Apa - substanta misterioasa in natura, cu proprietati unice, care nu numai că nu a explicat pe deplin, dar nu toate cunoscute. Studiul mai lung, cu atât mai descoperim noi anomalii și mistere în ea. Cele mai multe dintre aceste anomalii, oferind posibilitatea vieții pe Pământ, sunt explicate prin prezența moleculelor de apă între legăturile de hidrogen, care sunt mult mai puternice decât van der Waals forțe de atracție între moleculele altor substanțe, ci un ordin de mărime mai slabă decât legăturile ionice și covalente între atomii în molecule. Până în prezent, mai mult de vapori de apă cu gheață și a studiat decât apa, pentru care cercetatorii inca nu au nici măcar un consens cu privire la structura sa, în timp ce structura cristalină de gheață a fost mult timp bine studiat.
Fig. Structura moleculei de apă. Diagrama geometrică (a) un model de plată a (b) și structura electronică spațială (c) monomer H2 O. Două dintre cele patru electroni coajă exteriori ai atomilor de oxigen implicate în stabilirea de legături covalente atomilor de hidrogen, iar celelalte două formează un puternic orbite de electroni alungite ale căror plane perpendicular pe planul H-O-H.
Căldura specifică a apei este cea mai mare dintre toate substanțele. Mai mult, este de 2 ori mai mare decât cea a gheții, în timp ce majoritatea substanțelor simple (de exemplu metale), în căldura specifică de topire este practic neschimbată, în timp ce compușii moleculelor poliatomice este de obicei redusă în timpul topirii.
Fig. Legăturile hidrogen dintre moleculele de apă
Cei mai mulți cercetători explică capacitatea anormal de mare de căldură a apei lichide prin faptul că atunci când gheața se topește, structura sa cristalină nu se descompune imediat. În apa lichidă, legăturile de hidrogen dintre molecule rămân. În ea rămân fragmente de gheață asociate dintr-un număr mare sau mai mic de molecule de apă. Cu toate acestea, spre deosebire de gheață, fiecare asociat nu există pentru mult timp. Există constant o distrugere a unora și formarea altor asociați. La fiecare valoare a temperaturii în apă, echilibrul dinamic este stabilit în acest proces. Și cu încălzirea apei, o parte din căldură este cheltuită pentru ruperea legăturilor de hidrogen în entitățile asociate. În același timp, 0,26-0,5 eV sunt cheltuite pentru ruperea fiecărei conexiuni. Aceasta explică capacitatea anormală de căldură a apei comparativ cu topiturile altor substanțe care nu formează legături de hidrogen. Atunci când aceste topituri sunt încălzite, energia se consumă numai pe comunicarea mișcărilor termice către atomii sau moleculele lor. Legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă sunt complet rupte numai atunci când apa se schimbă în abur. Corectitudinea acestui punct de vedere este indicată și de faptul că căldura specifică a vaporilor de apă la 100 ° C coincide practic cu căldura specifică de gheață la 0 ° C.
Fig. Structura cristalină a gheții: moleculele de apă sunt conectate la hexagoane regulate
Dar există un alt punct de vedere asupra naturii capacității de încălzire anormal de mare a apei. Prof. G. N. Zatsepina în sa observat că căldura specifică molară de apă, component 18 picături / (mol de o grad), exact egală cu capacitatea teoretică căldura molară a solidelor cu cristale trihidrici. Și, în conformitate cu legea Dulong și Petit căldură specific atomic chimic simple (monoatomice) solide cristaline la temperaturi suficient de ridicate sunt identice și egale cu 6 o kalDmol grade). Și pentru triatomic, în grammol, care conține 3 laturi NA, este de 3 ori mai mare. (Aici NA este numărul Avogadro).
Fig. Spațiu cristalin de gheață. Moleculele de apă H2O (bilele negre) în nodurile sale sunt aranjate astfel încât fiecare are patru "vecini".
Aceasta implică faptul că apa este ca un corp de cristal format din molecule triatomic de H2 0. Aceasta corespunde cu percepția populară a apei ca amestec de asociați cristal cu mici cantități de molecule de apă libere, H2O între ele, al căror număr crește odată cu creșterea temperaturii. Din acest punct de vedere, nu este surprinzător capacitatea mare de căldură a apei lichide, ci gheața solidă scăzută. Scăderea căldura specifică a apei în timpul înghețării datorită absenței vibrațiilor termice transversale ale atomilor în rețeaua cristalină a gheții rigid, unde fiecare proton provoacă legătură de hidrogen, există doar un singur grad de libertate pentru oscilații termice în loc de trei.
Fig. Separă grupul de apă
Fig. Clusterele de molecule de apă formează asociați
Dar datorită ce și cum pot să apară modificări atât de mari în capacitatea de căldură a apei fără schimbări de presiune corespunzătoare? Pentru a răspunde la această întrebare, să ne familiarizăm cu ipoteza candidatului de științe geologice și mineralogice Yu.A. Kolyasnikov asupra structurii apei.
El subliniază faptul că exploratorii chiar legături de hidrogen J. F. Bernal și Fowler 1932 g structura de apă în stare lichidă, comparativ cu structura de cristal de cuarț și afirmă că aceste asociații, după cum sa menționat mai sus, -.. Este în principal tetramers 4H2 0, în care patru molecule de apă sunt conectate într-un tetraedru compact, cu douăsprezece legături interne de hidrogen. Ca rezultat, se formează o piramidă tetraedrică.
legături de hidrogen în aceste tetramers susține Kolyasnikov poate forma atât secvența de stângaci și pravotak, la fel ca și cristale de cuarț răspândite (Si02), având o structură tetraedrică, mai sunt posibilitate de rotire forme pravoi cristaline. Deoarece fiecare tetramer este încă apă și patru legături de hidrogen externe neutilizate (ca o moleculă de apă), tetramerilor pot fi conectate la aceste conexiuni externe un fel de lanț polimeric. Deoarece doar patru conexiuni externe și interne - de 3 ori, permite tetramerii dure și durabile în îndoită apă lichidă, rotit și chiar nadlamyvayutsya aceste vibrații termice slăbite ale legăturilor de hidrogen externe. Aceasta determină fluiditatea apei.
O astfel de structură, în opinia lui Kolyasnikov, are doar o stare lichidă și, eventual, o vapori parțiali. Dar, în structura cristalului de gheață, care a fost bine studiat, tetragidroli interconectate legături de hidrogen directe equiresistant rigide într-o structură ajurată cu goluri mari în aceasta, ceea ce face ca densitatea de gheață mai mică decât densitatea apei.
Când gheața se topește, o parte din legăturile de hidrogen din ea slăbește și se îndoaie, ceea ce duce la o restructurare a structurii în tetramerii descriși mai sus și face ca apa lichidă să fie mai densă decât gheața. La 4 ° C, o stare apare atunci când toate legăturile de hidrogen dintre tetramer sunt maxim curbate, ceea ce este motivul pentru densitatea maximă a apei la această temperatură. Comunicări suplimentare pentru a îndoi nu există loc.
La temperaturi de peste 4 ° C, afirmă Kolyasnikov, întreruperea legăturilor individuale dintre tetramer începe, iar la jumătate până la treizeci și șase ° C, jumătate din legăturile externe de hidrogen sunt rupte. Aceasta determină valoarea minimă pe curbă a căldurii specifice a apei față de temperatură. La o temperatură de 70 ° C, aproape toate legăturile intertetramerice au fost deja rupte, iar împreună cu tetramerii liberi, doar fragmente scurte de lanțuri "polimerice" din ele rămân în apă. În cele din urmă, odată cu fierberea apei, tetramerii unici sunt acum complet descompuși în molecule individuale de H20. Iar faptul că căldura specifică a evaporării apei în exact 3 ori mai mare decât suma căldurilor specifice de topire de apă rece ca gheața și apoi încălzirea la 100 ° C, o confirmare Kolyasnikova presupunere. că numărul de legături interne într-un tetramer este de 3 ori mai mare decât numărul de obligațiuni externe.
Kolyasnikov consideră că o astfel de structură tetraedric elicoidal de apă se datorează legăturii sale reologice vechi, cu cuarț și alte minerale de siliciu-oxigen care predomină în scoarța terestră, de la adâncimi care au apărut odată apa de pe Pământ. Ca un cristal mic de sare determină soluția să cristalizeze o înconjoară, în astfel de cristale și nu în altele, deoarece cuarț a forțat moleculele de apă se aliniază în structura tetraedrică, care sunt mai avantajoase din punct de vedere energetic. Și în această eră în vaporii de apă se condensează în atmosferă de picături formează o astfel de structură, deoarece în atmosferă este întotdeauna prezent pulverizare picături mici de apă, care are deja această structură. Acestea sunt centrele de condensare a vaporilor de apă în atmosferă.
Fig. Elementar obișnuit cu oxigen tetraedru SiO4 4-.
Fig. unități elementare de siliciu-oxigen-orthogroup SiO4 4- Mg structura din enstatite piroxenilor (a) și 6 diortogruppy SI2 O7 în wolastonit Ca-piroksenoide (b).
Fig. Cele mai importante tipuri de grupuri anionice cu lanț de siliciu-oxigen (conform lui Belov). metagermanatnaya a-b - piroxeni, c - batisitovaya, dl wollastonit, vlasovitovaya-d, e-melilite, rodonit feroviar, s piroksmangitovaya-and-metafosfatul, k fluoberyllate, l - barilitovaya.
Fig. Condensarea anioni siliciu-oxigen în curea piroxenilor dublu amphibole rând (a), cu trei rânduri amfibolopodobnye (b), talc stratificat și închideți anionii lor (c).
Fig. Cele mai importante tipuri de grupări silicon-oxigen în bandă (conform lui Belov): a - sillimanite, amphibole, xonotite; b-epididimitovaya; in-orthoclase; Dl narsarsukitovaya; d-phenacite prismatic; e-euclaze incrustate.
Fig. Fragment (pachet elementar) in staraturi structura cristalină a muscovit KAl2 (AlSi3 O10 XOH) 2, ilustrând alternanța straturilor alyumokremne-oxigen poliedric angrenează cu aluminiu și potasiu cationi.
În ipoteza lui Kolyasnikov, este de asemenea interesant că din ea urmează echiprobabilitatea existenței apei drepte și stângi. Dar biologii au observat mult timp că în țesuturile și structurile biologice se observă doar formațiuni stângi sau drepte. Un exemplu al acestei molecule de proteine, construit numai din aminoacizi cu șuruburi din stânga și răsuciți numai pe spirala stângă. Dar zaharurile din fauna sălbatică sunt doar drepte. Nimeni nu a fost încă în stare să explice de ce în natură o astfel de preferință pentru stânga se găsește în unele cazuri și în cea potrivită în altele. La urma urmei, în natură neînsuflețită, sunt la fel de probabil să apară atât molecule drepte, cât și drepte.
Soluțiile de zahăr din apă se comportă foarte interesant. Concentrația lor este determinată prin măsurarea unghiului de rotație al planului de polarizare a luminii pe măsură ce trece prin soluție. Se rotește deoarece moleculele de zahar, cum ar fi majoritatea altor compusi molecule organice sunt spirală în spațiu sau structură kvazispiralnye grupe de atomi, care sunt dispuse la nodurile tetraedru. În zahăr, obținut din sfecla sau stuf, moleculele sunt răsucite dintr-un anumit motiv numai pe spirala dreptaciană. Prin urmare, planul de polarizare a luminii care trece printr-o soluție de astfel de zahăr se întoarce spre dreapta, iar unghiul de rotație depinde de concentrația zahărului din soluție. Această metodă, deschisă fizicianul francez J. Bio g. Înapoi în 1815 a fost complet nepotrivită pentru măsurarea concentrației unei solutii de zahar artificiale preparate sintetic, inclusiv pentru molecule stângaci conținea pravoi în mod egal.
Încă din 1848 sa dovedit, care mai târziu a devenit un celebru bacteriolog francez Louis Pasteur, cristalele celor două tipuri de zahăr artificiale pot fi distinse una de cealaltă sub un microscop si se divid, selectarea cu atenție și le cu ajutorul unei pensete. Un alt experiment cu zahăr a fost că soluția sa a fost alimentată de bacterii. Zahar, obținut din sfecla, bacteriile mâncau complet. Și când au hrănit zahărul artificial, au mâncat doar jumătate. Soluția jumătății rămase a transformat planul de polarizare a luminii deja în direcția stângă. Bacteriile nu au consumat zahăr Levovintovo! Dar cum diferențiază șurubul din dreapta de șurubul din stânga? Nu există încă un răspuns de la biologi, deoarece nu există nici un răspuns la întrebarea de ce numai elicitatea este inerentă structurilor vii.
Ipoteza structurii apei sugereaza ca fragmente ale acestor lanțuri ale tetramerului, care sunt întotdeauna prezente în apa lichidă, când este flux rapid și neuniform în spațiul trebuie să fie construite și să se extindă de-a lungul liniilor de flux de apă alge trase într-un râu de-a lungul cursului său. Adică locația lor haotică este înlocuită de una ordonată. În acest caz, probabilitatea ca capetele lanțurilor tetramerilor se ciocnesc accidental unul cu celălalt și sunt conectate prin legături de hidrogen liber a crescut de trei ori în comparație cu un aranjament dezordonat. Acest lucru rezultă din legile geometriei. Și fiecare legătură de hidrogen nou format - este energia eV 0,26-0,5 eliberată din apă.
Trebuie spus că apa nu este singura substanță capabilă să formeze legături de hidrogen intermolecular. Ele sunt, de asemenea, caracteristice pentru mulți compuși organici. Prin urmare, procesul de polimerizare descris în fluxul vortexului trebuie să apară atunci când se utilizează soluții de compuși organici în loc de apă.
Acest lucru indică faptul că apa nu este singurul lichid care poate funcționa cu succes în generatoarele de căldură cu turbionare. Într-adevăr, experimentele au arătat că atât uleiurile, cât și combustibilul diesel sunt, de asemenea, adecvate pentru utilizarea ca fluid de lucru într-un generator de căldură cu turbionare. Dar apa este atât mai ieftină, cât și mai accesibilă și mai sigură în ceea ce privește focul. Și rezultatele obținute în timp ce lucrați cu el, în timp ce mult mai bine decât atunci când lucrați cu alte lichide.
Deci, teoria mișcării impune ca apa, care au fost conduse de un vârtej de vânt, oportunitate deosebită pentru a evidenția sub formă de emisii de energie sale interne, iar apa, formând un vârtej de noi legături intermoleculare, ea este în căutarea pentru o oportunitate de a evidenția o parte din energia sa internă, care părea a fi necesară energie obligatorie negativă!
Vezi continuarea în următorul articol al site-ului.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: