրոտոնների փոխանակման փոխազդեցության ազդեցությունը ջրի մոլեկուլի կառուցվածքի և ջրածնային կապի ուժի վրա։ V միջազգային գիտաժողովի նյութեր» Իրական խնդիրներգիտությունը Ռուսաստանում. - Kuznetsk 2008, v.3 S. 58-62.

Պատվերով որոնում

Ջրի կառուցվածքը

բ.գ.թ. Օ.Վ. Մոսին

Ջրի մոլեկուլը փոքր դիպոլ է, որը պարունակում է դրական և բացասական լիցքեր բևեռներում: Քանի որ թթվածնի միջուկի զանգվածը և լիցքը ավելի մեծ է, քան ջրածնի միջուկները, էլեկտրոնային ամպը կծկվում է դեպի թթվածնի միջուկը: Այս դեպքում ջրածնի միջուկները բացահայտվում են: Այսպիսով, էլեկտրոնային ամպն ունի ոչ միատեսակ խտություն։ Ջրածնի միջուկների մոտ առկա է էլեկտրոնային խտության պակաս, իսկ մոլեկուլի հակառակ կողմում՝ թթվածնի միջուկի մոտ՝ էլեկտրոնային խտության ավելցուկ։ Հենց այս կառուցվածքն է որոշում ջրի մոլեկուլի բևեռականությունը: Եթե ​​դրական և բացասական լիցքերի էպիկենտրոնները միացնեք ուղիղ գծերով, ապա ստացվում է եռաչափ երկրաչափական պատկեր՝ կանոնավոր քառաեդրոն։

Ջրի մոլեկուլի կառուցվածքը (աջ կողմում գտնվող նկարը)

Ջրածնային կապերի առկայության պատճառով ջրի յուրաքանչյուր մոլեկուլ ստեղծում է ջրածնային կապ 4 հարևան մոլեկուլների հետ՝ սառույցի մոլեկուլում ձևավորելով բաց ցանցի շրջանակ։ Այնուամենայնիվ, իր հեղուկ վիճակում ջուրը խանգարված հեղուկ է. այս ջրածնային կապերը ինքնաբուխ են, կարճատև, արագ կոտրվում և նորից ձևավորվում: Այս ամենը հանգեցնում է ջրի կառուցվածքի տարասեռության։

Ջրածնի կապերը ջրի մոլեկուլների միջև (ներքևում՝ ձախ կողմում)

Այն, որ ջուրն իր կազմով տարասեռ է, հաստատվել է վաղուց։ Վաղուց հայտնի է, որ սառույցը լողում է ջրի մակերեսին, այսինքն՝ բյուրեղային սառույցի խտությունն ավելի քիչ է, քան հեղուկի խտությունը։

Գրեթե բոլոր մյուս նյութերում բյուրեղն ավելի խիտ է, քան հեղուկ փուլը։ Բացի այդ, նույնիսկ հալվելուց հետո, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, ջրի խտությունը շարունակում է աճել և առավելագույնի է հասնում 4°C-ում։ Ավելի քիչ հայտնի է ջրի սեղմելիության անոմալիան. հալման կետից մինչև 40C տաքացնելիս այն նվազում է, ապա մեծանում: Ջրի ջերմունակությունը նույնպես ոչ միապաղաղ կախված է ջերմաստիճանից:

Բացի այդ, 30C-ից ցածր ջերմաստիճանում, մթնոլորտայինից մինչև 0,2 ԳՊա ճնշման բարձրացմամբ, ջրի մածուցիկությունը նվազում է, իսկ ինքնադիֆուզիոն գործակիցը՝ պարամետր, որը որոշում է ջրի մոլեկուլների շարժման արագությունը միմյանց նկատմամբ:

Այլ հեղուկների համար կախվածությունը հակադարձ է, և գրեթե երբեք չի պատահում, որ որոշ կարևոր պարամետր վարվի ոչ միապաղաղ, այսինքն. սկզբում ավելացել է, իսկ անցնելուց հետո ջերմաստիճանի կամ ճնշման կրիտիկական արժեքը նվազել է։ Ենթադրություն կար, որ իրականում ջուրը մեկ հեղուկ չէ, այլ երկու բաղադրիչների խառնուրդ, որոնք տարբերվում են հատկություններով, ինչպիսիք են խտությունը և մածուցիկությունը, հետևաբար նաև կառուցվածքը: Նման գաղափարներ սկսեցին ի հայտ գալ 19-րդ դարի վերջին, երբ ջրի անոմալիաների մասին բազմաթիվ տվյալներ էին կուտակվել։

Գաղափարը, որ ջուրը բաղկացած է երկու բաղադրիչից, առաջին անգամ առաջարկել է Ուայթինգը 1884 թվականին։ Դրա հեղինակությունը մեջբերում է Է.Ֆ. Ֆրիտսմանը «Ջրի բնույթը. Ծանր ջուր» մենագրության մեջ, որը հրատարակվել է 1935 թվականին։ 1891 թվականին W. Rengten-ը ներկայացրեց ջրի երկու վիճակների հայեցակարգը, որոնք տարբերվում են խտությամբ։ Դրանից հետո հայտնվեցին բազմաթիվ աշխատություններ, որոնցում ջուրը դիտվում էր որպես տարբեր բաղադրության ասոցիացիաների (հիդրոլների) խառնուրդ։

Երբ 1920-ականներին որոշվեց սառույցի կառուցվածքը, պարզվեց, որ ջրի մոլեկուլները բյուրեղային վիճակում կազմում են եռաչափ շարունակական ցանց, որում յուրաքանչյուր մոլեկուլ ունի չորս ամենամոտ հարևանները, որոնք տեղակայված են կանոնավոր քառաեդրոնի գագաթներում: 1933 թվականին Ջ. Բերնալը և Պ. Ֆաուլերը առաջարկեցին, որ նմանատիպ ցանց գոյություն ունի հեղուկ ջրի մեջ: Քանի որ ջուրն ավելի խիտ է, քան սառույցը, նրանք կարծում էին, որ դրա մոլեկուլները դասավորված չեն այնպես, ինչպես սառույցում, այսինքն, ինչպես սիլիցիումի ատոմները հանքային տրիդիմիտի մեջ, այլ ինչպես սիլիցիումի ատոմները սիլիցիումի, քվարցի ավելի խիտ փոփոխության մեջ: Ջրի խտության աճը 0-ից մինչև 4°C տաքացման ժամանակ բացատրվում էր ցածր ջերմաստիճանում տրիդիմիտի բաղադրիչի առկայությամբ: Այսպիսով, Բերնալ Ֆաուլերի մոդելը պահպանեց երկկառույցի տարրը, սակայն դրանց հիմնական ձեռքբերումը շարունակական քառանիստ ցանցի գաղափարն է: Հետո հայտնվեց Ի.Լանգմյուիրի հայտնի աֆորիզմը՝ «Օվկիանոսը մեկ մեծ մոլեկուլ է»։ Մոդելի չափից ավելի կոնկրետացումը չավելացրեց միասնական ցանցային տեսության կողմնակիցներ:

Միայն 1951 թվականին Ջ. Փոփլը ստեղծեց շարունակական ցանցային մոդել, որն այնքան էլ հատուկ չէր, որքան Բերնալ Ֆաուլերի մոդելը: Պոպլը ջուրը պատկերացնում էր որպես պատահական քառանիստ ցանց՝ մոլեկուլների միջև կապերը, որոնցում կոր են և ունեն տարբեր երկարություններ։ Պոպլի մոդելը բացատրում է հալման ժամանակ ջրի խտացումը կապերի ճկմամբ։ Երբ II և IX սառույցների կառուցվածքի առաջին սահմանումները հայտնվեցին 1960-1970-ական թվականներին, պարզ դարձավ, թե ինչպես կարող է կապերի ճկումը հանգեցնել կառուցվածքի խտացման: Փոփլի մոդելը չէր կարող բացատրել ջրի հատկությունների ջերմաստիճանից և ճնշումից կախվածության ոչ միապաղաղությունը, ինչպես նաև երկու վիճակի մոդելները: Հետևաբար, երկու պետությունների գաղափարը երկար ժամանակ կիսում էին շատ գիտնականներ:

Բայց 20-րդ դարի երկրորդ կեսին անհնար էր երևակայել հիդրոլների բաղադրության և կառուցվածքի մասին այնքան, որքան դա անում էին դարասկզբին։ Արդեն հայտնի էր, թե ինչպես են դասավորված սառույցը և բյուրեղային հիդրատները, և նրանք շատ բան գիտեին ջրածնային կապի մասին։ Բացի շարունակական մոդելներից (Popla մոդելը), առաջացել են խառը մոդելների երկու խումբ՝ կլաստեր և կլաթրատ։ Առաջին խմբում ջուրը հայտնվեց որպես ջրածնային կապերով կապված մոլեկուլների կլաստերներ, որոնք լողում էին մոլեկուլների ծովում, որոնք չեն մասնակցում նման կապերին: Երկրորդ խմբի մոդելները ջուրը համարում էին որպես ջրածնային կապերի շարունակական ցանց (այս համատեքստում սովորաբար կոչվում է շրջանակ), որը պարունակում է դատարկություններ. դրանք պարունակում են մոլեկուլներ, որոնք կապեր չեն կազմում շրջանակի մոլեկուլների հետ։ Դժվար չէր ընտրել կլաստերային մոդելների երկու միկրոֆազների նման հատկություններն ու կոնցենտրացիաները կամ կլաստերային մոդելներում շրջանակի հատկությունները և դրա բացերի լրացման աստիճանը՝ ջրի բոլոր հատկությունները, ներառյալ հայտնի անոմալիաները բացատրելու համար:

Կլաստերային մոդելներից առավել աչքի ընկավ Գ. Նեմեթիի և Հ. Շերագիի մոդելը.Նրանց նկարները, որոնք պատկերում են կապակցված մոլեկուլների կլաստերներ, որոնք լողում են չկապված մոլեկուլների ծովում, ներառվել են բազմաթիվ մենագրություններում:

Կլատրատի տիպի առաջին մոդելը առաջարկվել է 1946 թվականին Օ.Յա.Սամոյլովի կողմից. ջրում պահպանվում է ջրածնային կապերի ցանց, որը նման է վեցանկյուն սառույցին, որի խոռոչները մասամբ լցված են մոնոմերային մոլեկուլներով։ Լ. Փոլինգը 1959 թվականին ստեղծեց մեկ այլ տարբերակ՝ առաջարկելով, որ որոշ բյուրեղային հիդրատներին բնորոշ կապերի ցանցը կարող է հիմք ծառայել կառուցվածքի համար:

1960-ականների երկրորդ կեսին և 1970-ականների սկզբին նկատվեց այս բոլոր տեսակետների սերտաճումը։ Հայտնվեցին կլաստերային մոդելների տարբերակներ, որոնցում երկու միկրոֆազներում էլ մոլեկուլները միացված են ջրածնային կապերով։ Կլատրատի մոդելների կողմնակիցները սկսեցին թույլ տալ ջրածնային կապերի ձևավորում դատարկ և շրջանակային մոլեկուլների միջև: Այսինքն, իրականում այս մոդելների հեղինակները ջուրը համարում են ջրածնային կապերի շարունակական ցանց։ Եվ մենք խոսում ենք այն մասին, թե որքան անհամասեռ է այս ցանցը (օրինակ՝ խտությամբ)։ Ջրի գաղափարը որպես ջրածնային կապով կլաստերներ, որոնք լողում են կապից զուրկ ջրի մոլեկուլների ծովում, վերջ դրվեց ութսունականների սկզբին, երբ Գ. Սթենլին կիրառեց թափանցման տեսությունը ջրի մոդելի վրա, որը նկարագրում է փուլը: ջրի անցումներ.

1999 թվականին հայտնի ռուս ջրային հետազոտող Ս.Վ. Զենինը պաշտպանել է իր դոկտորական ատենախոսությունը կլաստերների տեսության վերաբերյալ Ռուսաստանի գիտությունների ակադեմիայի կենսաբժշկական հիմնախնդիրների ինստիտուտում, ինչը նշանակալի քայլ էր հետազոտության այս ոլորտի առաջմղման գործում, որի բարդությունը մեծանում է նրանով, որ դրանք գտնվում են երեք գիտությունների խաչմերուկ՝ ֆիզիկա, քիմիա և կենսաբանություն։ Նրանց՝ երեքի կողմից ստացված տվյալների հիման վրա ֆիզիկական և քիմիական մեթոդներՌեֆրակտոմետրիա (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), բարձր արդյունավետության հեղուկ քրոմատոգրաֆիա (S.V. Zenin et al., 1998) և պրոտոնային մագնիսական ռեզոնանսային (S.V. Zenin, 1993) հիմնական կայուն կառուցվածքային կառուցվածքային ձևավորման մոդելը (ջրի մոլորակի կառուցվածքը): , և այնուհետև (S.V. Zenin, 2004) ստացվել է պատկեր՝ օգտագործելով այս կառույցների ֆազային կոնտրաստի մանրադիտակը։

Այժմ գիտությունն ապացուցել է, որ ջրի ֆիզիկական հատկությունների առանձնահատկությունները և ջրածնի և թթվածնի հարևան ատոմների միջև ջրի մոլեկուլում առկա բազմաթիվ կարճատև կապերը բարենպաստ հնարավորություններ են ստեղծում հատուկ փոխկապակցված կառույցների (կլաստերների) ձևավորման համար, որոնք ընկալում, պահպանում և փոխանցում են տեղեկատվության լայն տեսականի:

Նման ջրի կառուցվածքային միավորը կլաստերներից բաղկացած կլաստերն է, որի բնույթը որոշվում է հեռահար Կուլոնյան ուժերով։ Կլաստերների կառուցվածքը կոդավորում է տեղեկատվություն ջրի այս մոլեկուլների հետ տեղի ունեցած փոխազդեցությունների մասին։ Ջրային կլաստերներում, թթվածնի ատոմների և ջրածնի ատոմների միջև կովալենտային և ջրածնային կապերի փոխազդեցության պատճառով, պրոտոնների միգրացիան (H+) կարող է տեղի ունենալ ռելեի մեխանիզմի համաձայն, ինչը կհանգեցնի պրոտոնի տեղաբաշխմանը կլաստերի ներսում:

Ջուրը բաղկացած է բազմաթիվ կլաստերներից տարբեր տեսակներ, ձևավորում է հիերարխիկ տարածական հեղուկ բյուրեղային կառուցվածք, որը կարող է ընկալել և պահպանել հսկայական քանակությամբ տեղեկատվություն։

Նկարը (Վ.Լ. Վոեյկով) որպես օրինակ ցույց է տալիս մի քանի պարզ կլաստերային կառուցվածքների դիագրամներ:

Ջրային կլաստերների որոշ հնարավոր կառուցվածքներ

Տեղեկատվության կրիչները կարող են լինել տարբեր բնույթի ֆիզիկական դաշտեր: Այսպիսով, հաստատվեց ջրի հեղուկ բյուրեղային կառուցվածքի հեռավոր տեղեկատվական փոխազդեցության հնարավորությունը տարբեր բնույթի առարկաների հետ էլեկտրամագնիսական, ակուստիկ և այլ դաշտերի օգնությամբ։ Մարդը կարող է լինել նաև ազդող օբյեկտ։

Ջուրը ծայրահեղ թույլ և թույլ փոփոխական էլեկտրամագնիսական ճառագայթման աղբյուր է։ Ամենաքիչ քաոսային էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը ստեղծվում է կառուցվածքային ջրով: Նման դեպքում համապատասխանի ինդուկցիա էլեկտրամագնիսական դաշտ, որը փոխում է կենսաբանական օբյեկտների կառուցվածքային և տեղեկատվական բնութագրերը։

Վերջին տարիներին կարևոր տվյալներ են ձեռք բերվել գերսառեցված ջրի հատկությունների վերաբերյալ։ Շատ հետաքրքիր է ջրի ցածր ջերմաստիճանում ուսումնասիրելը, քանի որ այն կարող է ավելի գերսառել, քան մյուս հեղուկները։ Ջրի բյուրեղացումը, որպես կանոն, սկսվում է որոշ անհամասեռությունների վրա՝ կա՛մ անոթի պատերին, կա՛մ պինդ կեղտերի լողացող մասնիկների վրա։ Հետևաբար, հեշտ չէ գտնել այն ջերմաստիճանը, որում գերսառեցված ջուրն ինքնաբուխ բյուրեղանում է: Բայց գիտնականներին հաջողվեց դա անել, և այժմ այսպես կոչված միատարր միջուկի ջերմաստիճանը, երբ սառցե բյուրեղների ձևավորումը տեղի է ունենում միաժամանակ ամբողջ ծավալով, հայտնի է մինչև 0,3 ԳՊա ճնշումով, այսինքն՝ գրավում է սառույցի գոյության շրջանները։ II.

Մթնոլորտային ճնշումից մինչև I և II սառույցները բաժանող սահմանները, այս ջերմաստիճանը իջնում ​​է 231-ից մինչև 180 Կ, այնուհետև փոքր-ինչ բարձրանում է մինչև 190 Կ։ Այս կրիտիկական ջերմաստիճանից ցածր հեղուկ ջուրը սկզբունքորեն անհնար է:

Սառույցի կառուցվածքը (նկարը աջ կողմում)

Այնուամենայնիվ, կա մեկ առեղծված, որը կապված է այս ջերմաստիճանի հետ. Ութսունականների կեսերին ամորֆների նոր ձևափոխում սառույց - սառույցբարձր խտություն, և դա օգնեց վերակենդանացնել ջրի՝ որպես երկու վիճակների խառնուրդի գաղափարը: Որպես նախատիպեր դիտարկվել են ոչ թե բյուրեղային կառույցներ, այլ կառուցվածքներ ամորֆ սառույցտարբեր խտություններ: Ամենահասկանալի ձևով այս հայեցակարգը ձևակերպվել է Է.Գ. Պոնիատովսկու և Վ.Վ. Սինիցինի կողմից, ովքեր գրել են 1999 թվականին. սառույց»: Ավելին, նեյտրոնային դիֆրակցիոն մեթոդների կիրառմամբ գերսառեցված ջրի կարճ հեռավորության կարգը ուսումնասիրելով բարձր ճնշման տակ՝ գիտնականները կարողացան գտնել այդ կառուցվածքներին համապատասխան բաղադրիչներ:

Ամորֆ սառույցների պոլիմորֆիզմի արդյունքում ենթադրություններ եղան նաև ջրի շերտավորման մասին երկու չխառնվող բաղադրիչների հիպոթետիկ ցածր ջերմաստիճանի կրիտիկական կետից ցածր ջերմաստիճանում։ Ցավոք, հետազոտողների կարծիքով, այս ջերմաստիճանը 0,017 ԳՊա ճնշման դեպքում 230 Կ ցածր է միջուկացման ջերմաստիճանից, ուստի ոչ ոք դեռ չի կարողացել դիտարկել հեղուկ ջրի շերտավորումը: Այսպիսով, երկու վիճակի մոդելի վերածնունդը բարձրացրեց հեղուկ ջրի մեջ ջրածնային կապերի ցանցի անհամասեռության հարցը։ Հասկանալ այս տարասեռությունը հնարավոր է միայն համակարգչային սիմուլյացիայի օգնությամբ:

Խոսելով ջրի բյուրեղային կառուցվածքի մասին՝ պետք է նշել, որ հայտնի է սառույցի 14 մոդիֆիկացում.որոնցից շատերը բնության մեջ չեն հայտնաբերվել, որոնցում ջրի մոլեկուլները և՛ պահպանում են իրենց անհատականությունը, և՛ կապված են ջրածնային կապերով։ Մյուս կողմից, ջրածնային կապերի ցանցի բազմաթիվ տարբերակներ կան կլաթրատ հիդրատներում։ Այս ցանցերի էներգիաները (բարձր ճնշման սառույցներ և կլատրատային հիդրատներ) շատ ավելի մեծ չեն, քան խորանարդ և վեցանկյուն սառույցների էներգիաները։ Հետեւաբար, նման կառույցների բեկորները կարող են հայտնվել նաեւ հեղուկ ջրի մեջ։ Հնարավոր է նախագծել անհամար տարբեր ոչ պարբերական բեկորներ, որոնցում մոլեկուլները ունեն չորս ամենամոտ հարևանները, որոնք գտնվում են մոտավորապես քառանկյունի գագաթների երկայնքով, բայց դրանց կառուցվածքը չի համապատասխանում սառույցի հայտնի փոփոխությունների կառուցվածքներին: Բազմաթիվ հաշվարկները ցույց են տվել, որ նման բեկորների մոլեկուլների փոխազդեցության էներգիաները մոտ կլինեն միմյանց, և հիմք չկա ասելու, որ հեղուկ ջրի մեջ ինչ-որ կառուցվածք պետք է գերակշռի։

Ջրի կառուցվածքային ուսումնասիրությունները կարող են ուսումնասիրվել տարբեր մեթոդներով.պրոտոնների մագնիսական ռեզոնանսային սպեկտրոսկոպիա, ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիա, ռենտգենյան դիֆրակցիա և այլն։ Օրինակ՝ ռենտգենյան ճառագայթների և նեյտրոնների դիֆրակցիան բազմիցս ուսումնասիրվել է։ Այնուամենայնիվ, այս փորձերը չեն կարող մանրամասն տեղեկություններ տալ կառուցվածքի մասին: Խտությամբ տարբեր անհամասեռությունները կարելի է տեսնել փոքր անկյան տակ ռենտգենյան ճառագայթների և նեյտրոնների ցրման միջոցով, սակայն այդպիսի անհամասեռությունները պետք է լինեն մեծ՝ բաղկացած հարյուրավոր ջրի մոլեկուլներից: Հնարավոր կլիներ տեսնել դրանք և ուսումնասիրել լույսի ցրումը: Այնուամենայնիվ, ջուրը բացառիկ թափանցիկ հեղուկ է: Դիֆրակցիոն փորձերի միակ արդյունքը ճառագայթային բաշխման ֆունկցիան է, այսինքն՝ թթվածնի, ջրածնի և թթվածին-ջրածնի ատոմների միջև եղած հեռավորությունը։ Դրանցից երեւում է, որ ջրի մոլեկուլների դասավորության մեջ չկա հեռահար կարգ։ Այս ֆունկցիաները ջրի համար շատ ավելի արագ են քայքայվում, քան մյուս հեղուկների համար: Օրինակ, թթվածնի ատոմների միջև հեռավորությունների բաշխումը սենյակային ջերմաստիճանին մոտ ջերմաստիճանում տալիս է միայն երեք առավելագույն՝ 2,8, 4,5 և 6,7: Առաջին առավելագույնը համապատասխանում է մոտակա հարեւանների հեռավորությանը, և դրա արժեքը մոտավորապես հավասար է ջրածնային կապի երկարությանը: Երկրորդ առավելագույնը մոտ է քառանկյունի միջին եզրի երկարությանը. հիշեք, որ վեցանկյուն սառույցի ջրի մոլեկուլները գտնվում են կենտրոնական մոլեկուլի շուրջը շրջագծված քառաեդրոնի գագաթներում: Իսկ երրորդ առավելագույնը՝ շատ թույլ արտահայտված, համապատասխանում է ջրածնային ցանցի երրորդ և ավելի հեռավոր հարևանների հեռավորությանը։ Այս առավելագույնն ինքնին այնքան էլ պայծառ չէ, և հետագա գագաթների մասին խոսելն ավելորդ է։ Փորձեր են արվել ավելի մանրամասն տեղեկություններ ստանալ այդ բաշխումներից: Այսպիսով, 1969 թվականին Ի.Ս.Անդրիանովը և Ի.Զ.Ֆիշերը գտել են մինչև ութերորդ հարևանի հեռավորությունները, մինչդեռ պարզվել է, որ հինգերորդ հարևանից այն 3 է, իսկ վեցերորդը՝ 3.1: Սա թույլ է տալիս տվյալներ ստեղծել ջրի մոլեկուլների հեռավոր միջավայրի վերաբերյալ:

Կառուցվածքի ուսումնասիրման մեկ այլ մեթոդ՝ նեյտրոնային դիֆրակցիան ջրի բյուրեղների վրա, իրականացվում է ճիշտ այնպես, ինչպես ռենտգենյան դիֆրակցիան: Սակայն, քանի որ տարբեր ատոմների համար նեյտրոնների ցրման երկարություններն այնքան էլ չեն տարբերվում, իզոմորֆ փոխարինման մեթոդը դառնում է անընդունելի։ Գործնականում սովորաբար աշխատում է բյուրեղի հետ, որի մոլեկուլային կառուցվածքն արդեն մոտավորապես հաստատվել է այլ մեթոդներով: Այնուհետև այս բյուրեղի համար չափվում է նեյտրոնային դիֆրակցիայի ինտենսիվությունը: Այս արդյունքների հիման վրա իրականացվում է Ֆուրիեի փոխակերպում, որի ընթացքում օգտագործվում են չափված նեյտրոնների ինտենսիվությունները և փուլերը՝ հաշվարկված՝ հաշվի առնելով ոչ ջրածնի ատոմները, այսինքն. թթվածնի ատոմներ, որոնց դիրքը կառուցվածքի մոդելում հայտնի է: Այնուհետև այս կերպ ստացված Ֆուրիեի քարտեզի վրա ջրածնի և դեյտերիումի ատոմները ներկայացված են շատ ավելի մեծ կշիռներով, քան էլեկտրոնային խտության քարտեզի վրա, քանի որ. Այս ատոմների ներդրումը նեյտրոնների ցրման մեջ շատ մեծ է: Այս խտության քարտեզից կարելի է, օրինակ, որոշել ջրածնի ատոմների (բացասական խտություն) և դեյտերիումի ատոմների (դրական խտություն) դիրքերը։

Հնարավոր է այս մեթոդի տատանումները, որը բաղկացած է նրանից, որ ջրում ձևավորված բյուրեղը մինչև չափումները պահվում է ծանր ջրում: Այս դեպքում նեյտրոնների դիֆրակցիան ոչ միայն հնարավորություն է տալիս որոշել, թե որտեղ են գտնվում ջրածնի ատոմները, այլ նաև բացահայտում է դրանցից դրանք, որոնք կարող են փոխանակվել դեյտերիումի հետ, ինչը հատկապես կարևոր է իզոտոպների (H-D) փոխանակման ուսումնասիրության մեջ: Նման տեղեկատվությունը օգնում է հաստատել կառույցի ստեղծման ճիշտությունը:

Այլ մեթոդները նույնպես հնարավորություն են տալիս ուսումնասիրել ջրի մոլեկուլների դինամիկան։ Սրանք փորձեր են քվազի-առաձգական նեյտրոնների ցրման, գերարագ IR սպեկտրոսկոպիայի և ջրի դիֆուզիայի ուսումնասիրության վրա՝ օգտագործելով NMR կամ պիտակավորված դեյտերիումի ատոմներ: NMR սպեկտրոսկոպիայի մեթոդը հիմնված է այն բանի վրա, որ ջրածնի ատոմի միջուկն ունի մագնիսական մոմենտ-սպին, որը փոխազդում է մագնիսական դաշտերի հետ՝ հաստատուն և փոփոխական։ NMR սպեկտրից կարելի է դատել այն միջավայրը, որտեղ գտնվում են այդ ատոմներն ու միջուկները՝ այդպիսով տեղեկություններ ստանալով մոլեկուլի կառուցվածքի մասին։

Ջրի բյուրեղներում նեյտրոնների քվազիառաձգական ցրման փորձերի արդյունքում տարբեր ճնշումների և ջերմաստիճանների դեպքում չափվել է ամենակարևոր պարամետրը՝ ինքնատարածման գործակիցը։ Նեյտրոնների քվազիառաձգական ցրումից ինքնադիֆուզիայի գործակիցը դատելու համար անհրաժեշտ է ենթադրություն անել մոլեկուլային շարժման բնույթի մասին։ Եթե ​​նրանք շարժվում են Յա.Ի. Ֆրենկելի մոդելին համապատասխան (հանրահայտ հայրենական տեսական ֆիզիկոս, «Հեղուկների կինետիկ տեսության» հեղինակ՝ շատ լեզուներով թարգմանված դասական գրքի), որը նաև կոչվում է «ցատկ-սպասում» մոդելը, ապա մոլեկուլի նստվածքային կյանքի ժամանակը (ցատկերի միջև ընկած ժամանակը) 3,2 պիկովայրկյան է: Ֆեմտովայրկյան լազերային սպեկտրոսկոպիայի նորագույն մեթոդները հնարավորություն են տվել գնահատել կոտրված ջրածնային կապի կյանքը. պրոտոնին զուգընկեր գտնելու համար պահանջվում է 200 fs: Այնուամենայնիվ, սրանք բոլորը միջին ցուցանիշներ են: Ուսումնասիրել ջրի մոլեկուլների շարժման կառուցվածքի և բնույթի մանրամասները հնարավոր է միայն համակարգչային մոդելավորման օգնությամբ, որը երբեմն կոչվում է թվային փորձ:

Ահա այսպիսի տեսք ունի ջրի կառուցվածքը՝ ըստ համակարգչային սիմուլյացիայի արդյունքների (ըստ քիմիական գիտությունների դոկտոր Գ.Գ. Մալենկովի տվյալների)։ Ընդհանուր անկանոն կառուցվածքը կարելի է բաժանել երկու տեսակի շրջանների (ցուցադրված են մուգ և բաց գնդիկներով), որոնք տարբերվում են իրենց կառուցվածքով, օրինակ՝ Վորոնոյի պոլիէդրոնի ծավալով (ա), մոտակա միջավայրի քառաեզրության աստիճանով ( բ), պոտենցիալ էներգիայի արժեքը (գ), ինչպես նաև յուրաքանչյուր մոլեկուլում չորս ջրածնային կապերի առկայության դեպքում (դ): Այնուամենայնիվ, այս տարածքները բառացիորեն մի պահ, մի քանի պիկովայրկյան անց, կփոխեն իրենց գտնվելու վայրը:

Սիմուլյացիան կատարվում է այսպես. Սառույցի կառուցվածքը վերցվում է և տաքացվում մինչև այն հալվի։ Այնուհետև, որոշ ժամանակ անց, որպեսզի ջուրը մոռանա իր բյուրեղային ծագումը, արվում են ակնթարթային ֆոտոմանրագրություններ:

Ջրի կառուցվածքը վերլուծելու համար ընտրվում են երեք պարամետր.
- մոլեկուլի տեղական միջավայրի շեղման աստիճանը կանոնավոր քառաեդրոնի գագաթներից.
- մոլեկուլների պոտենցիալ էներգիա;
այսպես կոչված Վորոնոյի բազմանկյունի ծավալն է։

Այս պոլիէդրոնը կառուցելու համար տվյալ մոլեկուլից ծայրը վերցնում են դեպի մոտակա եզրը, կիսում այն ​​կիսով չափ և այս կետով գծում են եզրին ուղղահայաց հարթություն։ Սա մեկ մոլեկուլի ծավալն է: Բազմեյդրոնի ծավալն է խտությունը, քառանիստությունը, ջրածնային կապերի աղավաղման աստիճանը, էներգիան, մոլեկուլների կոնֆիգուրացիայի կայունության աստիճանը։ Այս պարամետրերից յուրաքանչյուրի մոտ արժեք ունեցող մոլեկուլները հակված են խմբավորվել առանձին կլաստերների մեջ: Ե՛վ ցածր, և՛ բարձր խտության շրջաններն ունեն էներգիայի տարբեր արժեքներ, բայց կարող են ունենալ նաև նույն արժեքները: Փորձերը ցույց են տվել, որ տարբեր կառուցվածքներով շրջանները՝ կլաստերները, առաջանում են ինքնաբերաբար և ինքնաբերաբար քայքայվում։ Ջրի ամբողջ կառուցվածքը ապրում է և անընդհատ փոփոխվում է, և այն ժամանակը, որի ընթացքում տեղի են ունենում այդ փոփոխությունները, շատ փոքր է: Հետազոտողները հետևել են մոլեկուլների շարժումներին և պարզել, որ դրանք անկանոն տատանումներ են անում՝ մոտ 0,5 ps հաճախականությամբ և 1 անգստրոմ ամպլիտուդով։ Նկատվել են նաև հազվագյուտ դանդաղ թռիչքներ անգստրոմներում, որոնք տևում են պիկովայրկյաններ: Ընդհանուր առմամբ, 30 ps-ում մոլեկուլը կարող է շարժել 8-10 անգստրոմ: Տեղական միջավայրի կյանքի տևողությունը նույնպես փոքր է: Վորոնոյի պոլիէդրոնի ծավալի մոտ արժեք ունեցող մոլեկուլներից կազմված շրջանները կարող են քայքայվել 0,5 ps-ով և կարող են ապրել մի քանի պիկովայրկյան: Բայց ջրածնային կապերի կյանքի ժամկետների բաշխումը շատ մեծ է։ Բայց այս անգամ չի գերազանցում 40 ps, ​​իսկ միջին արժեքը մի քանի ps է:

Եզրափակելով՝ հարկ է ընդգծել, որ Ջրի կլաստերային կառուցվածքի տեսությունը բազմաթիվ թակարդներ ունի։Օրինակ, Զենինը ենթադրում է, որ ջրի հիմնական կառուցվածքային տարրը 57 մոլեկուլներից կազմված կլաստերն է, որը ձևավորվել է չորս տասներկուանիստների միաձուլման արդյունքում: Նրանք ունեն ընդհանուր դեմքեր, և նրանց կենտրոնները կազմում են կանոնավոր քառաթև: Այն փաստը, որ ջրի մոլեկուլները կարող են տեղակայվել հնգանկյուն դոդեկաեդրոնի գագաթներում, վաղուց հայտնի է. այդպիսի դոդեկաեդրոնը գազային հիդրատների հիմքն է։ Ուստի ոչ մի զարմանալի բան չկա այն ենթադրության մեջ, որ նման կառույցներ կան ջրում, թեև արդեն ասվել է, որ որևէ կոնկրետ կառույց չի կարող գերիշխող լինել և երկար ժամանակ գոյություն ունենալ։ Ուստի տարօրինակ է, որ ենթադրվում է, որ այս տարրը հիմնականն է, և դրա մեջ մտնում է ուղիղ 57 մոլեկուլ։ Գնդիկներից, օրինակ, հնարավոր է հավաքել նույն կառուցվածքները, որոնք կազմված են միմյանց կից տասներկուանիստներից և պարունակում են 200 մոլեկուլ։ Մյուս կողմից, Զենինը պնդում է, որ ջրի եռաչափ պոլիմերացման գործընթացը կանգ է առնում 57 մոլեկուլի վրա։ Ավելի մեծ համախոհներ, նրա կարծիքով, չպետք է լինեն։ Այնուամենայնիվ, եթե դա այդպես լիներ, վեցանկյուն սառույցի բյուրեղները, որոնք պարունակում են ջրածնային կապերով միմյանց հետ կապված հսկայական թվով մոլեկուլներ, չէին կարող նստել ջրի գոլորշիներից։ Բոլորովին պարզ չէ, թե ինչու Զենինի կլաստերի աճը կանգ առավ 57 մոլեկուլի վրա։ Հակասություններից խուսափելու համար Զենինը նաև հավաքում է կլաստերները ավելի բարդ կազմավորումների մեջ՝ ռոմբոեդրաներ, որոնք բաղկացած են գրեթե հազար մոլեկուլներից, իսկ սկզբնական կլաստերները միմյանց հետ ջրածնային կապեր չեն կազմում: Ինչո՞ւ։ Ինչո՞վ են տարբերվում դրանց մակերեսի մոլեկուլները ներսի մոլեկուլներից: Ըստ Զենինի, ռոմբոեդրոնների մակերեսին հիդրոքսիլ խմբերի օրինաչափությունն ապահովում է ջրի հիշողությունը։ Հետևաբար, այս խոշոր համալիրներում ջրի մոլեկուլները կոշտ ամրացված են, իսկ բարդույթներն իրենք պինդ են: Նման ջուրը չի հոսի, և դրա հալման կետը, որը կապված է մոլեկուլային քաշի հետ, պետք է բավականին բարձր լինի։

Ջրի ի՞նչ հատկություններ է բացատրում Զենինի մոդելը: Քանի որ մոդելը հիմնված է քառանիստ կառուցվածքների վրա, այն կարող է քիչ թե շատ համահունչ լինել ռենտգենյան և նեյտրոնային դիֆրակցիայի տվյալներին։ Այնուամենայնիվ, քիչ հավանական է, որ մոդելը կարող է բացատրել խտության նվազումը հալման ժամանակ. տասներկուանիստների փաթեթավորումը սառույցից պակաս խիտ է: Բայց ամենադժվարն է համաձայնել դինամիկ հատկություններով մոդելի հետ՝ հոսունություն, ինքնադիֆուզիոն գործակիցի մեծ արժեք, կարճ հարաբերակցություն և դիէլեկտրիկ թուլացում ժամանակներ, որոնք չափվում են պիկովայրկյաններով:

բ.գ.թ. Օ.Վ. Մոսին

Հղումներ:
Գ.Գ. Մալենկով. Ֆիզիկական քիմիայի առաջընթաց, 2001 թ
Ս.Վ.Զենինը, Բ.Մ. Պոլանուերը, Բ.Վ. Տյագլով. Ջրային ֆրակցիաների առկայության փորձարարական ապացույց. G. Հոմեոպաթիկ բժշկություն և ասեղնաբուժություն. 1997. No 2. P. 42-46.
Ս.Վ. Զենինը, Բ.Վ. Տյագլով. Ջրի մոլեկուլների միավորների կառուցվածքի հիդրոֆոբ մոդելը. Ժ.Ֆիզ.քիմիա.1994թ.Տ.68.Թիվ 4.Ս.636-641.
Ս.Վ. Զենին Ջրի կառուցվածքի ուսումնասիրությունը պրոտոնային մագնիսական ռեզոնանսի մեթոդով. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Հիդրոֆոբ փոխազդեցության բնույթը. կողմնորոշման դաշտերի առաջացումը ջրային լուծույթներ. Ջ.Ֆիզ.քիմիա.1994թ.Տ.68.No.3.S.500-503.
Ս.Վ. Զենինը, Բ.Վ. Տյագլով, Գ.Բ.Սերգեև, Զ.Ա. Շաբարովա. Նուկլեոտիդային ամիդներում ներմոլեկուլային փոխազդեցությունների ուսումնասիրություն NMR-ով. 2-րդ համամիութենական համագումարի նյութեր. Դինամիկայի միջոցով Ստերեոքիմիա. Օդեսա.1975թ.էջ53.
Ս.Վ. Զենին. Ջրի կառուցվածքային վիճակը՝ որպես կենդանի համակարգերի վարքագծի և անվտանգության կառավարման հիմք: Թեզիս. Կենսաբանական գիտությունների դոկտոր։ Պետական ​​գիտական ​​կենտրոն «Կենսաբժշկական հիմնախնդիրների ինստիտուտ» (ԿԳԿ «IMBP»). Պաշտպանվել է 1999 թ. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 էջ.
ՄԵՋ ԵՎ. Սլեսարևը։ Հետազոտության առաջընթացի հաշվետվություն

Ջրի հատկությունները

Ինչու է ջուրը ջուրը:

Նյութերի անսահման բազմության մեջ շատ առանձնահատուկ, բացառիկ տեղ է գրավում ջուրն իր ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով։ Եվ սա պետք է բառացի ընդունել։

Բնության մեջ բացառություն են ջրի գրեթե բոլոր ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները: Նա իսկապես աշխարհի ամենազարմանալի նյութն է: Ջուրը զարմանալի է ոչ միայն մոլեկուլի իզոտոպային ձևերի բազմազանությամբ, և ոչ միայն այն հույսերով, որոնք կապված են նրա հետ՝ որպես ապագայի համար էներգիայի անսպառ աղբյուր: Բացի այդ, դա զարմանալի է և դրա ամենատարածված հատկությունները:

Ինչպե՞ս է կառուցվում ջրի մոլեկուլը:

Ինչպես է կառուցվում ջրի մեկ մոլեկուլը, այժմ շատ ճշգրիտ է հայտնի: Այն կառուցված է այսպես.

Լավ ուսումնասիրված և չափված է ջրածնի և թթվածնի ատոմների միջուկների փոխադարձ դասավորությունը և նրանց միջև եղած հեռավորությունը։ Պարզվել է, որ ջրի մոլեկուլը ոչ գծային է։ Միասին էլեկտրոնային թաղանթներատոմները՝ ջրի մոլեկուլը, եթե դրան նայեք «կողքից», կարելի է պատկերել այսպես.

Այսինքն, երկրաչափական առումով լիցքերի փոխադարձ դասավորությունը մոլեկուլում կարելի է պատկերել որպես պարզ քառաեդրոն։ Ցանկացած իզոտոպային բաղադրությամբ ջրի բոլոր մոլեկուլները կառուցված են ճիշտ նույն կերպ։

Քանի՞ ջրի մոլեկուլ կա օվկիանոսում:

Մեկը. Եվ այս պատասխանն ամբողջությամբ կատակ չէ։ Իհարկե, բոլորը կարող են, տեղեկատու գրքում նայելուց և Համաշխարհային օվկիանոսում որքան ջուր կա, հեշտ է հաշվարկել, թե քանի H2O մոլեկուլ է այն պարունակում։ Բայց այս պատասխանը լիովին ճիշտ չէ։ Ջուրը հատուկ նյութ է։ Յուրահատուկ կառուցվածքի պատճառով առանձին մոլեկուլներ փոխազդում են միմյանց հետ։ Հատուկ քիմիական կապ է առաջանում այն ​​պատճառով, որ մեկ մոլեկուլի ջրածնի ատոմներից յուրաքանչյուրը դեպի իրեն է քաշում հարևան մոլեկուլների թթվածնի ատոմների էլեկտրոնները։ Նման ջրածնային կապի շնորհիվ ջրի յուրաքանչյուր մոլեկուլ բավականին ամուր կապված է չորս այլ հարևան մոլեկուլների հետ, ինչպես ցույց է տրված դիագրամում: Ճիշտ է, այս սխեման չափազանց պարզեցված է. այն հարթ է, հակառակ դեպքում դուք չեք կարող այն պատկերել նկարում: Եկեք պատկերացնենք մի փոքր ավելի ճշգրիտ պատկեր. Դրա համար պետք է հաշվի առնել, որ ջրի մոլեկուլում այն ​​հարթությունը, որում գտնվում են ջրածնային կապերը (դրանք նշվում են կետագծով), ուղղահայաց է ջրածնի ատոմների հարթությանը։

Ջրի բոլոր առանձին H2O մոլեկուլները կապված են մեկ շարունակական տարածական ցանցի մեջ՝ մեկ հսկա մոլեկուլի մեջ: Հետևաբար, որոշ գիտական ​​ֆիզիկաքիմիկոսների այն պնդումը, որ ամբողջ օվկիանոսը մեկ մոլեկուլ է, միանգամայն արդարացված է։ Բայց այս հայտարարությունը պետք չէ չափազանց բառացի ընդունել։ Չնայած ջրի բոլոր մոլեկուլները կապված են ջրածնային կապերով, նրանք գտնվում են նույն բեռի մեջ շատ բարդ շարժական հավասարակշռության մեջ՝ պահպանելով առանձին մոլեկուլների անհատական ​​հատկությունները և ձևավորելով բարդ ագրեգատներ: Այս գաղափարը վերաբերում է ոչ միայն ջրին. ադամանդի կտորը նույնպես մեկ մոլեկուլ է:

Ինչպե՞ս է կառուցվում սառույցի մոլեկուլը:

Սառույցի հատուկ մոլեկուլներ չկան։ Ջրի մոլեկուլները, շնորհիվ իրենց ուշագրավ կառուցվածքի, սառույցի կտորով միացված են միմյանց այնպես, որ նրանցից յուրաքանչյուրը միացված է և շրջապատված չորս այլ մոլեկուլներով։ Սա հանգեցնում է սառույցի շատ չամրացված կառուցվածքի ձևավորմանը, որի մեջ շատ ազատ ծավալ է մնում: Սառույցի ճիշտ բյուրեղային կառուցվածքն արտահայտվում է ձյան փաթիլների զարմանահրաշ շնորհով և սառած պատուհանի ապակիների ցրտաշունչ նախշերի գեղեցկությամբ:

Ինչպե՞ս են ջրի մոլեկուլները կառուցված ջրի մեջ:

Ցավոք, այս շատ կարևոր խնդիրը դեռևս բավարար չափով ուսումնասիրված չէ։ Հեղուկ ջրի մեջ մոլեկուլների կառուցվածքը շատ բարդ է։ Երբ սառույցը հալվում է, դրա ցանցային կառուցվածքը մասամբ պահպանվում է ստացված ջրի մեջ։ Հալված ջրի մոլեկուլները բաղկացած են բազմաթիվ պարզ մոլեկուլներից՝ ագրեգատներից, որոնք պահպանում են սառույցի հատկությունները: Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ նրանցից մի քանիսը քայքայվում են, չափերը փոքրանում են։

Փոխադարձ գրավչությունը հանգեցնում է նրան, որ հեղուկ ջրի մեջ բարդ ջրի մոլեկուլի միջին չափը զգալիորեն գերազանցում է մեկ ջրի մոլեկուլի չափը: Ջրի նման արտասովոր մոլեկուլային կառուցվածքը որոշում է նրա արտասովոր ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները։

Որքա՞ն պետք է լինի ջրի խտությունը:

Շատ տարօրինակ հարց է, չէ՞։ Հիշեք, թե ինչպես է սահմանվել զանգվածի միավորը՝ մեկ գրամ: Սա մեկ խորանարդ սանտիմետր ջրի զանգվածն է։ Այսպիսով, կասկած չկա, որ ջրի խտությունը պետք է լինի միայն այնպիսին, ինչպիսին կա: Կարո՞ղ եք կասկածել: Կարող է. Տեսաբանները հաշվարկել են, որ եթե ջուրը հեղուկ վիճակում չպահպաներ սառույցի նման կառուցվածքը, և նրա մոլեկուլները սերտորեն լցված լինեին, ապա ջրի խտությունը շատ ավելի մեծ կլիներ: 25°C-ի դեպքում այն ​​հավասար կլիներ ոչ թե 1,0-ի, այլ 1,8 գ/սմ3-ի։

Ինչ ջերմաստիճանում պետք է եռա ջուրը:

Այս հարցը նույնպես, իհարկե, տարօրինակ է։ Ի վերջո, ջուրը եռում է 100 աստիճանով։ Սա բոլորը գիտեն։ Ավելին, բոլորը գիտեն, որ դա ջրի եռման կետն է նորմալ մթնոլորտային ճնշման տակ, որն ընտրվում է որպես ջերմաստիճանի սանդղակի հղման կետերից մեկը, որը պայմանականորեն նշանակված է 100 ° C:

Սակայն հարցն այլ կերպ է դրվում՝ ի՞նչ ջերմաստիճանում պետք է եռա ջուրը։ Ի վերջո, տարբեր նյութերի եռման կետերը պատահական չեն։ Դրանք կախված են Մենդելեևի պարբերական համակարգում իրենց մոլեկուլները կազմող տարրերի դիրքից։

Եթե ​​համեմատենք նույն կազմի տարբեր տարրերի քիմիական միացությունները, որոնք պատկանում են պարբերական աղյուսակի նույն խմբին, ապա հեշտ է տեսնել, որ որքան փոքր է տարրի ատոմային թիվը, այնքան ցածր է նրա ատոմային քաշը, այնքան ցածր է եռման կետը։ դրա միացությունները. Ըստ իր քիմիական բաղադրության՝ ջուրը կարելի է անվանել թթվածնի հիդրիդ։ H2Te, H2Se և H2S ջրի քիմիական անալոգներ են: Եթե ​​հետևենք դրանց եռման կետերին և համեմատենք, թե ինչպես են փոխվում այլ խմբերի հիդրիդների եռման կետերը պարբերական համակարգ, ապա դուք կարող եք բավականին ճշգրիտ որոշել ցանկացած հիդրիդի, ինչպես նաև ցանկացած այլ միացության եռման կետը։ Ինքը՝ Մենդելեևը, այս կերպ կարողացել է կանխատեսել դեռևս չհայտնաբերված տարրերի քիմիական միացությունների հատկությունները։

Եթե ​​թթվածնի հիդրիդի եռման կետը որոշենք պարբերական աղյուսակում նրա դիրքով, ապա կստացվի, որ ջուրը պետք է եռա -80°C-ում։ Հետևաբար, ջուրը եռում է մոտավորապես հարյուր ութսուն աստիճան բարձր։ , քան պետք է եփվի: Ջրի եռման կետը՝ սա նրա ամենատարածված հատկությունն է, ստացվում է արտասովոր և զարմանալի։

ցանկացածի հատկությունները քիմիական միացությունկախված է այն կազմող տարրերի բնույթից և, հետևաբար, Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական համակարգում նրանց դիրքից։ Այս գրաֆիկները ցույց են տալիս եռման և հալման կետերի կախվածությունը ջրածնի միացություններՊարբերական համակարգի IV և VI խմբեր. Ջուրը վառ բացառություն է։ Պրոտոնի շատ փոքր շառավիղի պատճառով նրա մոլեկուլների փոխազդեցության ուժերն այնքան մեծ են, որ դրանք առանձնացնելը շատ դժվար է, ուստի ջուրը եռում և հալվում է աննորմալ բարձր ջերմաստիճանում։

Գծապատկեր Ա. IV խմբի տարրերի հիդրիդների եռման կետի նորմալ կախվածությունը պարբերական համակարգում նրանց դիրքից:

Գրաֆիկ Բ. VI խմբի տարրերի հիդրիդներից ջուրն ունի անոմալ հատկություններ՝ ջուրը պետք է եռա մինուս 80 - մինուս 90 ° C, բայց եռա գումարած 100 ° C:

Գծապատկեր Բ. IV խմբի տարրերի հիդրիդների հալման կետի նորմալ կախվածությունը պարբերական համակարգում նրանց դիրքից:

Գրաֆիկ Դ. VI խմբի տարրերի հիդրիդների շարքում ջուրը խախտում է կարգը՝ այն պետք է հալվի մինուս 100°C ջերմաստիճանում, իսկ սառցալեզվակները հալչեն 0°C-ում:

Ո՞ր ջերմաստիճանում է ջուրը սառչում:

Հարցը նախորդներից պակաս տարօրինակ չէ՞։ Դե, ո՞վ չգիտի, որ ջուրը սառչում է զրոյական աստիճանով։ Սա ջերմաչափի երկրորդ հղման կետն է։ Սա ջրի ամենատարածված հատկությունն է։ Բայց նույնիսկ այս դեպքում կարելի է հարցնել՝ ի՞նչ ջերմաստիճանում պետք է ջուրը սառչի՝ իր քիմիական բնույթին համապատասխան։ Ստացվում է, որ թթվածնի հիդրիդը, ելնելով պարբերական աղյուսակում իր դիրքից, պետք է ամրանար զրոյից ցածր հարյուր աստիճանով։

Քանի՞ հեղուկ վիճակ կա ջրի մեջ:

Այս հարցին այնքան էլ հեշտ չէ պատասխանել։ Իհարկե, կա նաև մի բան՝ բոլորիս ծանոթ հեղուկ ջուր։ Բայց հեղուկ վիճակում ջուրն ունի այնպիսի արտասովոր հատկություններ, որ պետք է մտածել՝ արդյոք այդքան պարզ, թվացյալ ոչ սադրիչ

անկասկած պատասխանը. Ջուրն աշխարհում միակ նյութն է, որը հալվելուց հետո սկզբում կծկվում է, ապա ընդլայնվում ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: Մոտ 4°C ջերմաստիճանում ջուրն ունի ամենաբարձր խտությունը։ Ջրի հատկությունների այս հազվագյուտ անոմալիան բացատրվում է նրանով, որ իրականում հեղուկ ջուրը միանգամայն արտասովոր բաղադրության բարդ լուծույթ է. այն ջրի լուծույթ է ջրի մեջ։

Երբ սառույցը հալվում է, սկզբում առաջանում են խոշոր բարդ ջրի մոլեկուլներ: Նրանք պահպանում են սառույցի չամրացված բյուրեղային կառուցվածքի մնացորդները և լուծվում են սովորական ցածր մոլեկուլային քաշի ջրի մեջ: Հետևաբար, սկզբում ջրի խտությունը ցածր է, բայց երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, այդ մեծ մոլեկուլները քայքայվում են, և այդպիսով ջրի խտությունը մեծանում է այնքան ժամանակ, մինչև որ սկսի գերակշռել սովորական ջերմային ընդլայնումը, որի դեպքում ջրի խտությունը նորից ընկնում է։ Եթե ​​դա ճիշտ է, ապա հնարավոր են ջրի մի քանի վիճակներ, միայն թե ոչ ոք չգիտի, թե ինչպես դրանք առանձնացնել։ Եվ դեռ հայտնի չէ, թե արդյոք դա երբևէ հնարավոր կլինի անել։ Ջրի այս արտասովոր հատկությունը մեծ նշանակություն ունի կյանքի համար։ Ջրամբարներում, մինչև ձմռան սկիզբը, աստիճանաբար սառեցնող ջուրը իջնում ​​է, մինչև ամբողջ ջրամբարի ջերմաստիճանը հասնի 4 ° C: Հետագա սառեցման դեպքում ավելի սառը ջուրը մնում է վերևում և բոլոր խառնումները դադարում են: Արդյունքն արտառոց իրավիճակ է՝ բարակ շերտ սառը ջուրդառնում է «տաք վերմակի» պես ստորջրյա աշխարհի բոլոր բնակիչների համար։ 4°C-ում նրանք իրենց ակնհայտ լավ են զգում:

Ի՞նչը պետք է լինի ավելի հեշտ՝ ջուր, թե սառույց:

Ով սա չգիտի... Ի վերջո, սառույցը լողում է ջրի վրա: Հսկայական այսբերգները լողում են օվկիանոսում. Լճերը ձմռանը ծածկված են լողացող պինդ սառույցի շերտով։ Իհարկե, սառույցը ավելի թեթև է, քան ջուրը:

Բայց ինչո՞ւ «իհարկե»։ Մի՞թե այդքան պարզ է։ Ընդհակառակը, բոլորի ծավալը պինդ նյութերերբ հալվում է, այն ավելանում է, և նրանք խեղդվում են իրենց հալոցքի մեջ: Բայց սառույցը լողում է ջրի վրա: Ջրի այս հատկությունը բնության մեջ անոմալիա է, բացառություն, և առավել եւս՝ բացարձակապես ուշագրավ բացառություն։

Ջրի մոլեկուլում դրական լիցքերը կցվում են ջրածնի ատոմներին։ Բացասական լիցքերը թթվածնի վալենտային էլեկտրոններն են։ Նրանց փոխադարձ դասավորությունը ջրի մոլեկուլում կարելի է ներկայացնել որպես պարզ քառաեդրոն։

Փորձենք պատկերացնել, թե ինչպիսի տեսք կունենար աշխարհը, եթե ջուրը նորմալ հատկություններ ունենար, իսկ սառույցը, ինչպես պետք է լինի ցանկացած նորմալ նյութ, ավելի խտ լինի, քան հեղուկ ջուրը: Ձմռանը ավելի խիտ սառույցը, որը սառչում է վերևից, սուզվում էր ջրի մեջ՝ շարունակաբար սուզվելով ջրամբարի հատակը։ Ամռանը սառը ջրի շերտով պաշտպանված սառույցը չէր կարող հալվել։ Աստիճանաբար բոլոր լճերը, լճակները, գետերը, առուները ամբողջովին կսառչեն՝ վերածվելով հսկա սառցե բլոկների։ Վերջապես ծովերը կսառցեին, իսկ դրանցից դուրս՝ օվկիանոսները։ Մեր գեղեցիկ ծաղկող կանաչ աշխարհը կդառնա շարունակական սառցե անապատ՝ տեղ-տեղ ծածկված հալված ջրի բարակ շերտով:

Քանի՞ սառույց կա:

Բնության մեջ, մեր Երկրի վրա՝ մեկ՝ սովորական սառույց: Սառույցը արտասովոր հատկություններով ժայռ է։ Այն պինդ է, բայց հոսում է հեղուկի պես, և կան հսկայական սառցե գետեր, որոնք դանդաղ հոսում են բարձր լեռներից։ Սառույցը փոփոխական է՝ անընդհատ անհետանում է և նորից ձևավորվում։ Սառույցը անսովոր ամուր և դիմացկուն է. տասնյակ հազարամյակների ընթացքում այն ​​առանց փոփոխությունների է պահում մամոնտների մարմինը, որոնք պատահաբար մահացել են սառցադաշտային ճեղքերում: Իր լաբորատորիաներում մարդուն հաջողվել է հայտնաբերել առնվազն վեց տարբեր, ոչ պակաս զարմանալի սառույցներ։ Նրանք չեն կարող հայտնաբերվել բնության մեջ: Նրանք կարող են գոյություն ունենալ միայն շատ բարձր ճնշման դեպքում: Սովորական սառույցը պահպանվում է մինչև 208 ՄՊա (մեգապասկալ) ճնշման տակ, սակայն այս ճնշման դեպքում այն ​​հալվում է -22 °C-ում։ Եթե ​​ճնշումը 208 ՄՊա-ից բարձր է, առաջանում է խիտ սառույց՝ սառույց-Շ. Այն ավելի ծանր է ջրից և սուզվում է դրա մեջ։ Ավելի ցածր ջերմաստիճանի և ավելի բարձր ճնշման դեպքում՝ մինչև 300 ՄՊա, ձևավորվում է նույնիսկ ավելի խիտ սառույց-P: 500 ՄՊա-ից բարձր ճնշումը սառույցը վերածում է սառույցի-V: Այս սառույցը կարող է ջեռուցվել մինչև 0°C և չի հալվի, թեև գտնվում է հսկայական ճնշման տակ: Մոտ 2 ԳՊա (գիգապասկալ) ճնշման դեպքում առաջանում է սառույց-VI: Սա բառացիորեն տաք սառույց է, այն կարող է դիմակայել 80°C ջերմաստիճանին՝ առանց հալվելու: Ice-VII-ը, որը հայտնաբերված է 3GPa ճնշման դեպքում, կարելի է անվանել շիկացած սառույց: Այն ամենախիտն ու հրակայունն է հայտնի սառույց. Այն հալվում է միայն զրոյից բարձր 190°-ում:

Ice-VII-ն ունի անսովոր բարձր կարծրություն։ Այս սառույցը կարող է նույնիսկ հանկարծակի աղետների պատճառ դառնալ։ Հսկայական ճնշում է զարգանում այն ​​առանցքակալներում, որոնցում պտտվում են էլեկտրակայանների հզոր տուրբինների լիսեռները։ Եթե ​​նույնիսկ մի քիչ ջուր մտնի քսուք, այն կսառչի, չնայած այն հանգամանքին, որ առանցքակալների ջերմաստիճանը շատ բարձր է: Ստացված սառույց-VII մասնիկները, որոնք ունեն մեծ կարծրություն, կսկսեն ոչնչացնել լիսեռը և առանցքակալը և արագ անջատել դրանք:

Միգուցե տիեզերքում սառույց կա՞:

Ոնց որ կա, ու միևնույն ժամանակ շատ տարօրինակ։ Բայց այն հայտնաբերել են Երկրի վրա գտնվող գիտնականները, թեև այդպիսի սառույցներ մեր մոլորակի վրա չեն կարող լինել։ Բոլոր ներկայումս հայտնի սառույցների խտությունը, նույնիսկ շատ բարձր ճնշման դեպքում, շատ փոքր-ինչ գերազանցում է 1 գ/սմ3-ը: Սառույցի վեցանկյուն և խորանարդ ձևափոխման խտությունը շատ ցածր ճնշման և ջերմաստիճանի դեպքում, նույնիսկ մոտ բացարձակ զրո, մի փոքր պակաս, քան միասնությունը։ Նրանց խտությունը 0,94 գ/սմ3 է։

Բայց պարզվեց, որ վակուումում, աննշան ճնշումների և -170 ° C-ից ցածր ջերմաստիճանի պայմաններում, երբ սառույցի ձևավորումը տեղի է ունենում, երբ այն գոլորշիից խտանում է սառեցված պինդ մակերեսի վրա, բացարձակապես զարմանալի սառույց է առաջանում: Դրա խտությունը ... 2,3 գ / սմ3 է: Մինչ այժմ հայտնի բոլոր սառույցները բյուրեղային են, և այս նոր սառույցը կարծես ամորֆ է, որը բնութագրվում է առանձին ջրի մոլեկուլների անկարգ հարաբերական դասավորությամբ. այն չունի հստակ բյուրեղային կառուցվածք։ Այդ պատճառով այն երբեմն անվանում են ապակե սառույց: Գիտնականները վստահ են, որ այս զարմանալի սառույցը պետք է հայտնվի տիեզերական պայմաններում և մեծ դեր խաղա մոլորակների և գիսաստղերի ֆիզիկայում։ Նման գերխիտ սառույցի հայտնաբերումն անսպասելի էր ֆիզիկոսների համար։

Ի՞նչ է անհրաժեշտ սառույցը հալելու համար:

Շատ ջերմություն: Շատ ավելին, քան ցանկացած այլ նյութի այս քանակությունը հալեցնելը: Միաձուլման բացառիկ բարձր հատուկ ջերմությունը՝ 80 կկալ (335 Ջ) սառույցի մեկ գրամի դիմաց, ջրի անոմալ հատկությունն է: Երբ ջուրը սառչում է, ջերմության այդ քանակությունը կրկին արտազատվում է։

Երբ ձմեռը գալիս է, սառույցը ձևավորվում է, ձյուն է գալիս և ջուրը ջերմություն է տալիս՝ տաքացնելով երկիրն ու օդը։ Նրանք դիմադրում են ցրտին և մեղմացնում անցումը դեպի դաժան ձմեռ: Ջրի այս հրաշալի հատկության շնորհիվ մեր մոլորակի վրա գոյություն ունեն աշունն ու գարունը։

Որքա՞ն ջերմություն է անհրաժեշտ ջուրը տաքացնելու համար:

Շատ. Ավելի շատ, քան ցանկացած այլ նյութի հավասար քանակություն տաքացնելու համար: Մեկ գրամ ջուրը մեկ աստիճանով տաքացնելու համար պահանջվում է մեկ կալորիա (4,2 Ջ): Սա ավելի քան երկու անգամ գերազանցում է ցանկացած քիմիական միացության ջերմային հզորությունը:

Ջուրը մի նյութ է, որը մեզ համար առավել սովորական հատկություններով էլ ավելի արտասովոր է: Իհարկե, ջրի այս հատկությունը մեծ նշանակություն ունի ոչ միայն խոհանոցում ընթրիք պատրաստելիս։ Ջուրը ջերմության մեծ բաշխողն է ողջ երկրագնդում: Հասարակածի տակ գտնվող Արեգակի կողմից տաքացվող այն ջերմությունը փոխանցում է Համաշխարհային օվկիանոսում ծովային հոսանքների հսկա հոսքերի միջոցով դեպի հեռավոր բևեռային շրջաններ, որտեղ կյանքը հնարավոր է միայն ջրի այս զարմանալի հատկության շնորհիվ:

Ինչու է ծովի ջուրը աղի:

Սա, թերեւս, ջրի ամենազարմանալի հատկություններից մեկի ամենակարեւոր հետեւանքներից մեկն է: Դրա մոլեկուլում դրական և բացասական լիցքերի կենտրոնները խիստ տեղաշարժված են միմյանց նկատմամբ։ Ուստի ջուրն ունի դիէլեկտրական հաստատունի բացառիկ բարձր, անոմալ արժեք։ Ջրի համար e \u003d 80, իսկ օդի և վակուումի համար՝ e \u003d 1: Սա նշանակում է, որ ջրի ցանկացած երկու հակադիր լիցքեր փոխադարձաբար ձգվում են միմյանց՝ 80 անգամ ավելի քիչ ուժով, քան օդում: Ի վերջո, ըստ Կուլոնի օրենքի.

Այնուամենայնիվ, բոլոր մարմիններում միջմոլեկուլային կապերը, որոնք որոշում են մարմնի ուժը, պայմանավորված են դրական լիցքերի փոխազդեցությամբ: ատոմային միջուկներև բացասական էլեկտրոններ։ Ջրի մեջ ընկղմված մարմնի մակերեսին մոլեկուլների կամ ատոմների միջև գործող ուժերը ջրի ազդեցությամբ թուլանում են գրեթե հարյուր անգամ։ Եթե ​​մոլեկուլների միջև կապի մնացած ուժը դառնում է անբավարար ջերմային շարժման գործողությանը դիմակայելու համար, ապա մարմնի մոլեկուլները կամ ատոմները սկսում են պոկվել նրա մակերեսից և անցնել ջրի մեջ: Մարմինը սկսում է լուծարվել՝ տրոհվելով կամ առանձին մոլեկուլների, ինչպես շաքարավազը մի բաժակ թեյի մեջ, կամ լիցքավորված մասնիկների՝ իոնների, ինչպես ճաշի աղը։

Հենց անոմալ բարձր դիէլեկտրական հաստատունի պատճառով է, որ ջուրն ամենաուժեղ լուծիչներից է: Այն նույնիսկ ընդունակ է լուծարել երկրի մակերեւույթի ցանկացած քար։ Դանդաղ և անխուսափելիորեն այն ոչնչացնում է նույնիսկ գրանիտները՝ դրանցից դուրս հանելով հեշտությամբ լուծվող բաղադրիչները:

Առվակները, գետերը և գետերը օվկիանոս են տեղափոխում լուծված կեղտեր: Օվկիանոսից ջուրը գոլորշիանում է և նորից վերադառնում երկիր՝ նորից ու նորից շարունակելու իր հավերժական աշխատանքը: Իսկ լուծված աղերը մնում են ծովերում ու օվկիանոսներում։

Մի կարծեք, որ ջուրը լուծվում և ծով է տանում միայն այն, ինչը հեշտությամբ լուծվում է և ինչ ծովի ջուրպարունակում է միայն սովորական աղ, որը դրված է ճաշասեղանի վրա։ Ոչ, ծովի ջուրը պարունակում է գրեթե բոլոր այն տարրերը, որոնք գոյություն ունեն բնության մեջ: Այն պարունակում է մագնեզիում, և կալցիում, և ծծումբ, և բրոմ, և յոդ և ֆտոր: Նրանում ավելի փոքր քանակությամբ հանդիպում են երկաթ, պղինձ, նիկել, անագ, ուրան, կոբալտ, նույնիսկ արծաթ և ոսկի։ Քիմիկոսների կողմից ծովի ջրում հայտնաբերվել է ավելի քան վաթսուն տարր: Հավանաբար, մնացած բոլորը կգտնվեն։ Ծովի ջրում ամենաշատը կերակրի աղն է: Հետեւաբար, ծովի ջուրը աղի է:

Կարո՞ղ եք վազել ջրի մակերեսով:

Կարող է. Դրանում համոզվելու համար ամռանը նայեք ցանկացած լճակի կամ լճի մակերեսին։ Ջրի վրա ոչ միայն քայլում է, այլև վազում է շատ աշխույժ և արագ մարդիկ: Եթե ​​հաշվի առնենք, որ այս միջատների ոտքերի աջակցության տարածքը շատ փոքր է, ապա հեշտ է հասկանալ, որ չնայած նրանց փոքր քաշին, ջրի մակերեսը կարող է դիմակայել զգալի ճնշմանը, առանց ճեղքելու: .

Կարո՞ղ է ջուրը հոսել դեպի վեր:

Այո գուցե։ Սա տեղի է ունենում միշտ և ամենուր: Ջուրն ինքը բարձրանում է հողի մեջ՝ ստորերկրյա ջրերի մակարդակից թրջելով երկրի ամբողջ հաստությունը։ Ջուրն ինքնին բարձրանում է ծառի մազանոթ անոթներով և օգնում բույսին լուծված սննդանյութերը հասցնել մեծ բարձրության՝ հողի մեջ խորապես թաքնված արմատներից մինչև տերևներ և պտուղներ: Ջուրն ինքնին շարժվում է դեպի վեր՝ մաքրող թղթի ծակոտիներում, երբ դուք պետք է չորացնեք բիծը, կամ սրբիչի կտորի մեջ, երբ սրբում եք ձեր դեմքը: Շատ բարակ խողովակներում՝ մազանոթներում, ջուրը կարող է բարձրանալ մինչև մի քանի մետր:

Ինչո՞վ է սա բացատրվում:

Ջրի մեկ այլ ուշագրավ առանձնահատկությունը նրա չափազանց բարձր մակերևութային լարվածությունն է։ Ջրի մոլեկուլները նրա մակերևույթի վրա զգում են միջմոլեկուլային ներգրավման ուժերի գործողությունը միայն մի կողմից, իսկ ջրի մեջ այդ փոխազդեցությունը անոմալիորեն մեծ է: Հետևաբար, իր մակերեսի յուրաքանչյուր մոլեկուլ քաշվում է հեղուկի մեջ: Արդյունքում առաջանում է մի ուժ, որը ձգում է հեղուկի մակերեսը:Ջրի համար այն հատկապես մեծ է՝ նրա մակերևութային լարվածությունը 72 մՆ/մ է (միլինյուտոն մեկ մետրի համար):

Կարո՞ղ է ջուրը հիշել:

Նման հարցադրումը, ճիշտ է, հնչում է շատ անսովոր, բայց բավականին լուրջ և շատ կարևոր։ Խոսքը վերաբերում է մի մեծ ֆիզիկաքիմիական խնդրի, որն իր կարևորագույն մասով դեռ չի ուսումնասիրվել։ Այս հարցը միայն գիտության մեջ է դրվել, բայց դրա պատասխանը դեռ չի գտել։

Հարցն այն է, թե արդյոք ջրի նախորդ պատմությունը ազդում է նրա ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների վրա, թե ոչ, և արդյոք հնարավո՞ր է, ուսումնասիրելով ջրի հատկությունները, պարզել, թե ինչ է տեղի ունեցել դրա հետ ավելի վաղ. ստիպել ջուրն ինքնին «հիշել» և ասել մեզ. դրա մասին. Այո, հնարավոր է, որքան էլ զարմանալի թվա։ Սա հասկանալու ամենահեշտ ձևը պարզ, բայց շատ հետաքրքիր և անսովոր օրինակ է՝ սառույցի հիշողությունը:

Սառույցը ջուր է: Երբ ջուրը գոլորշիանում է, ջրի և գոլորշու իզոտոպային բաղադրությունը փոխվում է։ Թեթև ջուրը գոլորշիանում է, թեև աննշան չափով, բայց ավելի արագ, քան ծանր ջուրը։

Երբ բնական ջուրը գոլորշիանում է, կազմը փոխվում է ոչ միայն դեյտերիումի, այլև ծանր թթվածնի իզոտոպային պարունակության մեջ։ Գոլորշիների իզոտոպային բաղադրության այս փոփոխությունները շատ լավ ուսումնասիրված են, լավ ուսումնասիրված է նաև դրանց կախվածությունը ջերմաստիճանից։

Վերջերս գիտնականները ուշագրավ փորձ են անցկացրել. Արկտիկայում՝ Գրենլանդիայի հյուսիսում գտնվող հսկայական սառցադաշտի հաստության մեջ, հորատվել է հորատանցք, և փորվել և արդյունահանվել է գրեթե մեկուկես կիլոմետր երկարությամբ հսկա սառցե միջուկ: Նրա վրա հստակ երեւում էին աճող սառույցի տարեկան շերտերը։ Այս շերտերը ենթարկվել են իզոտոպային վերլուծության միջուկի ողջ երկարությամբ, և միջուկի յուրաքանչյուր հատվածում տարեկան սառցե շերտերի ձևավորման ջերմաստիճանները որոշվել են ջրածնի և թթվածնի ծանր իզոտոպների՝ դեյտերիումի և 18O-ի հարաբերական պարունակությունից: Անմիջական ընթերցմամբ որոշվել է տարեկան շերտի ձևավորման ամսաթիվը։ Այսպիսով, Երկրի վրա կլիմայական իրավիճակը վերականգնվեց մեկ հազարամյակի ընթացքում։ Ջուրին հաջողվել է հիշել ու գրանցել այս ամենը Գրենլանդիայի սառցադաշտի խորը շերտերում։

Սառցե շերտերի իզոտոպային վերլուծությունների արդյունքում գիտնականները Երկրի վրա կառուցել են կլիմայի փոփոխության կոր։ Պարզվեց, որ միջին ջերմաստիճանը մեր երկրում ենթակա է աշխարհիկ տատանումների։ 15-րդ դարում շատ ցուրտ էր, ք վերջ XVIIմեջ և մեջ վաղ XIX. Ամենաշոգ տարիները եղել են 1550 և 1930 թվականները։

Այդ դեպքում ո՞րն է ջրի «հիշողության» առեղծվածը:

Փաստն այն է, որ վերջին տարիներին գիտությունն աստիճանաբար բազմաթիվ զարմանալի ու բոլորովին անհասկանալի փաստեր է կուտակել։ Դրանցից մի քանիսը հաստատապես հաստատված են, մյուսները պահանջում են քանակական հավաստի հաստատում, և բոլորը դեռ սպասում են իրենց բացատրությանը։

Օրինակ, ոչ ոք դեռ չգիտի, թե ինչ է տեղի ունենում ջրի հետ, որը հոսում է ուժեղ մագնիսական դաշտով: Տեսական ֆիզիկոսները միանգամայն վստահ են, որ դրան ոչինչ չի կարող պատահել և չի պատահել՝ ամրապնդելով իրենց համոզմունքը միանգամայն վստահելի տեսական հաշվարկներով, որոնցից հետևում է, որ մագնիսական դաշտի ավարտից հետո ջուրը պետք է անմիջապես վերադառնա իր նախկին վիճակին և մնա իր նման։ էր . Իսկ փորձը ցույց է տալիս, որ այն փոխվում է ու տարբերվում։

Մեծ տարբերություն կա՞։ Դատեք ինքներդ։ Սկսած պարզ ջուրգոլորշու կաթսայում լուծված աղերը, դուրս գալով, նստում են խիտ ու կոշտ, քարի նման, կաթսայի խողովակների պատերին, իսկ մագնիսացված ջրից (ինչպես հիմա կոչվում է տեխնոլոգիայի մեջ) նստում են ձևով. ջրի մեջ կասեցված չամրացված նստվածք: Թվում է, թե տարբերությունը փոքր է: Բայց դա կախված է տեսակետից։ ՋԷԿ-երի աշխատակիցների կարծիքով՝ այս տարբերությունը չափազանց կարևոր է, քանի որ մագնիսացված ջուրն ապահովում է հսկա էլեկտրակայանների բնականոն և անխափան աշխատանքը. առաջացած. Մագնիսական ջրի պատրաստուկը վաղուց տեղադրվել է շատ ջերմաէլեկտրակայաններում, բայց ոչ ինժեներները, ոչ գիտնականները չգիտեն, թե ինչպես և ինչու է այն աշխատում: Բացի այդ, փորձը ցույց է տվել, որ ջրի մագնիսական մշակումից հետո նրա մեջ արագանում են բյուրեղացման, տարրալուծման, կլանման պրոցեսները, թրջող փոփոխությունները... այնուամենայնիվ, բոլոր դեպքերում ազդեցությունները փոքր են և դժվար վերարտադրվող։

Մագնիսական դաշտի գործողությունը ջրի վրա (պարտադիր արագահոս) տևում է վայրկյանի մի փոքր հատված, և ջուրը դա «հիշում է» տասնյակ ժամեր։ Ինչու անհայտ է: Այս առումով պրակտիկան շատ առաջ է գիտությունից։ Ի վերջո, հետագայում հայտնի չէ, թե կոնկրետ ինչի վրա է ազդում մագնիսական բուժումը՝ ջրի, թե դրա մեջ պարունակվող կեղտերի վրա։ Մաքուր ջուր գոյություն չունի։

Ջրի «հիշողությունը» չի սահմանափակվում միայն մագնիսական ազդեցության ազդեցության պահպանմամբ։ Գիտության մեջ կան և աստիճանաբար կուտակվում են բազմաթիվ փաստեր և դիտարկումներ, որոնք ցույց են տալիս, որ ջուրը կարծես «հիշում է», որ նախկինում սառել է:

Հալած ջուրը, որը վերջերս ստացվել է սառույցի մի կտոր հալեցնելով, նույնպես կարծես տարբերվում է այն ջրից, որից առաջացել է այս սառույցի կտորը։ Հալած ջրի մեջ սերմերը ավելի արագ և ավելի լավ են բողբոջում, ծիլերն ավելի արագ են զարգանում. հետո, ասես, ավելի արագ են աճում ու զարգանում հավերը, որոնք ստանում են հալեցնում ջուրը. Բացի կենսաբանների կողմից հաստատված հալված ջրի զարմանալի հատկություններից, հայտնի են նաև զուտ ֆիզիկական և քիմիական տարբերություններ, օրինակ՝ հալված ջուրը տարբերվում է մածուցիկությամբ, դիէլեկտրական հաստատունի արժեքով։ Հալված ջրի մածուցիկությունը ջրի համար իր սովորական արժեքը ստանում է հալվելուց միայն 3-6 օր հետո: Ինչու է դա այդպես (եթե այդպես է), ոչ ոք չգիտի:

Հետազոտողների մեծամասնությունը երևույթների այս ոլորտն անվանում է ջրի «կառուցվածքային հիշողություն»՝ հավատալով, որ ջրի նախորդ պատմության ազդեցության բոլոր այս տարօրինակ դրսևորումները նրա հատկությունների վրա բացատրվում են նրա մոլեկուլային վիճակի նուրբ կառուցվածքի փոփոխությամբ: Միգուցե դա այդպես է, բայց ... անվանելը նույնը չէ, ինչ բացատրելը: Գիտության մեջ դեռ մի կարևոր խնդիր կա՝ ինչու և ինչպես է ջուրը «հիշում» իր հետ կատարվածը։

Որտեղի՞ց է ջուրը եկել Երկրի վրա:

Հավերժ, բոլոր ուղղություններով Տիեզերքը խոցված է տիեզերական ճառագայթների հոսքերով՝ ահռելի էներգիայով մասնիկների հոսքերով: Ամենից շատ դրանք պարունակում են պրոտոններ՝ ջրածնի ատոմների միջուկներ։ Տիեզերքում իր շարժման ընթացքում մեր մոլորակը շարունակաբար ենթարկվում է «պրոտոնային ռմբակոծության»։ Երկրի մթնոլորտի վերին շերտերը ներթափանցելով՝ պրոտոնները գրավում են էլեկտրոնները, վերածվում ջրածնի ատոմների և անմիջապես փոխազդում թթվածնի հետ՝ առաջացնելով ջուր։ Հաշվարկը ցույց է տալիս, որ ամեն տարի ստրատոսֆերայում ծնվում է գրեթե մեկուկես տոննա նման «տիեզերական» ջուր։ Ցածր ջերմաստիճանի բարձր բարձրության վրա ջրի գոլորշիների առաձգականությունը շատ ցածր է, և ջրի մոլեկուլները, աստիճանաբար կուտակվելով, խտանում են տիեզերական փոշու մասնիկների վրա՝ ձևավորելով խորհրդավոր արծաթափայլ ամպեր: Գիտնականները ենթադրում են, որ դրանք բաղկացած են ամենափոքր սառցե բյուրեղներից, որոնք առաջացել են նման «տիեզերական» ջրից։ Հաշվարկը ցույց է տվել, որ Երկրի վրա իր պատմության ընթացքում այս կերպ հայտնված ջուրը բավական կլինի մեր մոլորակի բոլոր օվկիանոսները ծնելու համար։ Այսպիսով, ջուրը Երկիր է եկել տիեզերքից: Բայց...

Երկրաքիմիկոսները ջուրը դրախտային հյուր չեն համարում. Նրանք համոզված են, որ նա երկրային ծագում ունի։ Ժայռերը, որոնք կազմում են երկրային թիկնոցը, որը գտնվում է երկրի կենտրոնական միջուկի և երկրակեղևի միջև՝ կուտակված ջերմության ազդեցության տակ։ ռադիոակտիվ քայքայումըտեղ-տեղ հալվել են իզոտոպները։ Դրանցից ցնդող բաղադրիչներ են արձակվել՝ ազոտ, քլոր, ածխածնի միացություններ, ծծումբ, ամենից շատ՝ ջրի գոլորշի։

Քանի՞ ժայթքում կարող էին արձակվել բոլոր հրաբուխների կողմից մեր մոլորակի գոյության ողջ ընթացքում:

Գիտնականները հաշվարկել են սա։ Պարզվեց, որ նման ժայթքած «երկրաբանական» ջուրը նույնպես կբավարարի բոլոր օվկիանոսները լցնելու համար։

Մեր մոլորակի կենտրոնական հատվածներում, որոնք կազմում են նրա միջուկը, հավանաբար ջուր չկա։ Քիչ հավանական է, որ նա կարող է գոյություն ունենալ այնտեղ: Որոշ գիտնականներ կարծում են, որ այնուհետև, եթե այնտեղ առկա են և՛ թթվածինը, և՛ ջրածինը, ապա դրանք, այլ տարրերի հետ միասին, պետք է գիտության համար ձևավորեն նոր՝ մետաղականման միացությունների անհայտ ձևեր՝ բարձր խտությամբ, կայուն այդ հսկայական ճնշումների և ջերմաստիճանների նկատմամբ, որոնք գերակշռում են աշխարհում։ երկրագնդի կենտրոնը..

Այլ հետազոտողներ վստահ են, որ երկրագնդի միջուկը բաղկացած է երկաթից։ Այն, ինչ իրականում մեզնից ոչ այնքան հեռու է, մեր ոտքերի տակ, 3 հազար կմ-ից ավելի խորության վրա, դեռ ոչ ոքի անհայտ է, բայց այնտեղ հավանաբար ջուր չկա։

Երկրի աղիքներում ջրի մեծ մասը գտնվում է նրա թիկնոցում՝ երկրակեղևի տակ գտնվող շերտերում և տարածվում են մոտավորապես 3 հազար կմ խորության վրա: Երկրաբանները կարծում են, որ թիկնոցում կենտրոնացած է առնվազն 13 միլիարդ խորանարդ մետր: կմ ջուր։

Երկրի կեղևի ամենավերին շերտը - Երկրի ընդերքըպարունակում է եւս մոտ 1,5 մլրդ խմ։ կմ ջուր։ Այս շերտերի գրեթե ամբողջ ջուրը կապված վիճակում է՝ այն մաս է կազմում ժայռերև հանքանյութեր՝ ձևավորելով հիդրատներ։ Դուք չեք կարող լողանալ այս ջրում և չեք խմելու այն։

Հիդրոսֆերա - երկրագնդի ջրային թաղանթը ձևավորվում է մոտ 1,5 միլիարդ խորանարդ մետրով: կմ ջուր։ Գրեթե ամբողջ այս քանակությունը պարունակվում է օվկիանոսներում: Այն զբաղեցնում է ամբողջ երկրագնդի մակերեսի մոտ 70%-ը, նրա մակերեսը կազմում է ավելի քան 360 միլիոն քառակուսի մետր։ կմ. Տիեզերքից մեր մոլորակը բոլորովին նման չէ գլոբուսի, այլ ավելի շուտ՝ ջրային գնդակի:

Օվկիանոսի միջին խորությունը մոտ 4 կմ է։ Եթե ​​այս «անհատակ խորությունը» համեմատենք բուն երկրագնդի չափերի հետ, որի միջին տրամագիծը հավասար է կմ-ի, ապա, ընդհակառակը, ստիպված կլինենք ընդունել, որ մենք ապրում ենք խոնավ մոլորակի վրա, այն միայն մի փոքր խոնավ է։ ջրով, և նույնիսկ այն ժամանակ ոչ ամբողջ մակերեսով: Օվկիանոսների և ծովերի ջուրը աղի է, դուք չեք կարող խմել այն:

Ցամաքում ջուրը շատ քիչ է՝ ընդամենը մոտ 90 մլն խմ։ կմ. Դրանցից ավելի քան 60 մլն խմ. կմ ստորգետնյա է, գրեթե ամբողջը աղաջուր է։ Մոտ 25 մլն խմ կմ պինդ ջուրը գտնվում է լեռնային և սառցադաշտային շրջաններում՝ Արկտիկայում, Գրենլանդիայում, Անտարկտիդայում։ Երկրագնդի այս ջրային պաշարները պահպանված են:

Բոլոր լճերը, ճահիճները, տեխնածին ջրամբարները և հողը պարունակում են ևս 500 հազար խմ։ կմ ջուր։

Ջուրը նույնպես առկա է մթնոլորտում։ Միշտ օդում կա, նույնիսկ ամենաանջուր անապատներում, որտեղ ոչ մի կաթիլ ջուր չի լինում ու երբեք անձրև չի գալիս, իսկ հետո շատ ջրային գոլորշի է լինում։ Բացի այդ, ամպերը միշտ լողում են երկնքով, ամպեր են հավաքվում, ձյուն է գալիս, անձրև է գալիս, մշուշները տարածվում են երկրի վրա: Մթնոլորտում ջրի այս բոլոր պաշարները ճշգրիտ հաշվարկված են՝ բոլորը միասին վերցրած կազմում են ընդամենը 14 հազար խորանարդ մետր։ կմ.

Ներածություն

1. Ջրի մոլեկուլների կառուցվածքը

2. Ջրի կառուցվածքը ագրեգացման երեք վիճակներում

3. Ջրի տարատեսակներ

4. Ջրի անոմալ հատկությունները

5. Ջրի փուլային փոխակերպումներ և վիճակի դիագրամ

6. Ջրի և սառույցի կառուցվածքի մոդելներ

7. Սառույցի ագրեգատ տեսակներ

Եզրակացություն

Մատենագիտություն

Ներածություն

Ջուրը Երկրի վրա ամենակարևոր նյութն է, առանց որի ոչ մի կենդանի օրգանիզմ չի կարող գոյություն ունենալ և ոչ մի կենսաբանական, քիմիական ռեակցիաներ, և տեխնոլոգիական գործընթացները։

Ջուրը (ջրածնի օքսիդ) անհոտ, անհամ և անգույն հեղուկ է (հաստ շերտերով կապտավուն); Հ 2 Ո, ասում են. մ 18.016, ամենապարզ կայուն կապը։ ջրածինը թթվածնի հետ:

Ջուրը բնության մեջ ամենատարածված նյութերից է։ Այն ընդգրկում է երկրագնդի ամբողջ մակերեսի մոտ 3/4-ը՝ հիմք հանդիսանալով օվկիանոսների, ծովերի, լճերի, գետերի, ստորերկրյա ջրերի և ճահիճների համար։ Մթնոլորտում նույնպես մեծ քանակությամբ ջուր կա։ Բույսերն ու կենդանի օրգանիզմներն իրենց բաղադրության մեջ պարունակում են 50-96% ջուր։

Միջաստղային տարածության մեջ ջրի մոլեկուլներ են հայտնաբերվել։ Ջուրը գիսաստղերի, Արեգակնային համակարգի մոլորակների մեծ մասի և նրանց արբանյակների մի մասն է: Երկրի մակերեսի վրա ջրի քանակը գնահատվում է 1,39 * 10 18 տոննա, դրա մեծ մասը պարունակվում է ծովերում և օվկիանոսներում։ Գետերում, լճերում, ճահիճներում և ջրամբարներում օգտագործելու համար հասանելի քաղցրահամ ջրի քանակը 2*104 տոննա է 2,5-3,010 16 տոննա, որը կազմում է մեր ամբողջ մոլորակի զանգվածի ընդամենը 0,0004%-ը։Սակայն այս քանակությունը բավարար է։ ամբողջ մակերեսը ծածկելու համար գլոբուս 53 մետր շերտ, և եթե այս ամբողջ զանգվածը հանկարծ հալվեր՝ վերածվելով ջրի, ապա Համաշխարհային օվկիանոսի մակարդակը ներկայիս համեմատ կբարձրանա մոտ 64 մետրով։ Ստորերկրյա ջրերը մոտավորապես նույնքան են, և միայն մի փոքր։ մի մասը թարմ է։ Մթնոլորտը պարունակում է մոտ. 1,3 * 10 13 տոննա ջուր. Ջուրը շատ օգտակար հանածոների և ապարների (կավ, գիպս և այլն) մասն է, առկա է հողում և հանդիսանում է բոլոր կենդանի օրգանիզմների հիմնական բաղադրիչը։

Խտությունը H 2 O \u003d 1 գ / սմ3 (3,98 աստիճանով), t pl. = 0 աստիճան, իսկ t kip = 100 աստիճան: Ջրի ջերմային հզորությունը 4,18 J / (g / K) Mr (H 2 O) \u003d 18 է և համապատասխանում է դրա ամենապարզ բանաձևին: Այնուամենայնիվ մոլեկուլային զանգվածհեղուկ ջուրը, որը որոշվում է այլ լուծիչների մեջ իր լուծույթներն ուսումնասիրելով, ավելի բարձր է։ Սա ցույց է տալիս, որ հեղուկ ջրի մեջ կա մոլեկուլների միացում, այսինքն՝ դրանց համակցումը ավելի բարդ ագրեգատների մեջ: Ջուրը բնության մեջ միակ նյութն է, որը գոյություն ունի երկրի վրա ագրեգացման բոլոր երեք վիճակներում. Շատ ջուր մթնոլորտում գոլորշիների տեսքով գազային վիճակում է. այն ընկած է ձյան և սառույցի հսկայական զանգվածների տեսքով ամբողջ տարինբարձր լեռների գագաթներին և բևեռային երկրներում։ Երկրի աղիքներում կա նաև ջուր, որը թրջում է հողն ու քարերը։

Կլիման կախված է ջրից։ Երկրաֆիզիկոսներն ասում են, որ Երկիրը վաղուց կսառչեր ու կվերածվեր անշունչ քարի, եթե չլիներ ջուրը։ Նա ունի շատ բարձր ջերմային հզորություն: Երբ տաքացվում է, այն կլանում է ջերմությունը; սառչում է, տալիս է այն: Ցամաքային ջուրը և՛ կլանում է, և՛ վերադարձնում է շատ ջերմություն և այդպիսով «հավասարեցնում» է կլիման։ Իսկ Երկիրը տիեզերական ցրտից պաշտպանված է այդ ջրի մոլեկուլներով, որոնք ցրված են մթնոլորտում՝ ամպերի մեջ և գոլորշիների տեսքով... առանց ջրի չես կարող, սա Երկրի ամենակարևոր նյութն է:

Ջուրը ծանոթ և անսովոր նյութ է: նշանավոր խորհրդային գիտնական

Ակադեմիկոս Ի.Վ.Պետրյանովը ջրի մասին իր գիտահանրամատչելի գիրքն անվանել է «աշխարհի ամենաարտասովոր նյութը»։ Իսկ «Զվարճալի ֆիզիոլոգիան», որը գրել է կենսաբանական գիտությունների դոկտոր Բ.Ֆ. Սերգեևը, սկսվում է ջրի մասին գլխով. «Այն նյութը, որը ստեղծել է մեր մոլորակը»:

1. Ջրի մոլեկուլի կառուցվածքը

Բոլոր սովորական հեղուկներից ջուրն ամենաբազմակողմանի լուծիչն է, մակերևութային լարվածության, դիէլեկտրական հաստատունի, գոլորշիացման ջերմության և միաձուլման ամենաբարձր (ամոնիակից հետո) ամենաբարձր արժեք ունեցող հեղուկը: Ի տարբերություն նյութերի մեծամասնության, ջուրը ընդլայնվում է, երբ սառչում է ցածր ճնշման տակ:

Ջրի այս հատուկ հատկությունները կապված են նրա մոլեկուլի հատուկ կառուցվածքի հետ: Քիմիական բանաձևջուր H 2 0 խաբուսիկ պարզ է. Ջրի մոլեկուլում ջրածնի ատոմների միջուկները գտնվում են ասիմետրիկ՝ թթվածնի ատոմի և էլեկտրոնների միջուկի նկատմամբ։ Եթե ​​թթվածնի ատոմը գտնվում է քառանիստի կենտրոնում, ապա ջրածնի երկու ատոմների զանգվածի կենտրոնները կլինեն քառաեդրոնի անկյուններում, իսկ երկու զույգ էլեկտրոնների լիցքավորման կենտրոնները կզբաղեցնեն մյուս երկու անկյունները (նկ. 1.1). Այսպիսով, չորս էլեկտրոնները գտնվում են հնարավորինս մեծ հեռավորության վրա և՛ թթվածնի ատոմի միջուկից, և՛ ջրածնի ատոմների միջուկներից, որոնցում նրանք դեռ ձգվում են թթվածնի ատոմի միջուկով։ Ջրի մոլեկուլի մյուս վեց էլեկտրոնները գտնվում են հետևյալ կերպ՝ չորս էլեկտրոնները գտնվում են այնպիսի դիրքում, որն ապահովում է քիմիական կապ թթվածնի և ջրածնի ատոմների միջուկների միջև, իսկ մյուս երկուսը գտնվում են թթվածնի ատոմի միջուկի մոտ։

Ջրի մոլեկուլի ատոմների ասիմետրիկ դասավորությունն առաջացնում է նրանում էլեկտրական լիցքերի անհավասար բաշխում, ինչը ջրի մոլեկուլը դարձնում է բևեռ։ Ջրի մոլեկուլի այս կառուցվածքը առաջացնում է ջրի մոլեկուլների ձգում դեպի միմյանց՝ նրանց միջև ջրածնային կապերի ձևավորման արդյունքում։ Ջրածնի և թթվածնի ատոմների դասավորությունը ջրի մոլեկուլների ձևավորված ագրեգատների ներսում նման է սիլիցիումի և թթվածնի ատոմների դասավորությանը քվարցում։ Դա վերաբերում է սառույցին և ավելի քիչ՝ հեղուկ ջրին, որի մոլեկուլների ագրեգատները միշտ վերաբաշխման փուլում են։ Երբ ջուրը սառչում է, նրա մոլեկուլները խմբավորվում են ագրեգատների մեջ, որոնք աստիճանաբար ավելանում և դառնում են ավելի ու ավելի կայուն, քանի որ մոտենում են 4 ° C ջերմաստիճանին, երբ ջուրը հասնում է առավելագույն խտության: Այս ջերմաստիճանում ջուրը դեռ չունի կոշտ կառուցվածք և իր մոլեկուլների երկար շղթաների հետ մեկտեղ կան մեծ թվով առանձին ջրի մոլեկուլներ: Հետագա սառեցմամբ ջրի մոլեկուլների շղթաներն աճում են դրանցում ազատ մոլեկուլների ավելացման պատճառով, ինչի արդյունքում ջրի խտությունը նվազում է։ Երբ ջուրը վերածվում է սառույցի, նրա բոլոր մոլեկուլները մտնում են քիչ թե շատ կոշտ կառուցվածքի մեջ՝ բաց շղթաների տեսքով, որոնք բյուրեղներ են կազմում։

Նկ.1.1 Ջրի մոլեկուլի կառուցվածքը

Ջրածնի և թթվածնի ատոմների փոխադարձ ներթափանցում: Ջրածնի երկու ատոմների և երկու զույգ էլեկտրոնների միջուկները գտնվում են քառանկյունի անկյուններում՝ թթվածնի ատոմի միջուկը գտնվում է կենտրոնում։

Մակերեւութային լարվածության և ջրի գոլորշիացման ջերմության բարձր արժեքները բացատրվում են նրանով, որ էներգիայի համեմատաբար մեծ ծախս է պահանջվում ջրի մոլեկուլը մոլեկուլների խմբից առանձնացնելու համար: Ջրի մոլեկուլների՝ ջրածնային կապեր հաստատելու միտումը և դրանց բևեռականությունը բացատրում են ջրի անսովոր բարձր լուծողական ուժը։ Որոշ միացություններ, ինչպիսիք են շաքարները և սպիրտները, լուծույթում պահվում են ջրածնային կապերով։ Միացություններ, որոնք ունեն բարձր աստիճանԻոնացման մուտքերը, ինչպիսիք են նատրիումի քլորիդը, պահվում են լուծույթում այն ​​պատճառով, որ հակադիր լիցքերով իոնները չեզոքացվում են կողմնորոշված ​​ջրի մոլեկուլների խմբերի կողմից:

Ջրի մոլեկուլի մեկ այլ առանձնահատկությունն այն է, որ և՛ ջրածնի, և՛ թթվածնի ատոմները կարող են տարբեր զանգվածներ ունենալ նույն միջուկային լիցքի համար: Սորտերի քիմիական տարրտարբեր ատոմային կշիռներով կոչվում են այդ տարրի իզոտոպներ։ Ջրի մոլեկուլը սովորաբար ձևավորվում է 1 (H 1) ատոմային զանգված ունեցող ջրածնից և 16 (O 16) ատոմային զանգվածով թթվածնից։ Ջրի ատոմների ավելի քան 99%-ը պատկանում է այս իզոտոպներին։ Բացի այդ, կան հետևյալ իզոտոպները՝ H 2, H 3, O 14, O 15, O 17 O 18, O 19: Դրանցից շատերը ջրի մեջ կուտակվում են դրա մասնակի գոլորշիացման և դրանց պատճառով մեծ զանգված. H 3 , O 14 , O 15 , O 19 իզոտոպները ռադիոակտիվ են։ Դրանցից ամենատարածվածը տրիտիում H 3-ն է, որը գոյանում է մթնոլորտի վերին շերտերում տիեզերական ճառագայթների ազդեցության տակ։ Այս իզոտոպը նույնպես կուտակվել է վերջին մի քանի տարիների ընթացքում միջուկային պայթյունների արդյունքում։ Ելնելով իզոտոպների մասին այս և այլ փաստերից՝ ջրի իզոտոպային բաղադրությունը վերլուծելով՝ կարելի է մասնակիորեն բացահայտել որոշ բնական ջրերի պատմությունը։ Այսպիսով, ծանր իզոտոպների պարունակությունը մակերեսային ջրերվկայում է ջրի երկարաժամկետ գոլորշիացման մասին, որը տեղի է ունենում, օրինակ, Մեռյալ ծովում, Մեծ Սոլթ Լեյքում և այլ էնդորեային ջրամբարներում։ Ստորերկրյա ջրերում տրիտիումի բարձր մակարդակը կարող է նշանակել, որ այդ ջրերը երկնաքարային ծագում ունեն՝ շրջանառության բարձր մակարդակով, քանի որ այս իզոտոպի կիսամյակը կազմում է ընդամենը 12,4 տարի: Ցավոք, իզոտոպների վերլուծությունը չափազանց թանկ է և, այդ պատճառով, չի կարող լայնորեն օգտագործվել բնական ջրերի ուսումնասիրություններում:

Ջրի H 2 O մոլեկուլը կառուցված է եռանկյունու տեսքով՝ թթվածին-ջրածին երկու կապերի անկյունը 104 աստիճան է։ Բայց քանի որ ջրածնի երկու ատոմներն էլ գտնվում են թթվածնի միևնույն կողմում, դրա մեջ էլեկտրական լիցքերը ցրվում են։ Ջրի մոլեկուլը բևեռային է, ինչով էլ պայմանավորված է նրա տարբեր մոլեկուլների հատուկ փոխազդեցությունը։

H 2 O մոլեկուլի ջրածնի ատոմները, ունենալով դրական մասնակի լիցք, փոխազդում են հարևան մոլեկուլների թթվածնի ատոմների էլեկտրոնների հետ։ Նման քիմիական կապը կոչվում է ջրածնային կապ: Այն միավորում է H 2 O մոլեկուլները յուրահատուկ տարածական կառուցվածքի պոլիմերների մեջ. հարթությունը, որում գտնվում են ջրածնային կապերը, ուղղահայաց է նույն H 2 O մոլեկուլի ատոմների հարթությանը: Ջրի մոլեկուլների փոխազդեցությունը հիմնականում բացատրում է դրա հալման և եռման անկանոն բարձր ջերմաստիճանները: Ջրածնային կապերը թուլացնելու, ապա կոտրելու համար լրացուցիչ էներգիա է անհրաժեշտ։ Եվ այս էներգիան շատ նշանակալի է։ Այդ իսկ պատճառով ջրի ջերմունակությունն այդքան բարձր է։

Ինչպես շատ նյութեր, այնպես էլ ջուրը կազմված է մոլեկուլներից, իսկ վերջիններս՝ ատոմներից։