โครงสร้างของน้ำ น้ำ: องค์ประกอบ โครงสร้างโมเลกุล คุณสมบัติทางกายภาพ

ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์เคมี Alexander Smirnov ศาสตราจารย์ที่ MIREA

น้ำได้รับพลังลึกลับ
เพื่อเป็นน้ำแห่งชีวิตบนโลก
เลโอนาร์โด ดา วินชี

ข้าว. 1. โครงสร้างของน้ำที่อุณหภูมิ 20 ^โอ C ขนาดแนวนอน - 400 ไมครอน จุดสีขาวคืออิมูลอน

ข้าว. 2. โครงสร้างของสารละลายน้ำที่ 20 ^โอ C: ก - น้ำกลั่น; B - ไล่แก๊สแล้ว น้ำแร่บอร์โจมี; B - ทิงเจอร์แอลกอฮอล์ 70%

ข้าว. 3. Emulons ในน้ำกลั่นสองครั้งที่อุณหภูมิ 4 ^โอซี (เอ), 20 ^โอส (บี), 80 ^โอค (บี). ขนาดภาพถ่าย 1.5 × 1.5 มม.

ข้าว. 4. การเปลี่ยนแปลงความกว้างของสัญญาณเสียงและอุณหภูมิของน้ำในระหว่างกระบวนการละลายน้ำแข็ง

ข้าว. 5. การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสัมพัทธ์เมื่อน้ำร้อน

รายละเอียดสำหรับผู้สนใจ. รูปแบบการทดลอง ในช่วงเวลาสั้นๆ น้ำ 0.5 กรัมไหลจากถ้วยด้วยขั้วบวก (แอโนด) ผ่าน "สะพาน"

“สะพานลอยน้ำ” ยาวประมาณ 3 เซนติเมตร

แท่งแก้วที่ถูกไฟฟ้าทำให้รูปร่างของ "สะพาน" บิดเบี้ยวและทำให้มันแตกออกเป็นลำธาร

นี่คือลักษณะของอิมูลอน โดยสร้างโครงสร้าง "สะพาน" ที่มีลักษณะคล้ายเกลียว

น้ำมักจะถูกพิจารณาว่าเป็นตัวทำละลายที่เป็นกลางในทางปฏิบัติซึ่งเกิดปฏิกิริยาทางชีวเคมีและเป็นสารที่นำสารต่าง ๆ ไปทั่วร่างกายของสิ่งมีชีวิต ในเวลาเดียวกัน น้ำเป็นผู้มีส่วนร่วมที่ขาดไม่ได้ในกระบวนการเคมีกายภาพทั้งหมด และเนื่องจากมีความสำคัญมหาศาล จึงเป็นสารที่ได้รับการศึกษามากที่สุด การศึกษาคุณสมบัติของน้ำได้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดมากกว่าหนึ่งครั้ง ดูเหมือนว่าปฏิกิริยาง่าย ๆ ของการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจน 2H 2 + O 2 → 2H 2 O จะเต็มไปด้วยความประหลาดใจอะไร? แต่งานของนักวิชาการ N.N. Semenov แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยานี้แตกแขนงเป็นลูกโซ่ นี่ก็ผ่านมาเจ็ดสิบปีแล้วและประมาณนั้น ปฏิกิริยาลูกโซ่ยังไม่ทราบการแยกตัวของยูเรเนียม น้ำในแก้ว แม่น้ำ หรือทะเลสาบไม่ใช่แค่น้ำเท่านั้น ปริมาณมหาศาลแต่ละโมเลกุลและความสัมพันธ์ของพวกเขา โครงสร้างซูปราโมเลกุล - กระจุก ในการอธิบายโครงสร้างของน้ำ มีการเสนอแบบจำลองจำนวนหนึ่งที่อธิบายคุณสมบัติบางอย่างได้ถูกต้องไม่มากก็น้อย ในขณะที่สัมพันธ์กับแบบจำลองอื่น ๆ ที่ขัดแย้งกับการทดลอง

ตามทฤษฎีแล้ว กระจุกมักจะคำนวณเฉพาะโมเลกุลหลายร้อยโมเลกุลหรือชั้นใกล้กับส่วนต่อประสานเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงจากการทดลองจำนวนหนึ่งระบุว่าโครงสร้างขนาดโมเลกุลขนาดยักษ์สามารถดำรงอยู่ในน้ำได้ (ผลงานของ Corresponding Member ของ Russian Academy of Sciences E. E. Fesenko)

ในน้ำกลั่นสองครั้งที่บริสุทธิ์อย่างระมัดระวังและสารละลายบางอย่าง เราสามารถตรวจจับการก่อตัวของโครงสร้างที่ประกอบด้วยเศษส่วนห้าส่วนที่มีขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 100 ไมครอน โดยใช้การปล่อยเสียงและแสดงภาพโดยใช้เลเซอร์อินเทอร์เฟอโรเมทรี การทดลองทำให้สามารถระบุได้ว่าแต่ละโซลูชันมีโครงสร้างของตัวเอง ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว (รูปที่ 1, 2)

คอมเพล็กซ์โมเลกุลขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยโมเลกุลของน้ำหลายแสนโมเลกุลที่จัดกลุ่มอยู่รอบๆ ไอออนไฮโดรเจนและไฮดรอกซิลในรูปของคู่ไอออน เราเสนอชื่อ "อิมูลอน" สำหรับสารเชิงซ้อนซูปราโมเลกุลเหล่านี้เพื่อเน้นความคล้ายคลึงกับอนุภาคที่ก่อตัวเป็นอิมัลชัน สารเชิงซ้อนประกอบด้วยเศษส่วนแต่ละส่วนซึ่งมีขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 100 µm โดยเศษส่วนที่มีขนาด 30, 70 และ 100 µm จะมีขนาดใหญ่กว่าส่วนที่เหลืออย่างมีนัยสำคัญ

ปริมาณของเศษส่วนอิมูลอนแต่ละตัวขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน อุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารละลาย และประวัติตัวอย่าง (รูปที่ 3) ในน้ำกลั่นที่อุณหภูมิ 4 o C คอมเพล็กซ์จะถูกอัดแน่นและสร้างพื้นผิวที่ชวนให้นึกถึงไม้ปาร์เก้ ดังที่คุณทราบ น้ำที่อุณหภูมินี้มีความหนาแน่นสูงสุด เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 20 o C การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญจะเกิดขึ้นในโครงสร้างของน้ำ: ปริมาณของอิมูโลนอิสระจะมากที่สุด เมื่อได้รับความร้อนมากขึ้น พวกมันจะค่อยๆ ยุบลง จำนวนของมันลดลง และโดยทั่วไปกระบวนการนี้จะสิ้นสุดที่ 75 o C เมื่อความเร็วของเสียงในน้ำถึงสูงสุด

เนื่องจากการกระทำในระยะยาวของแรงไฟฟ้าสถิต อิมัลลอนในน้ำจึงก่อตัวเป็นซูเปอร์แลตทิซที่ค่อนข้างเสถียร ซึ่งมีความไวต่ออิทธิพลทางแม่เหล็กไฟฟ้า เสียง ความร้อน และอิทธิพลภายนอกอื่นๆ

คอมเพล็กซ์ซูปราโมเลกุลที่ค้นพบได้รวมข้อมูลที่ได้รับก่อนหน้านี้ทั้งหมดเกี่ยวกับการจัดระเบียบของน้ำในปริมาตรนาโนอย่างสม่ำเสมอ และทำให้สามารถอธิบายข้อเท็จจริงเชิงทดลองมากมายที่ไม่มีเหตุผลเชิงตรรกะที่สอดคล้องกัน ซึ่งรวมถึงการสร้าง “สะพานลอยน้ำ” ที่บรรยายไว้ในผลงานหลายชิ้น

สาระสำคัญของการทดลองคือหากคุณวางบีกเกอร์ขนาดเล็กสองตัวที่มีน้ำติดกันและลดอิเล็กโทรดแพลตตินัมลงไปภายใต้แรงดันไฟฟ้าคงที่ 15-30 kV จากนั้นสะพานน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 มม. และความยาวขึ้นไป จะเกิดขึ้นระหว่างภาชนะถึง 25 มม. “สะพาน” ลอยอยู่เป็นเวลานาน มีโครงสร้างเป็นชั้นๆ และน้ำจะถูกถ่ายโอนจากขั้วบวกไปยังแคโทดไปตามนั้น ปรากฏการณ์นี้และคุณสมบัติทั้งหมดเป็นผลมาจากการมีอยู่ของอิมูลอนในน้ำ ซึ่งดูเหมือนว่าจะมีโมเมนต์ไดโพล สามารถทำนายคุณสมบัติของปรากฏการณ์ได้อีกประการหนึ่ง: ที่อุณหภูมิน้ำสูงกว่า 75 o C "สะพาน" จะไม่ปรากฏขึ้น

คุณสมบัติผิดปกติของน้ำละลายก็อธิบายได้ง่ายเช่นกัน ตามที่ระบุไว้ในเอกสารคุณสมบัติหลายประการของน้ำละลาย - ความหนาแน่น, ความหนืด, ค่าการนำไฟฟ้า, ดัชนีการหักเหของแสง, กำลังการละลายและอื่น ๆ - แตกต่างจากพารามิเตอร์สมดุล การลดผลกระทบเหล่านี้ในการกำจัดดิวเทอเรียมออกจากน้ำอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนเฟส (จุดหลอมเหลว " น้ำแข็งหนัก"D 2 O 3.82 o C) ไม่สามารถป้องกันได้เนื่องจากความเข้มข้นของดิวเทอเรียมไม่มีนัยสำคัญอย่างยิ่ง - หนึ่งอะตอมดิวเทอเรียมต่ออะตอมไฮโดรเจน 5-7,000 อะตอม

การศึกษาการละลายน้ำแข็งโดยใช้วิธีการเปล่งเสียงทำให้เป็นครั้งแรกที่จะพิสูจน์ได้ว่าหลังจากการละลายของน้ำแข็งเสร็จสมบูรณ์ น้ำที่ละลายซึ่งอยู่ในสถานะแพร่กระจายได้ จะกลายเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นเสียงซึ่งทำหน้าที่ การยืนยันการทดลองการก่อตัวของสารเชิงซ้อนซูปราโมเลกุลในน้ำ (รูปที่ 4)

การทดลองแสดงให้เห็นว่าน้ำที่ละลายสามารถอยู่ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้เป็นเวลาเกือบ 17 ชั่วโมง (หลังจากที่น้ำแข็งละลาย ไมโครคริสตัลของมันจะคงอยู่เพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น และไม่ได้กำหนดคุณสมบัติของน้ำที่ละลายเลย) ปรากฏการณ์ลึกลับนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อโครงผลึกน้ำแข็งหกเหลี่ยมถูกทำลาย โครงสร้างของสสารจะเปลี่ยนไปอย่างมาก ผลึกน้ำแข็งจะถูกทำลายเร็วกว่าที่น้ำที่เกิดขึ้นจะถูกสร้างขึ้นใหม่ให้มีสภาวะสมดุลที่มั่นคง

ความพิเศษของการเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง↔น้ำอยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่าในน้ำละลาย ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน H + และไฮดรอกซิล OH ยังคงไม่สมดุลในช่วงเวลาสั้นๆ เช่นเดียวกับที่อยู่ในน้ำแข็ง กล่าวคือ น้อยกว่าพันเท่า กว่าใน น้ำธรรมดา. หลังจากนั้นครู่หนึ่ง ความเข้มข้นของไอออน H + และ OH ในน้ำจะมีค่าสมดุล เนื่องจากไฮโดรเจนและไฮดรอกซิลไอออนมีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของสารประกอบเชิงซ้อนซูปราโมเลกุลของน้ำ (อิมูลอน) น้ำจึงยังคงอยู่ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ปฏิกิริยาการแยกตัว H 2 O → H + + OH – ต้องใช้พลังงานจำนวนมากและดำเนินไปช้ามาก อัตราคงที่ของปฏิกิริยานี้อยู่ที่ 2.5∙10 –5 วินาที –1 ที่ 20 o C เท่านั้น ดังนั้น เวลาที่น้ำละลายกลับสู่สมดุลตามทฤษฎีควรอยู่ที่ 10-17 ชั่วโมง ซึ่งเป็นสิ่งที่สังเกตได้ในทางปฏิบัติ การศึกษาพลวัตของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจนในน้ำละลายเมื่อเวลาผ่านไปยืนยันสิ่งนี้ คุณสมบัติที่ผิดปกติของน้ำที่ละลายทำให้เกิดการพูดถึง "ความทรงจำ" ของน้ำ แต่ควรเข้าใจว่า "ความทรงจำ" ของน้ำเป็นการขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของน้ำในยุคก่อนประวัติศาสตร์และไม่มีอะไรเพิ่มเติม สามารถ วิธีทางที่แตกต่าง- การแช่แข็ง, การทำความร้อน, การต้ม, การบำบัดด้วยอัลตราโซนิก, การสัมผัสกับสนามต่างๆ ฯลฯ - เปลี่ยนน้ำให้เป็นสถานะที่แพร่กระจายได้ แต่จะไม่เสถียรและจะไม่คงคุณสมบัติไว้เป็นเวลานาน ด้วยวิธีการเชิงแสง เราค้นพบว่าในน้ำที่ละลายนั้นมีการก่อตัวของโมเลกุลซูปราโมเลกุลเพียงส่วนเดียวที่มีขนาด 1-3 ไมครอน เป็นไปได้ว่าความหนืดที่ต่ำกว่าและโครงข่ายเชิงพื้นที่ที่เบากว่าของอีมูโลนในน้ำละลายจะเพิ่มอัตราการละลายและการแพร่กระจาย

ความเป็นจริงของการมีอยู่ของอิมูลอนได้รับการยืนยันโดยวิธีการวิเคราะห์เชิงความร้อนแบบคลาสสิก (รูปที่ 5) กราฟแสดงยอดเขาที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในน้ำ สิ่งที่สำคัญที่สุดสอดคล้องกับ 36 o C - อุณหภูมิของความจุความร้อนขั้นต่ำ 63 o C - อุณหภูมิของการบีบอัดขั้นต่ำและจุดสูงสุดมีลักษณะเฉพาะที่ 75 o C - อุณหภูมิ ความเร็วสูงสุดเสียงในน้ำ พวกเขาสามารถตีความได้ว่าเป็นการเปลี่ยนเฟสที่แปลกประหลาดที่เกี่ยวข้องกับการทำลายอิมัลออน สิ่งนี้ช่วยให้เราสรุปได้ว่า: น้ำของเหลวเป็นระบบกระจายตัวที่มีเอกลักษณ์มาก ซึ่งรวมถึงโครงสร้างอย่างน้อยห้าโครงสร้างที่มีคุณสมบัติต่างกัน แต่ละโครงสร้างมีอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่มีลักษณะเฉพาะที่แน่นอน อุณหภูมิที่สูงเกินระดับเกณฑ์วิกฤตสำหรับโครงสร้างที่กำหนดจะนำไปสู่การสลายตัวของมัน

วรรณกรรม

Zatsepina G. L. คุณสมบัติทางกายภาพและโครงสร้างของน้ำ - อ.: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยมอสโก. - 1998. - 185 น.

Kuznetsov D. M. , Gaponov V. L. , Smirnov A. N. เกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการศึกษาจลนพลศาสตร์ของการเปลี่ยนเฟสใน ของเหลวปานกลางโดยวิธีการปล่อยเสียง // ฟิสิกส์วิศวกรรม 2551 ฉบับที่ 1 หน้า 16-20.

Kuznetsov D.M. , Smirnov A.N. , Syroeshkin A.V. การปล่อยเสียงระหว่างการแปลงเฟสในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำ // Russian Chemical Journal - M .: Ros. เคมี เกี่ยวกับพวกเขา D. I. Mendeleeva, 2008, v. 52, no. 1, p. 114-121.

Smirnov A. N. โครงสร้างของน้ำ: ข้อมูลการทดลองใหม่ // วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในอุตสาหกรรม พ.ศ. 2553 ฉบับที่ 4 หน้า 41-45.

Smirnov A. N. การปล่อยเสียงระหว่างปฏิกิริยาเคมีและกระบวนการทางกายภาพและเคมี // วารสารเคมีรัสเซีย - ม.: โรส เคมี เกี่ยวกับพวกเขา D.I. Mendeleeva, 2001, v. 45, p. 29-34.

Smirnov A. N. , Syroeshkin A. V. Supranadmolecular complexes ของน้ำ // Russian Chemical Journal. - ม.: โรส เคมี เกี่ยวกับพวกเขา D.I. Mendeleeva, 2004, v. 48, no. 2, p. 125-135.

รายละเอียดสำหรับผู้สนใจ

“สะพาน” ปรากฏได้อย่างไร?

การก่อตัวของ "สะพานน้ำ" ได้รับการอธิบายไว้ในผลงานของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Elmar Fuchs และเพื่อนร่วมงานของเขา

อิเล็กโทรดแพลทินัมจะถูกจุ่มลงในภาชนะขนาดเล็กสองใบโดยมีน้ำอยู่ใกล้ ๆ และใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ 15-20 kV ภาพถ่ายแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า ขั้นแรกในกระจกแอโนด และจากนั้นในแก้วแคโทด ระดับความสูงปรากฏบนผิวน้ำ ซึ่งผสานกันเป็นสะพานน้ำทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2-4 มม. ระหว่างภาชนะ หลังจากนั้นสามารถเคลื่อนย้ายแว่นตาจากที่อื่นได้ 20-25 มม. สะพานนี้มีมายาวนานจนกลายเป็น “สะพานลอยน้ำ” น้ำไหลไปตาม "สะพาน" ปลายของ "สะพาน" มีประจุตรงกันข้าม ดังนั้นน้ำในภาชนะจึงมีค่า pH ที่แตกต่างกัน: 9 และ 4 "สะพาน" ประกอบด้วยลำธารบางๆ เมื่อนำแท่งแก้วที่มีประจุเข้ามา มันจะแยกออกเป็นหลายแขน เทคโนโลยีการทดลองชั้นสูงทำให้สามารถบันทึกการเคลื่อนที่ของการก่อตัวเป็นทรงกลมตามพื้นผิวของ "สะพานน้ำ"

น้ำเป็นสารที่พบได้ทั่วไปและพบบ่อยที่สุดในชีวิตของเรา ร่างกายมนุษย์ประกอบด้วยน้ำ 70% และสิ่งแวดล้อมรอบตัวเรา สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติยังมีน้ำอยู่ถึง 70%

จากหนังสือเรียนของโรงเรียน เรารู้ว่าโมเลกุลของน้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอม กล่าวคือ หนึ่งในโมเลกุลที่เล็กที่สุดและเบาที่สุด แม้ว่าคุณสมบัติของน้ำที่เราใช้อยู่เป็นประจำจะเป็นเรื่องธรรมดาและชัดเจนสำหรับเรา แต่ก็มีความขัดแย้งของน้ำของเหลวที่เป็นตัวกำหนดรูปแบบของสิ่งมีชีวิตบนโลกด้วยซ้ำ

น้ำที่เป็นของเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำแข็ง ดังนั้นเมื่อแช่แข็ง ปริมาณน้ำแข็งจะเพิ่มขึ้น และน้ำแข็งจะลอยอยู่บนผิวน้ำ

ความหนาแน่นของน้ำสูงสุดที่ 4 o C และไม่ได้อยู่ที่จุดหลอมเหลว โดยจะลดลงทั้งไปทางขวาและทางซ้ายของอุณหภูมินี้

ความหนืดของน้ำจะลดลงตามแรงดันที่เพิ่มขึ้น

จุดเดือดของน้ำอยู่ภายนอก การพึ่งพาอาศัยกันทั่วไปจุดเดือดต่อน้ำหนักโมเลกุลของสาร (รูปที่ 1.1) มิฉะนั้นก็ไม่ควรสูงกว่า 60 o C

ความจุความร้อนของน้ำมีค่าอย่างน้อยสองเท่าของของเหลวอื่นๆ

ความร้อนของการกลายเป็นไอ (~2250 กิโลจูล/กก.) สูงกว่าความร้อนของของเหลวอื่น ๆ อย่างน้อยสามเท่า และมากกว่าเอทานอล 8 เท่า

ลองพิจารณาคุณสมบัติสุดท้ายของน้ำนี้กัน ความร้อนของการระเหยคือพลังงานที่จำเป็นในการทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลเมื่อพวกมันผ่านจากสถานะควบแน่นไปสู่สถานะก๊าซ ซึ่งหมายความว่าสาเหตุของคุณสมบัติที่ขัดแย้งกันทั้งหมดนั้นอยู่ในธรรมชาติของพันธะระหว่างโมเลกุลของน้ำ และในทางกลับกัน จะถูกกำหนดโดยโครงสร้างของโมเลกุลของน้ำ

รูปที่.1.1. ช่วงของความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักโมเลกุลของสารประกอบต่างๆ กับจุดเดือด

1. มันคือโมเลกุลของน้ำชนิดใด?

ในปี ค.ศ. 1780 ลาวัวซิเยร์ทดลองว่าน้ำประกอบด้วยออกซิเจนและไฮโดรเจน ไฮโดรเจนสองปริมาตรมีปฏิกิริยากับออกซิเจนหนึ่งปริมาตร และอัตราส่วนมวลของไฮโดรเจนและออกซิเจนในน้ำคือ 2:16 เมื่อถึงปี ค.ศ. 1840 ก็ชัดเจนว่า สูตรโมเลกุลน้ำ H 2 O

นิวเคลียสทั้งสามในโมเลกุลก่อตัวเป็นรูปสามเหลี่ยมหน้าจั่วโดยมีโปรตอนสองตัวอยู่ที่ฐาน (รูปที่ 1.2) สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลน้ำคือ [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)]

รูปที่ 1.2การก่อตัวของระบบการเชื่อมต่อม. จาก 2p-orbitals ของอะตอมออกซิเจน และ 1ส-ออร์บิทัลของอะตอมออกซิเจน และ 1ส- วงโคจรของอะตอมไฮโดรเจน

เนื่องจากการมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอนไฮโดรเจน 1s สองตัวที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจน 2p อิเล็กตรอนสองตัว sp ไฮบริดไดเซชันเกิดขึ้นและออร์บิทัล sp 3 ไฮบริดเกิดขึ้นโดยมีมุมลักษณะเฉพาะระหว่างพวกมันที่ 104.5 o เช่นเดียวกับขั้วสองขั้วที่มีประจุตรงกันข้าม ความยาว การเชื่อมต่อ O-Nเท่ากับ 0.95Å (0.095 นาโนเมตร) ระยะห่างระหว่างโปรตอนคือ 1.54Å (0.154 นาโนเมตร) รูปที่ 1.3 แสดงแบบจำลองอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลน้ำ

รูปที่.1.3. แบบจำลองอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุล H 2 เกี่ยวกับ.

อิเล็กตรอน 8 ตัวหมุนเป็นคู่ในวงโคจร 4 วงที่อยู่ในระนาบ 3 ระนาบ (มุม 90) โอ ) พอดีเป็นลูกบาศก์ 1, 2 – อิเล็กตรอนคู่เดียว

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของการพิจารณานี้: ความไม่สมดุลของการกระจายประจุจะเปลี่ยนโมเลกุล H 2 O ให้เป็นไดโพล โดยโปรตอนจะอยู่ที่ปลายด้านบวกทั้งสอง และ p-อิเล็กตรอนของออกซิเจนคู่เดียวจะอยู่ที่ปลายด้านลบทั้งสอง

ดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงถือได้ว่าเป็นปิรามิดสามเหลี่ยม - จัตุรมุขที่มุมซึ่งมีประจุสี่อัน - สองบวกและสองลบ

ประจุเหล่านี้ก่อตัวเป็นสภาพแวดล้อมที่อยู่ติดกัน โดยเปลี่ยนโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้เคียงในลักษณะที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ดังนั้นระหว่างออกซิเจนสองอะตอมจะมีไฮโดรเจนเพียงอะตอมเดียวเสมอ วิธีที่ง่ายที่สุดในการจินตนาการและศึกษาโครงสร้างระหว่างโมเลกุลคือบนน้ำในสถานะของแข็ง รูปที่ 1.4 แสดงโครงสร้างของน้ำแข็ง

ข้าว. 1.4. โครงสร้างน้ำแข็งหกเหลี่ยม

โครงสร้างยึดติดกันด้วยพันธบัตร O-H...O การเชื่อมต่อของออกซิเจนสองอะตอมของโมเลกุลน้ำที่อยู่ใกล้เคียงผ่านการไกล่เกลี่ยของอะตอมไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมนี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน

พันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นจากสาเหตุต่อไปนี้:

1 – โปรตอนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ดังนั้นแรงผลักทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมสองอะตอมจึงน้อยมาก โปรตอนจะจมลงไป เปลือกอิเล็กตรอนอะตอมข้างเคียงลดระยะห่างระหว่างอะตอมลง 20-30% (สูงสุด 1 Å)

2 – อะตอมข้างเคียงจะต้องมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวีตี้สูงกว่า ในค่าทั่วไป (ตาม Pauling) อิเลคโตรเนกาติวีตี้ F– 4.0; O – 3.5; N – 3.0; Cl – 3.0; C – 2.5; S – 2.5

โมเลกุลของน้ำสามารถมีพันธะไฮโดรเจนได้ 4 พันธะ โดยใน 2 พันธะทำหน้าที่เป็นผู้ให้อิเล็กตรอน และ 2 พันธะทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน และพันธะเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกับโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้เคียงและกับสสารอื่น ๆ

ดังนั้น โมเมนต์ไดโพลคือ มุม N-O-Nและพันธะไฮโดรเจน O-H...O จะกำหนดคุณสมบัติเฉพาะของน้ำและมีบทบาทสำคัญในการกำหนดรูปร่างโลกรอบตัวเรา

ปริญญาเอก โอ.วี. โมซิน

โมเลกุลของน้ำเป็นไดโพลขนาดเล็กที่มีประจุบวกและลบที่ขั้วของมัน เนื่องจากมวลและประจุของนิวเคลียสออกซิเจนมากกว่านิวเคลียสของไฮโดรเจน เมฆอิเล็กตรอนจึงถูกดึงเข้าหานิวเคลียสของออกซิเจน ในกรณีนี้ นิวเคลียสของไฮโดรเจนจะ “ถูกเปิดเผย” ดังนั้นเมฆอิเล็กตรอนจึงมีความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนไม่เพียงพอใกล้กับนิวเคลียสของไฮโดรเจน และที่ด้านตรงข้ามของโมเลกุล ใกล้กับนิวเคลียสของออกซิเจน มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากเกินไป โครงสร้างนี้เองที่กำหนดขั้วของโมเลกุลน้ำ หากคุณเชื่อมต่อจุดศูนย์กลางของประจุบวกและลบด้วยเส้นตรง คุณจะได้รูปทรงเรขาคณิตสามมิติ - จัตุรมุขปกติ

โครงสร้างของโมเลกุลของน้ำ (ภาพด้านขวา)

เนื่องจากการมีอยู่ของพันธะไฮโดรเจน โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลจึงสร้างพันธะไฮโดรเจนโดยมีโมเลกุลข้างเคียง 4 โมเลกุล เกิดเป็นกรอบตาข่ายฉลุในโมเลกุลน้ำแข็ง อย่างไรก็ตาม ในสถานะของเหลว น้ำเป็นของเหลวที่ไม่เป็นระเบียบ พันธะไฮโดรเจนเหล่านี้เกิดขึ้นเองได้ มีอายุสั้น แตกตัวอย่างรวดเร็วและก่อตัวใหม่ ทั้งหมดนี้นำไปสู่ความแตกต่างในโครงสร้างของน้ำ

พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ (ภาพด้านล่างซ้าย)

ข้อเท็จจริงที่ว่าน้ำมีองค์ประกอบต่างกันเกิดขึ้นมานานแล้ว เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าน้ำแข็งลอยอยู่บนผิวน้ำ กล่าวคือ ความหนาแน่นของผลึกน้ำแข็งน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว

สำหรับสารอื่นๆ เกือบทั้งหมด ผลึกจะมีความหนาแน่นมากกว่าสถานะของเหลว นอกจากนี้ แม้หลังจากการหลอมละลาย เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของน้ำก็ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและถึงระดับสูงสุดที่ 4°C ความผิดปกติที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักคือความผิดปกติของความสามารถในการอัดน้ำ: เมื่อได้รับความร้อนจากจุดหลอมเหลวสูงถึง 40°C จะลดลงแล้วเพิ่มขึ้น ความจุความร้อนของน้ำยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแบบไม่จำเจอีกด้วย

นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 30°C เมื่อความดันบรรยากาศเพิ่มขึ้นเป็น 0.2 GPa ความหนืดของน้ำจะลดลง และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในตัวเอง ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่กำหนดความเร็วการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำที่สัมพันธ์กัน เพิ่มขึ้น

สำหรับของเหลวอื่น ๆ ความสัมพันธ์จะตรงกันข้ามและแทบไม่มีที่ไหนเลยที่พารามิเตอร์สำคัญบางตัวไม่ทำงานซ้ำซากจำเจนั่นคือ เพิ่มขึ้นครั้งแรกและหลังจากผ่านค่าวิกฤตของอุณหภูมิหรือความดันลดลง ข้อสันนิษฐานเกิดขึ้นว่าอันที่จริงน้ำไม่ใช่ของเหลวชนิดเดียว แต่เป็นส่วนผสมของสององค์ประกอบที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน เช่น ความหนาแน่นและความหนืด และโครงสร้างด้วย ความคิดดังกล่าวเริ่มปรากฏออกมา ปลาย XIXศตวรรษ เมื่อมีข้อมูลมากมายเกี่ยวกับความผิดปกติของน้ำสะสม

ไวทิงเป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดว่าน้ำประกอบด้วยสององค์ประกอบในปี พ.ศ. 2427 การประพันธ์ของเขาอ้างโดย E.F. Fritsman ในเอกสารเรื่อง “ธรรมชาติของน้ำ” Heavy Water” จัดพิมพ์เมื่อปี พ.ศ. 2478 ในปี พ.ศ. 2434 W. Rengten ได้นำเสนอแนวคิดเรื่องน้ำสองสถานะ ซึ่งมีความหนาแน่นต่างกัน หลังจากนั้นมีงานหลายชิ้นปรากฏขึ้นซึ่งน้ำถือเป็นส่วนผสมของผู้ร่วมงานที่มีองค์ประกอบต่างกัน ("ไฮโดรล")

เมื่อพิจารณาโครงสร้างของน้ำแข็งในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 ปรากฎว่าโมเลกุลของน้ำในสถานะผลึกก่อตัวเป็นเครือข่ายต่อเนื่องสามมิติ โดยแต่ละโมเลกุลมีเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดสี่แห่ง ซึ่งอยู่ที่จุดยอดของจัตุรมุขปกติ ในปี 1933 เจ. เบอร์นัลและพี. ฟาวเลอร์แนะนำว่ามีเครือข่ายที่คล้ายกันอยู่ในน้ำของเหลว เพราะว่าน้ำ หนาแน่นกว่าน้ำแข็งพวกเขาเชื่อว่าโมเลกุลในนั้นตั้งอยู่ไม่เหมือนในน้ำแข็งนั่นคือเหมือนอะตอมของซิลิคอนในแร่ไตรไดไมต์ แต่เหมือนอะตอมของซิลิคอนในการดัดแปลงซิลิกา - ควอตซ์ที่หนาแน่นยิ่งขึ้น ความหนาแน่นของน้ำที่เพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อนจาก 0 ถึง 4°C อธิบายได้จากการมีอยู่ของส่วนประกอบไตรไดไมต์ที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นแบบจำลอง Bernal-Fowler ยังคงองค์ประกอบของสองโครงสร้างไว้ แต่ความสำเร็จหลักของพวกเขาคือแนวคิดของเครือข่ายจัตุรมุขต่อเนื่อง จากนั้นคำพังเพยอันโด่งดังของ I. Langmuir ก็ปรากฏขึ้น: "มหาสมุทรเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่โมเลกุลเดียว" ข้อกำหนดที่มากเกินไปของแบบจำลองไม่ได้เพิ่มจำนวนผู้สนับสนุนทฤษฎีกริดแบบรวม

จนกระทั่งถึงปี 1951 เจ. โพเพิลได้สร้างแบบจำลองกริดแบบต่อเนื่อง ซึ่งไม่เฉพาะเจาะจงเท่ากับแบบจำลองเบอร์นัล-ฟาวเลอร์ Pople จินตนาการว่าน้ำเป็นโครงข่ายจัตุรมุขแบบสุ่ม ซึ่งเป็นพันธะระหว่างโมเลกุลที่โค้งงอและมีความยาวต่างกัน แบบจำลองของ Pople อธิบายการบดอัดของน้ำระหว่างการละลายโดยการดัดงอของพันธะ เมื่อการพิจารณาโครงสร้างของน้ำแข็ง II และ IX ครั้งแรกปรากฏขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 60–70 เป็นที่ชัดเจนว่าการโค้งงอของพันธะสามารถนำไปสู่การบดอัดของโครงสร้างได้อย่างไร แบบจำลองของ Pople ไม่สามารถอธิบายการขึ้นต่อกันของคุณสมบัติของน้ำแบบไม่ซ้ำซากกับอุณหภูมิและความดันตลอดจนแบบจำลองสองสถานะ ดังนั้นความคิดของสองรัฐจึงถูกแบ่งปันโดยนักวิทยาศาสตร์หลายคนมาเป็นเวลานาน

แต่ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 เป็นไปไม่ได้เลยที่จะจินตนาการถึงองค์ประกอบและโครงสร้างของ "ไฮโดรล" เหมือนที่เคยทำเมื่อต้นศตวรรษ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าน้ำแข็งและผลึกไฮเดรตทำงานอย่างไร และพวกเขารู้มากเกี่ยวกับพันธะไฮโดรเจน นอกจากแบบจำลอง "ต่อเนื่อง" (แบบจำลองของ Pople) แล้ว โมเดล "ผสม" สองกลุ่มยังเกิดขึ้น: คลัสเตอร์และคลาเทรต ในกลุ่มแรก น้ำปรากฏอยู่ในรูปของกลุ่มโมเลกุลที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ซึ่งลอยอยู่ในทะเลโมเลกุลที่ไม่เกี่ยวข้องกับพันธะดังกล่าว แบบจำลองกลุ่มที่สองปฏิบัติต่อน้ำเป็นเครือข่ายต่อเนื่อง (มักเรียกว่ากรอบการทำงานในบริบทนี้) ของพันธะไฮโดรเจนที่มีช่องว่าง พวกมันมีโมเลกุลที่ไม่สร้างพันธะกับโมเลกุลของเฟรมเวิร์ก การเลือกคุณสมบัติและความเข้มข้นของไมโครเฟสสองเฟสของแบบจำลองคลัสเตอร์หรือคุณสมบัติของเฟรมเวิร์กและระดับการเติมช่องว่างของแบบจำลองคลาเทรตนั้นไม่ใช่เรื่องยาก เพื่ออธิบายคุณสมบัติทั้งหมดของน้ำ รวมถึงความผิดปกติที่มีชื่อเสียงด้วย

ในบรรดาแบบจำลองคลัสเตอร์ โมเดลที่โดดเด่นที่สุดคือแบบจำลองของ G. Némethy และ H. Scheraghi: รูปภาพที่พวกเขานำเสนอซึ่งแสดงถึงกลุ่มของโมเลกุลที่ถูกผูกไว้ซึ่งลอยอยู่ในทะเลของโมเลกุลที่ไม่ถูกผูกไว้นั้นรวมอยู่ในเอกสารหลายฉบับ

แบบจำลองแรกของประเภทคลาเทรตถูกเสนอในปี พ.ศ. 2489 โดย O.Ya. Samoilov: ในน้ำจะมีการเก็บรักษาเครือข่ายของพันธะไฮโดรเจนที่คล้ายกับน้ำแข็งหกเหลี่ยมซึ่งโพรงนั้นเต็มไปด้วยโมเลกุลโมโนเมอร์บางส่วน แอล. พอลิงในปี 1959 ได้สร้างทางเลือกอื่นขึ้นมา โดยเสนอว่าพื้นฐานของโครงสร้างอาจเป็นโครงข่ายของพันธะที่มีอยู่ในไฮเดรตที่เป็นผลึกบางชนิด

ในช่วงครึ่งหลังของทศวรรษที่ 60 และต้นทศวรรษที่ 70 มีการสังเกตการบรรจบกันของมุมมองเหล่านี้ทั้งหมด รูปแบบของแบบจำลองคลัสเตอร์ปรากฏขึ้นโดยที่โมเลกุลในไมโครเฟสทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ผู้เสนอแบบจำลองคลาเทรตเริ่มยอมรับการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลโมฆะและเฟรมเวิร์ก ที่จริงแล้ว ผู้เขียนแบบจำลองเหล่านี้ถือว่าน้ำเป็นเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนที่ต่อเนื่องกัน และเรากำลังพูดถึงว่าตารางนี้มีความหลากหลายเพียงใด (เช่น ในความหนาแน่น) แนวคิดเรื่องน้ำในฐานะกระจุกพันธะไฮโดรเจนที่ลอยอยู่ในทะเลโมเลกุลของน้ำที่ไม่มีพันธะสิ้นสุดลงในช่วงต้นทศวรรษที่ 80 เมื่อ G. Stanley ใช้ทฤษฎีการซึมผ่านซึ่งอธิบายการเปลี่ยนเฟสของน้ำกับ โมเดลน้ำ

ในปี 1999 S.V. นักวิจัยด้านน้ำชื่อดังชาวรัสเซีย Zenin ปกป้องวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาที่สถาบันปัญหาการแพทย์และชีววิทยาของ Russian Academy of Sciences ในทฤษฎีคลัสเตอร์ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในความก้าวหน้าของการวิจัยในด้านนี้ ความซับซ้อนซึ่งได้รับการปรับปรุงโดยข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขา อยู่ที่จุดบรรจบของสามวิทยาศาสตร์: ฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา จากข้อมูลที่ได้รับจากสามคน วิธีทางกายภาพและเคมี: การหักเหของแสง (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), โครมาโทกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูง (S.V. Zenin et al., 1998) และเรโซแนนซ์แม่เหล็กของโปรตอน (S.V. Zenin, 1993) แบบจำลองทางเรขาคณิตของการก่อตัวของโครงสร้างหลักที่เสถียรของโมเลกุลน้ำ ( น้ำที่มีโครงสร้าง) จากนั้น (S.V. Zenin, 2004) จะได้ภาพของโครงสร้างเหล่านี้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์คอนทราสต์เฟส

วิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางกายภาพของน้ำและพันธะไฮโดรเจนอายุสั้นจำนวนมากระหว่างอะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจนที่อยู่ใกล้เคียงในโมเลกุลของน้ำสร้างโอกาสอันดีสำหรับการก่อตัวของโครงสร้างพิเศษที่เกี่ยวข้องกัน (กระจุก) ที่รับรู้ จัดเก็บ และส่งผ่าน ข้อมูลที่หลากหลาย

หน่วยโครงสร้างของน้ำดังกล่าวเป็นกลุ่มที่ประกอบด้วยคลาเทรต ซึ่งลักษณะของน้ำถูกกำหนดโดยแรงคูลอมบ์ในระยะไกล โครงสร้างของกลุ่มจะเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นกับโมเลกุลของน้ำเหล่านี้ ในกระจุกน้ำ เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างพันธะโควาเลนต์และไฮโดรเจนระหว่างอะตอมออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจน การอพยพของโปรตอน (H+) สามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกลไกการถ่ายทอด ซึ่งนำไปสู่การแยกตำแหน่งของโปรตอนภายในกระจุก

น้ำซึ่งประกอบด้วยกระจุกหลายประเภท ก่อให้เกิดโครงสร้างผลึกเหลวเชิงพื้นที่ที่มีลำดับชั้น ซึ่งสามารถรับรู้และจัดเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลได้

รูปภาพ (V.L. Voeikov) แสดงไดอะแกรมของโครงสร้างคลัสเตอร์แบบง่ายหลายตัวเป็นตัวอย่าง

โครงสร้างที่เป็นไปได้บางส่วนของกลุ่มน้ำ

สนามทางกายภาพที่มีลักษณะแตกต่างกันมากสามารถเป็นพาหะของข้อมูลได้ ดังนั้นจึงมีการสร้างความเป็นไปได้ของการโต้ตอบข้อมูลระยะไกลของโครงสร้างผลึกเหลวของน้ำกับวัตถุที่มีลักษณะหลากหลายโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้า เสียง และสนามอื่น ๆ วัตถุที่มีอิทธิพลก็สามารถเป็นบุคคลได้เช่นกัน

น้ำเป็นแหล่งกำเนิดของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าสลับที่อ่อนเป็นพิเศษและอ่อนมาก วุ่นวายน้อยที่สุด รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าสร้างขึ้นโดยน้ำที่มีโครงสร้าง ในกรณีนี้ อาจเกิดการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน โดยเปลี่ยนลักษณะโครงสร้างและข้อมูลของวัตถุทางชีวภาพ

ในระหว่าง ปีที่ผ่านมาได้รับข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับคุณสมบัติของน้ำที่เย็นจัดเป็นพิเศษ การศึกษาน้ำที่อุณหภูมิต่ำนั้นน่าสนใจมาก เนื่องจากสามารถทำความเย็นแบบซูเปอร์คูลได้มากกว่าของเหลวอื่นๆ ตามกฎแล้วการตกผลึกของน้ำเริ่มต้นจากความไม่สอดคล้องกันบางอย่าง - ไม่ว่าจะบนผนังของถังหรือบนอนุภาคที่ลอยอยู่ของสิ่งเจือปนที่เป็นของแข็ง ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะค้นหาอุณหภูมิที่น้ำเย็นยิ่งยวดจะตกผลึกตามธรรมชาติ แต่นักวิทยาศาสตร์สามารถทำเช่นนี้ได้และตอนนี้อุณหภูมิของสิ่งที่เรียกว่านิวเคลียสที่เป็นเนื้อเดียวกันเมื่อการก่อตัวของผลึกน้ำแข็งเกิดขึ้นพร้อมกันตลอดทั้งปริมาตรเป็นที่ทราบกันดีว่ามีแรงกดดันสูงถึง 0.3 GPa นั่นคือครอบคลุมพื้นที่ของการดำรงอยู่ของ น้ำแข็งครั้งที่สอง

จาก ความดันบรรยากาศถึงขอบเขตที่แยกน้ำแข็ง I และ II อุณหภูมินี้จะลดลงจาก 231 เป็น 180 K จากนั้นเพิ่มขึ้นเล็กน้อย - สูงถึง 190K โดยหลักการแล้ว อุณหภูมิต่ำกว่าวิกฤตเช่นนี้ น้ำที่เป็นของเหลวเป็นไปไม่ได้

โครงสร้างน้ำแข็ง (ภาพด้านขวา)

อย่างไรก็ตาม มีความลึกลับเกี่ยวกับอุณหภูมินี้ ในช่วงกลางทศวรรษที่แปดสิบมีการค้นพบการดัดแปลงใหม่ของน้ำแข็งอสัณฐาน - น้ำแข็งที่มีความหนาแน่นสูงและสิ่งนี้ช่วยฟื้นฟูแนวคิดเรื่องน้ำในฐานะส่วนผสมของสองสถานะ ไม่ใช่โครงสร้างผลึก แต่โครงสร้างของน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นต่างกันถือเป็นต้นแบบ แนวคิดนี้จัดทำขึ้นในรูปแบบที่ชัดเจนที่สุดโดย E.G. Poniatovsky และ V.V. Sinitsin ผู้เขียนในปี 1999 ว่า "น้ำถือเป็นสารละลายปกติขององค์ประกอบ 2 ชนิด รูปแบบเฉพาะที่ซึ่งสอดคล้องกับลำดับระยะสั้นของการดัดแปลงน้ำแข็งอสัณฐาน" นอกจากนี้ จากการศึกษาลำดับระยะสั้นในน้ำที่มีความเย็นยิ่งยวดที่ความดันสูงโดยใช้วิธีการเลี้ยวเบนของนิวตรอน นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถค้นหาส่วนประกอบที่สอดคล้องกับโครงสร้างเหล่านี้ได้

ผลที่ตามมาของพหุสัณฐานของน้ำแข็งอสัณฐานยังนำไปสู่การสันนิษฐานเกี่ยวกับการแยกน้ำออกเป็นสององค์ประกอบที่ไม่สามารถผสมกันได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดวิกฤตอุณหภูมิต่ำตามสมมุติฐาน น่าเสียดาย ตามที่นักวิจัยกล่าวไว้ อุณหภูมิที่ความดัน 0.017 GPa เท่ากับ 230 K ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมินิวเคลียส ดังนั้นจึงยังไม่มีใครสามารถสังเกตการแบ่งชั้นของน้ำของเหลวได้ ดังนั้นการฟื้นตัวของแบบจำลองสองสถานะทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับความหลากหลายของเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนในน้ำของเหลว ความแตกต่างนี้สามารถเข้าใจได้โดยใช้การสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เท่านั้น

เมื่อพูดถึงโครงสร้างผลึกของน้ำก็ควรสังเกตว่า 14 การปรับเปลี่ยนน้ำแข็ง, ซึ่งส่วนใหญ่ไม่พบในธรรมชาติ ซึ่งทั้งโมเลกุลของน้ำยังคงรักษาความเป็นเอกเทศและเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ในทางกลับกัน มีเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนหลายรูปแบบในคลาเทรตไฮเดรต พลังงานของกริดเหล่านี้ (น้ำแข็ง ความดันสูงและคลาเทรตไฮเดรต) จะสูงกว่าพลังงานของน้ำแข็งลูกบาศก์และหกเหลี่ยมไม่มากนัก ดังนั้นเศษของโครงสร้างดังกล่าวจึงสามารถปรากฏในน้ำของเหลวได้เช่นกัน เป็นไปได้ที่จะสร้างชิ้นส่วนที่ไม่ใช่คาบที่แตกต่างกันจำนวนนับไม่ถ้วนโมเลกุลซึ่งมีเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดสี่แห่งซึ่งอยู่ที่จุดยอดของจัตุรมุขโดยประมาณ แต่โครงสร้างของพวกมันไม่สอดคล้องกับโครงสร้างของการดัดแปลงน้ำแข็งที่ทราบ ตามที่แสดงให้เห็นการคำนวณจำนวนมาก พลังงานอันตรกิริยาของโมเลกุลในชิ้นส่วนดังกล่าวจะอยู่ใกล้กัน และไม่มีเหตุผลที่จะบอกว่าโครงสร้างใด ๆ ควรมีชัยเหนือน้ำของเหลว

การศึกษาโครงสร้างของน้ำสามารถศึกษาได้โดยใช้วิธีการต่างๆสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กของโปรตอน สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ฯลฯ ตัวอย่างเช่น มีการศึกษาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และนิวตรอนในน้ำหลายครั้ง อย่างไรก็ตาม การทดลองเหล่านี้ไม่สามารถให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างได้ ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีความหนาแน่นต่างกันสามารถเห็นได้จากการกระเจิงของรังสีเอกซ์และนิวตรอนในมุมเล็กๆ แต่ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนั้นจะต้องมีขนาดใหญ่ ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลน้ำหลายร้อยโมเลกุล มันเป็นไปได้ที่จะมองเห็นพวกมันโดยการศึกษาการกระเจิงของแสง อย่างไรก็ตาม น้ำเป็นของเหลวที่โปร่งใสมาก ผลลัพธ์เดียวของการทดลองการเลี้ยวเบนคือฟังก์ชันการกระจายแนวรัศมี ซึ่งก็คือระยะห่างระหว่างอะตอมของออกซิเจน ไฮโดรเจน และออกซิเจน-ไฮโดรเจน เป็นที่ชัดเจนจากพวกเขาว่าไม่มีลำดับระยะยาวในการจัดเรียงโมเลกุลของน้ำ ฟังก์ชันเหล่านี้จะสลายตัวเร็วกว่าของเหลวอื่นๆ มาก ตัวอย่างเช่น การกระจายของระยะห่างระหว่างอะตอมออกซิเจนที่อุณหภูมิใกล้กับอุณหภูมิห้องจะให้ค่าสูงสุดเพียง 3 Å ที่ 2.8, 4.5 และ 6.7 Å ค่าสูงสุดแรกสอดคล้องกับระยะห่างจากเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด และค่าของมันจะเท่ากับความยาวของพันธะไฮโดรเจนโดยประมาณ ค่าสูงสุดที่สองนั้นใกล้เคียงกับความยาวเฉลี่ยของขอบจัตุรมุข โปรดจำไว้ว่าโมเลกุลของน้ำในน้ำแข็งหกเหลี่ยมนั้นตั้งอยู่ตามจุดยอดของจัตุรมุขที่อธิบายไว้รอบๆ โมเลกุลตรงกลาง และค่าสูงสุดที่สามซึ่งแสดงออกมาอย่างอ่อนมาก สอดคล้องกับระยะทางไปยังเพื่อนบ้านที่สามและไกลกว่าในเครือข่ายไฮโดรเจน ค่าสูงสุดนี้เองไม่ได้สว่างมากนัก และไม่จำเป็นต้องพูดถึงยอดเขาเพิ่มเติมอีก มีความพยายามที่จะรับข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมจากการกระจายเหล่านี้ ดังนั้นในปี 1969 I.S. Andrianov และ I.Z. ฟิชเชอร์พบระยะทางถึงเพื่อนบ้านคนที่แปด ในขณะที่เพื่อนบ้านคนที่ห้ากลายเป็น 3 Å และถึงคนที่หก - 3.1 Å ทำให้สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่อยู่ห่างไกลของโมเลกุลของน้ำได้

อีกวิธีหนึ่งในการศึกษาโครงสร้าง ซึ่งก็คือ การเลี้ยวเบนของนิวตรอนบนผลึกน้ำ ดำเนินการในลักษณะเดียวกับการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ทุกประการ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยาวในการกระเจิงของนิวตรอนไม่แตกต่างกันมากนักระหว่างอะตอมที่ต่างกัน วิธีการทดแทนไอโซมอร์ฟิกจึงไม่เป็นที่ยอมรับ ในทางปฏิบัติ มักใช้กับคริสตัลที่มีโครงสร้างโมเลกุลถูกกำหนดโดยวิธีอื่นโดยประมาณแล้ว จากนั้นจะวัดความเข้มของการเลี้ยวเบนของนิวตรอนสำหรับคริสตัลนี้ จากผลลัพธ์เหล่านี้ การแปลงฟูริเยร์จะดำเนินการ ในระหว่างที่ใช้ความเข้มและเฟสของนิวตรอนที่วัดได้ ซึ่งคำนวณโดยคำนึงถึงอะตอมที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน เช่น อะตอมออกซิเจนซึ่งทราบตำแหน่งในแบบจำลองโครงสร้าง จากนั้นในแผนที่ฟูริเยร์ที่ได้รับ อะตอมของไฮโดรเจนและดิวทีเรียมจะถูกแทนค่ามาก เครื่องชั่งขนาดใหญ่มากกว่าบนแผนที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน เพราะ การมีส่วนร่วมของอะตอมเหล่านี้ต่อการกระเจิงของนิวตรอนนั้นมีมาก เมื่อใช้แผนที่ความหนาแน่นนี้ คุณสามารถระบุตำแหน่งของอะตอมไฮโดรเจน (ความหนาแน่นลบ) และดิวทีเรียม (ความหนาแน่นบวก) ได้ เป็นต้น

วิธีการนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่าผลึกที่เกิดขึ้นในน้ำจะถูกเก็บไว้ในน้ำหนักก่อนการตรวจวัด ในกรณีนี้ การเลี้ยวเบนของนิวตรอนไม่เพียงทำให้สามารถระบุตำแหน่งของอะตอมไฮโดรเจนได้ แต่ยังระบุอะตอมที่สามารถแลกเปลี่ยนเป็นดิวเทอเรียมได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อศึกษาการแลกเปลี่ยนไอโซโทป (H-D) ข้อมูลดังกล่าวช่วยยืนยันว่าโครงสร้างได้รับการจัดทำอย่างถูกต้อง

วิธีอื่นๆ ยังทำให้สามารถศึกษาพลวัตของโมเลกุลของน้ำได้ด้วย ซึ่งรวมถึงการทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงนิวตรอนกึ่งยืดหยุ่น สเปกโทรสโกปี IR ที่เร็วมาก และการศึกษาการแพร่กระจายของน้ำโดยใช้ NMR หรืออะตอมดิวเทอเรียมที่ติดแท็ก วิธี NMR สเปกโทรสโกปีนั้นขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่านิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนมีโมเมนต์แม่เหล็ก - หมุน, ทำปฏิกิริยากับ สนามแม่เหล็ก, ค่าคงที่และตัวแปร จากสเปกตรัม NMR เราสามารถตัดสินได้ว่าอะตอมและนิวเคลียสเหล่านี้ตั้งอยู่ในสภาพแวดล้อมใด จึงได้รับข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุล

จากการทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงของนิวตรอนกึ่งยืดหยุ่นในผลึกน้ำ พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดจึงถูกวัด - ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายตัวเองที่ความดันและอุณหภูมิต่างๆ ในการตัดสินค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในตัวเองจากการกระเจิงของนิวตรอนกึ่งยืดหยุ่น จำเป็นต้องตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล หากเคลื่อนไหวตามแบบฉบับของย่าไอ Frenkel (นักฟิสิกส์ทฤษฎีชื่อดังชาวรัสเซียผู้แต่ง "ทฤษฎีจลน์ของของเหลว" - หนังสือคลาสสิกที่แปลเป็นหลายภาษา) หรือที่เรียกว่าแบบจำลอง "กระโดดรอ" จากนั้นเวลาชีวิต "ตัดสิน" (เวลาระหว่างการกระโดด) ของ โมเลกุลคือ 3.2 พิโกวินาที วิธีการล่าสุดของ femtosecond laser spectroscopy ทำให้สามารถประมาณอายุการใช้งานของพันธะไฮโดรเจนที่แตกหักได้ โดยต้องใช้โปรตอน 200 fs ในการหาคู่ อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดนี้เป็นค่าเฉลี่ย เป็นไปได้ที่จะศึกษารายละเอียดของโครงสร้างและธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำโดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เท่านั้น ซึ่งบางครั้งเรียกว่าการทดลองเชิงตัวเลข

นี่คือลักษณะของโครงสร้างของน้ำตามผลลัพธ์ของการสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ (อ้างอิงจาก Doctor of Chemical Sciences G. G. Malenkov) โครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบทั่วไปสามารถแบ่งได้เป็น 2 ส่วน (แสดงเป็นลูกบอลสีเข้มและลูกบอลสว่าง) ซึ่งมีโครงสร้างที่แตกต่างกัน เช่น ในปริมาตรของรูปทรงหลายเหลี่ยม Voronoi (a) ระดับของจัตุรมุขของสภาพแวดล้อมใกล้เคียง ( b) ค่าของพลังงานศักย์ (c) และเมื่อมีพันธะไฮโดรเจนสี่พันธะในแต่ละโมเลกุล (d) อย่างไรก็ตาม พื้นที่เหล่านี้จะเปลี่ยนตำแหน่งทันทีหลังจากผ่านไปไม่กี่วินาที

การจำลองจะดำเนินการเช่นนี้ โครงสร้างน้ำแข็งถูกถ่ายและให้ความร้อนจนละลาย จากนั้น หลังจากผ่านไประยะหนึ่งเพื่อให้น้ำ "ลืม" เกี่ยวกับต้นกำเนิดของผลึกของมัน ก็จะถ่ายภาพไมโครโฟโต้ทันที

ในการวิเคราะห์โครงสร้างของน้ำ จะเลือกพารามิเตอร์สามตัว:
- ระดับความเบี่ยงเบนของสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นของโมเลกุลจากจุดยอดของจัตุรมุขปกติ
-พลังงานศักย์ของโมเลกุล
-ปริมาตรของสิ่งที่เรียกว่ารูปทรงหลายเหลี่ยมโวโรนอย

ในการสร้างรูปทรงหลายเหลี่ยมนี้ ให้นำขอบจากโมเลกุลที่กำหนดไปยังโมเลกุลที่ใกล้ที่สุด แบ่งครึ่งแล้ววาดระนาบผ่านจุดนี้ในแนวตั้งฉากกับขอบ จะได้ปริมาตรต่อโมเลกุล ปริมาตรของรูปทรงหลายเหลี่ยมคือความหนาแน่น จัตุรมุขคือระดับของการบิดเบี้ยวของพันธะไฮโดรเจน พลังงานคือระดับความเสถียรของโครงร่างโมเลกุล โมเลกุลที่มีค่าใกล้เคียงกันของแต่ละพารามิเตอร์เหล่านี้มักจะจัดกลุ่มเข้าด้วยกันเป็นกลุ่มที่แยกจากกัน ทั้งพื้นที่ความหนาแน่นต่ำและสูงมี ความหมายที่แตกต่างกันพลังงานแต่สามารถมีค่าเท่ากันได้ การทดลองแสดงให้เห็นว่าพื้นที่ที่มีโครงสร้างต่างกัน กระจุกเกิดขึ้นเองและสลายตัวไปเอง โครงสร้างทั้งหมดของน้ำมีชีวิตและเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และเวลาที่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นนั้นสั้นมาก นักวิจัยได้ติดตามการเคลื่อนไหวของโมเลกุลและพบว่าพวกมันมีการสั่นสะเทือนที่ผิดปกติด้วยความถี่ประมาณ 0.5 ps และแอมพลิจูด 1 อังสตรอม อังสตรอมกระโดดช้าๆ ที่หายากซึ่งคงอยู่เป็นเวลาพิโควินาทีก็ถูกสังเกตเช่นกัน โดยทั่วไปใน 30 ps โมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้ 8-10 อังสตรอม อายุการใช้งานของสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นก็สั้นเช่นกัน บริเวณที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีค่าปริมาตรใกล้เคียงกันของรูปทรงหลายเหลี่ยม Voronoi สามารถสลายตัวได้ใน 0.5 ps หรือสามารถมีชีวิตอยู่ได้หลาย picoseconds แต่การกระจายอายุของพันธะไฮโดรเจนนั้นมีมาก แต่ครั้งนี้ไม่เกิน 40 ps และค่าเฉลี่ยอยู่ที่หลาย ps

โดยสรุปก็ควรเน้นย้ำว่า ทฤษฎีโครงสร้างกระจุกน้ำมีข้อผิดพลาดหลายประการตัวอย่างเช่น ซีนินเสนอว่าองค์ประกอบโครงสร้างหลักของน้ำคือกระจุกโมเลกุล 57 โมเลกุลที่เกิดจากการหลอมรวมของรูปทรงสิบสองหน้าสี่อัน พวกมันมีใบหน้าเหมือนกัน และตรงกลางเป็นรูปจัตุรมุขธรรมดา เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าโมเลกุลของน้ำสามารถอยู่ที่จุดยอดของรูปทรงสิบสองเหลี่ยมห้าเหลี่ยม รูปทรงสิบสองหน้าดังกล่าวเป็นพื้นฐานของแก๊สไฮเดรต ดังนั้นจึงไม่มีอะไรน่าแปลกใจในการสันนิษฐานว่ามีโครงสร้างดังกล่าวอยู่ในน้ำแม้ว่าจะมีการกล่าวไปแล้วว่าไม่มีโครงสร้างเฉพาะใดที่สามารถโดดเด่นและดำรงอยู่ได้เป็นเวลานาน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องแปลกที่ธาตุนี้ถือว่าเป็นธาตุหลักและมีโมเลกุลอยู่ถึง 57 โมเลกุลพอดี จากลูกบอล คุณสามารถประกอบโครงสร้างเดียวกันได้ ซึ่งประกอบด้วยรูปทรงสิบสองหน้าที่อยู่ติดกันและประกอบด้วยโมเลกุล 200 โมเลกุล เซนินอ้างว่ากระบวนการโพลิเมอไรเซชันสามมิติของน้ำหยุดที่ 57 โมเลกุล ในความเห็นของเขาไม่ควรมีผู้ร่วมงานที่ใหญ่กว่านี้ อย่างไรก็ตาม หากเป็นเช่นนั้น ผลึกน้ำแข็งหกเหลี่ยมซึ่งมีโมเลกุลจำนวนมากเชื่อมโยงกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ไม่สามารถตกตะกอนจากไอน้ำได้ ยังไม่ชัดเจนเลยว่าทำไมการเติบโตของกระจุกซีนินจึงหยุดที่ 57 โมเลกุล เพื่อหลีกเลี่ยงความขัดแย้ง เซนินจึงรวมกระจุกให้อยู่ในรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้น นั่นคือรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนซึ่งมีโมเลกุลเกือบพันโมเลกุล และกระจุกดั้งเดิมจะไม่สร้างพันธะไฮโดรเจนต่อกัน ทำไม โมเลกุลบนพื้นผิวแตกต่างจากโมเลกุลภายในอย่างไร? ตามข้อมูลของ Zenin รูปแบบของกลุ่มไฮดรอกซิลบนพื้นผิวของสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนช่วยให้จดจำน้ำได้ ด้วยเหตุนี้ โมเลกุลของน้ำในสารเชิงซ้อนขนาดใหญ่เหล่านี้จึงถูกตรึงอย่างแน่นหนา และตัวสารเชิงซ้อนเองก็อยู่นิ่งเช่นกัน ของแข็ง. น้ำดังกล่าวจะไม่ไหลและจุดหลอมเหลวซึ่งสัมพันธ์กับน้ำหนักโมเลกุลควรจะสูงมาก

แบบจำลองของซีนินอธิบายคุณสมบัติอะไรของน้ำ เนื่องจากแบบจำลองนี้ใช้โครงสร้างจัตุรมุข จึงสามารถสอดคล้องกับข้อมูลการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และการเลี้ยวเบนของนิวตรอนได้ไม่มากก็น้อย อย่างไรก็ตาม ไม่น่าเป็นไปได้ที่แบบจำลองจะสามารถอธิบายความหนาแน่นที่ลดลงระหว่างการหลอมละลายได้ เพราะการอัดตัวของรูปทรงสิบสองหน้านั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำแข็ง แต่สิ่งที่ยากที่สุดที่จะเห็นด้วยคือแบบจำลองที่มีคุณสมบัติไดนามิก - ความลื่นไหล ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในตัวเองที่มีค่ามาก ความสัมพันธ์ระยะสั้น และเวลาผ่อนคลายไดอิเล็กทริก ซึ่งวัดเป็นพิโควินาที

ปริญญาเอก โอ.วี. โมซิน

อ้างอิง:
จี.จี. มาเลนคอฟ. ความสำเร็จ เคมีกายภาพ, 2001
S.V.Zenin, B.M. โพลานูเออร์, B.V. ทยาลอฟ. หลักฐานการทดลองของการมีอยู่ของเศษส่วนของน้ำ ช. การแพทย์ชีวจิตและการฝังเข็ม 1997.No.2.P.42-46.
เอส.วี. เซนิน บี.วี. ทยาลอฟ. แบบจำลองไฮโดรโฟบิกของโครงสร้างร่วมของโมเลกุลน้ำ เจ. เคมีเชิงฟิสิกส์ พ.ศ. 2537 ต. 68 ลำดับ 4 หน้า 636-641
เอส.วี. เซนิน ศึกษาโครงสร้างของน้ำโดยใช้วิธีโปรตอนเรโซแนนซ์แม่เหล็ก ดอกล.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov ธรรมชาติของปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ การเกิดขึ้นของสาขาปฐมนิเทศใน สารละลายที่เป็นน้ำ. เจ. เคมีเชิงฟิสิกส์ พ.ศ. 2537 ต. 68 ลำดับ 3 หน้า 500-503
เอส.วี. เซนิน บี.วี. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. ชาบาโรวา การศึกษาปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในนิวคลีโอไทด์โดยใช้ NMR วัสดุการประชุม All-Union ครั้งที่ 2 โดยไดนามิก สเตอริโอเคมี โอเดสซา.1975.p.53.
เอส.วี. เซนิน. สถานะของน้ำที่มีโครงสร้างเป็นพื้นฐานในการควบคุมพฤติกรรมและความปลอดภัยของระบบสิ่งมีชีวิต วิทยานิพนธ์. วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต สถานะ ศูนย์วิทยาศาสตร์"สถาบันปัญหาทางการแพทย์และชีววิทยา" (SSC "IMBP") ได้รับการคุ้มครอง 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 p.
ในและ สเลซาเรฟ. รายงานความคืบหน้าการวิจัย

ความสำคัญของน้ำต่อชีวิตพืช

การบรรยายครั้งที่ 10. การแลกเปลี่ยนน้ำ

1. ความสำคัญของน้ำต่อชีวิตพืช

2. โครงสร้างและคุณสมบัติของน้ำ

3.การแลกเปลี่ยนน้ำในเซลล์พืช

3.1. รูปแบบของน้ำในเซลล์พืช

3.2. ศักยภาพของน้ำ ออสโมซิส การลำเลียงน้ำในเซลล์พืช

4. การดูดซึมน้ำออสโมติก

5. กลไกการเคลื่อนที่ของน้ำ

6. มอเตอร์ปลายบนและล่าง

7. การเคลื่อนตัวของน้ำผ่านเรือ

8. อิทธิพลของการขาดน้ำต่อกระบวนการทางสรีรวิทยา

9. คุณสมบัติของการแลกเปลี่ยนน้ำที่แตกต่างกัน กลุ่มสิ่งแวดล้อมพืช

ในเนื้อเยื่อพืช น้ำคิดเป็น 70-95% ของมวลอาคาร บทบาทของน้ำในสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีความหลากหลาย พิจารณาหน้าที่ของน้ำในวัตถุทางชีววิทยา:

สภาพแวดล้อมทางน้ำรวมทุกส่วนของร่างกายให้เป็นหนึ่งเดียว ในร่างกายของพืช น้ำเป็นตัวกลางต่อเนื่องตลอด ตั้งแต่น้ำที่รากดูดซึมไปจนถึงใบที่ระเหยน้ำออกสู่ชั้นบรรยากาศ

น้ำเป็นตัวทำละลายที่สำคัญที่สุดและเป็นสื่อกลางสำหรับปฏิกิริยาทางชีวเคมี

น้ำเกี่ยวข้องกับการเรียงลำดับโครงสร้างในเซลล์น้ำเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลโปรตีนซึ่งเป็นตัวกำหนดโครงสร้างของน้ำ

น้ำเป็นสารเมตาบอไลต์และมีส่วนร่วมโดยตรงในปฏิกิริยาทางชีวเคมี ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง น้ำคือตัวให้อิเล็กตรอน ซึ่งจำเป็นสำหรับการไฮโดรไลซิสและการสังเคราะห์สาร

น้ำเป็นองค์ประกอบหลักในระบบการขนส่งของพืช

น้ำเป็นปัจจัยในการควบคุมอุณหภูมิซึ่งช่วยปกป้องพืชจากความผันผวนของอุณหภูมิอย่างกะทันหัน

น้ำเป็นตัวดูดซับแรงกระแทกภายใต้ความเค้นเชิงกล

ด้วยปรากฏการณ์ออสโมซิสและเทอร์กอร์ทำให้มั่นใจได้ว่าสถานะยืดหยุ่นของเซลล์ (พืชทุกชนิดตามความสามารถในการควบคุมปริมาตรของความชื้นที่มีอยู่ในพืชนั้นแบ่งออกเป็น poikihydrothermic และ homeohydrothermic Poikihydrothermic - ไม่สามารถควบคุมปริมาตรของน้ำใน ในร่างกาย เช่น สาหร่าย พืชน้ำ เป็นต้น พืช Homeohydrothermic สามารถควบคุมปริมาณน้ำในร่างกายได้โดยใช้ปากใบ)

น้ำสามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวได้สามสถานะ: ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ในแต่ละรัฐโครงสร้างของน้ำจะไม่เหมือนกัน เมื่อแฟลชแช่แข็งด้วยไนโตรเจนเหลว โมเลกุลของน้ำจะไม่มีเวลาสร้างโครงผลึกและน้ำจะเข้าสู่สถานะคล้ายแก้วแข็ง (สถานะกลายเป็นแก้ว) คุณสมบัติของน้ำนี้ช่วยให้สิ่งมีชีวิตถูกแช่แข็งได้โดยไม่เกิดความเสียหาย สถานะผลึกของน้ำมีลักษณะเฉพาะด้วยรูปแบบที่หลากหลาย (เช่น เกล็ดหิมะ)

2.1. คุณสมบัติทางกายภาพของน้ำ

1. ความหนาแน่น.

ที่ 4 o C และความดัน 1 atm น้ำ 1 ซม. 3 หนัก 1 กรัม เหล่านั้น. ความหนาแน่นของน้ำคือ 1 เมื่อแช่แข็งปริมาตรน้ำจะเพิ่มขึ้น 11%

2. จุดเดือดและจุดเยือกแข็ง.

ที่ความดัน 1 atm จุดเดือดของน้ำคือ 100 o C จุดเยือกแข็งคือ 0 o C เมื่อความดันเพิ่มขึ้น จุดเยือกแข็งจะลดลงทุกๆ 130 atm 1 o C และจุดเดือดเพิ่มขึ้น

3. ความร้อนของการหลอมละลาย

ความร้อนของการหลอมรวมของน้ำแข็งคือ 0.335 กิโลจูล/ชม. น้ำแข็งที่ ความดันปกติสามารถมีอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -1 ถึง -7 o C ความร้อนของการระเหยของน้ำคือ 2.3 kJ/h

4. ความจุความร้อน.

ความจุความร้อนของน้ำสูงกว่าสารอื่นๆ 5-30 เท่า ความจุความร้อนคือปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ 1 o C คุณลักษณะของน้ำนี้อธิบายได้โดยการยึดเกาะของโมเลกุลซึ่งกันและกัน (การทำงานร่วมกัน) เนื่องจากพันธะไฮโดรเจน

5. แรงตึงผิวและการยึดเกาะ

แรงตึงผิวถูกสร้างขึ้นบนผิวน้ำ (เนื่องจากความสามารถในการเกาะตัวกันของโมเลกุล) น้ำยังมีคุณสมบัติในการยึดเกาะ (การเกาะติด) ซึ่งจำเป็นเมื่อน้ำลอยขึ้นต้านแรงโน้มถ่วง

น้ำสามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวได้ 3 สถานะ ได้แก่ ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง ในแต่ละรัฐโครงสร้างของน้ำจะไม่เหมือนกัน น้ำจะได้คุณสมบัติใหม่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารที่อยู่ในนั้น สถานะของแข็งของน้ำยังมาในอย่างน้อยสองประเภท: ผลึก - น้ำแข็งและไม่ใช่ผลึก - คล้ายแก้ว, อสัณฐาน (สถานะ vitrification) เมื่อแช่แข็งแบบแฟลชโดยใช้ไนโตรเจนเหลว เช่น โมเลกุลจะไม่มีเวลาสร้างโครงผลึก และน้ำจะมีสถานะเป็นแก้วแข็ง คุณสมบัติของน้ำนี้เองที่ช่วยให้สิ่งมีชีวิต เช่น สาหร่ายเซลล์เดียว ใบของมอส Mnium ที่ประกอบด้วยเซลล์สองชั้น ถูกแช่แข็งโดยไม่เกิดความเสียหาย การแช่แข็งด้วยการก่อตัวของน้ำที่เป็นผลึกทำให้เซลล์ถูกทำลาย

สถานะผลึกของน้ำมีลักษณะหลากหลายรูปแบบ เป็นที่สังเกตมานานแล้วว่าโครงสร้างผลึกของน้ำมีลักษณะคล้ายเรดิโอลาเรีย ใบเฟิร์น และซีสต์ ในโอกาสนี้ A. A. Lyubishchev แนะนำว่ากฎของการตกผลึกค่อนข้างคล้ายกับกฎการก่อตัวของโครงสร้างสิ่งมีชีวิต

คุณสมบัติทางกายภาพของน้ำ น้ำเป็นสารที่มีความผิดปกติมากที่สุด แม้ว่าจะใช้เป็นตัววัดความหนาแน่นและปริมาตรมาตรฐานสำหรับสารอื่นๆ ก็ตาม

ความหนาแน่น. สารทั้งหมดจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อน ในขณะที่ความหนาแน่นก็ลดลง อย่างไรก็ตามที่ความดัน 0.1013 MPa (1 atm.) ในน้ำในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 4 0 C เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นปริมาตรจะลดลงและสังเกตความหนาแน่นสูงสุด (ที่อุณหภูมินี้น้ำ 1 ซม. 3 มี มวล 1 กรัม) เมื่อกลายเป็นน้ำแข็ง ปริมาตรของน้ำจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว 11% และเมื่อน้ำแข็งละลายที่อุณหภูมิ 0°C ก็จะลดลงอย่างรวดเร็วเช่นกัน เมื่อความดันเพิ่มขึ้น จุดเยือกแข็งของน้ำจะลดลงทุกๆ 13.17 MPa (130 atm.) 1 0 C ดังนั้น ที่ ความลึกมากที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำในมหาสมุทรจะไม่กลายเป็นน้ำแข็ง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 100 0 C ความหนาแน่นของน้ำของเหลวจะลดลง 4% (ที่ 4 ° C ความหนาแน่นคือ 1)

จุดเดือดและจุดเยือกแข็ง (ละลาย) ที่ความดัน 0.1013 MPa (1 atm.) จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 0°C และ 100°C ซึ่งทำให้ H20 แตกต่างอย่างชัดเจนจากสารประกอบไฮโดรเจนที่มีองค์ประกอบของกลุ่ม VI ของระบบธาตุของ Mendeleev ในซีรีส์ H2Te, H2Se, H2S เป็นต้น เมื่อน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์เพิ่มขึ้น จุดเดือดและจุดเยือกแข็งของสารเหล่านี้จะเพิ่มขึ้น หากปฏิบัติตามกฎนี้ น้ำจะต้องมีจุดเยือกแข็งระหว่าง - 90 ถึง - 120 ° C และมีจุดเดือดระหว่าง 75 ถึง 100 ° C จุดเดือดของน้ำจะเพิ่มขึ้นตามความดันที่เพิ่มขึ้น และจุดเยือกแข็ง (หลอมละลาย) จะลดลง (ภาคผนวก 1)

ความร้อนของการหลอมรวม ความร้อนแฝงของการหลอมละลายของน้ำแข็งจะสูงมาก - ประมาณ 335 J/g (สำหรับเหล็ก - 25, สำหรับกำมะถัน - 40) คุณสมบัตินี้แสดงออกมาเช่นในความจริงที่ว่าน้ำแข็งที่ความดันปกติสามารถมีอุณหภูมิได้ตั้งแต่ - 1 ถึง - 7 ° C ความร้อนแฝงของการระเหยของน้ำ (2.3 กิโลจูล/กรัม) สูงกว่าเกือบ 7 เท่า ความร้อนแฝงละลาย

ความจุความร้อน. ความจุความร้อนของน้ำ (เช่น ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ 1 °C) สูงกว่าสารอื่น 5 ถึง 30 เท่า มีเพียงไฮโดรเจนและแอมโมเนียเท่านั้นที่มีความจุความร้อนสูงกว่า นอกจากนี้ เฉพาะน้ำของเหลวและปรอทเท่านั้นที่มีความจุความร้อนจำเพาะซึ่งจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจาก 0 ถึง 35°C (จากนั้นเริ่มเพิ่มขึ้น) ความร้อนจำเพาะน้ำที่อุณหภูมิ 16°C จะถูกนำไปใช้ตามปกติเป็นหน่วย ซึ่งทำหน้าที่เป็นมาตรฐานสำหรับสารอื่นๆ เนื่องจากความจุความร้อนของทรายน้อยกว่าน้ำของเหลว 5 เท่า จากนั้นด้วยความร้อนจากดวงอาทิตย์เท่ากัน น้ำในอ่างเก็บน้ำจึงร้อนน้อยกว่าทรายบนฝั่ง 5 เท่า แต่ยังคงความร้อนได้นานกว่าเท่าเดิม ความจุความร้อนสูงของน้ำช่วยปกป้องพืชจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันในระหว่างนั้น อุณหภูมิสูงอากาศและความร้อนสูงของการกลายเป็นไอมีส่วนเกี่ยวข้องกับการควบคุมอุณหภูมิในพืช

จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงและความจุความร้อนสูงบ่งบอกถึงแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลข้างเคียงที่แข็งแกร่ง ซึ่งส่งผลให้น้ำของเหลวมีการทำงานร่วมกันภายในสูง

น้ำเป็นตัวทำละลาย ขั้วของโมเลกุลของน้ำเป็นตัวกำหนดความสามารถในการละลายสารได้ดีกว่าของเหลวอื่นๆ การละลายผลึกของเกลืออนินทรีย์เกิดขึ้นเนื่องจากการให้ความชุ่มชื้นของไอออนที่เป็นส่วนประกอบ ละลายได้ดีในน้ำ อินทรียฺวัตถุด้วยคาร์บอกซิลไฮดรอกซิล คาร์บอนิลและกลุ่มอื่นๆ ที่น้ำเกิดพันธะไฮโดรเจน (เพิ่ม.1)

น้ำในพืชพบได้ทั้งในสภาวะอิสระและขอบเขต (ภาคผนวก 2) น้ำฟรีเป็นมือถือ มีเกือบทุกอย่าง ทางกายภาพ คุณสมบัติทางเคมีน้ำบริสุทธิ์แทรกซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ดี มีโปรตีนเมมเบรนพิเศษที่สร้างช่องทางภายในเมมเบรนที่สามารถซึมผ่านน้ำได้ (aquaporins) น้ำอิสระจะเข้าสู่ปฏิกิริยาทางชีวเคมีต่างๆ ระเหยในระหว่างการคายน้ำ และกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำ

น้ำที่เกาะตัวกัน - มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพส่วนใหญ่อันเป็นผลมาจากอันตรกิริยากับส่วนประกอบที่ไม่ใช่น้ำ ตามอัตภาพ น้ำที่ถูกผูกไว้จะถูกมองว่าเป็นน้ำที่ไม่กลายเป็นน้ำแข็งเมื่ออุณหภูมิลดลงถึง - 10°C

น้ำที่เกาะติดในพืชคือ:

1) ผูกพันออสโมติก

2) การจับกับคอลลอยด์

3) เชื่อมต่อเส้นเลือดฝอย

น้ำที่ถูกพันธะออสโมติกจะถูกจับกับไอออนหรือสารที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ น้ำให้ความชุ่มชื้นแก่สารที่ละลาย - ไอออน, โมเลกุล น้ำจับตัวกันด้วยไฟฟ้าสถิตและสร้างชั้นโมเลกุลเดี่ยวของไฮเดรชั่นปฐมภูมิ Vacuolar SAP ประกอบด้วยน้ำตาล กรดอินทรีย์และเกลือ แคตไอออนและแอนไอออนของอนินทรีย์ สารเหล่านี้กักเก็บน้ำไว้ในลักษณะออสโมติก

น้ำที่จับกับคอลลอยด์ - รวมถึงน้ำที่อยู่ภายในระบบคอลลอยด์และน้ำที่อยู่บนพื้นผิวของคอลลอยด์และระหว่างพวกมัน เช่นเดียวกับน้ำที่ตรึงไว้ การตรึงการเคลื่อนที่คือการจับตัวของน้ำเชิงกลในระหว่างการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่หรือสารเชิงซ้อนของพวกมัน โดยมีน้ำล้อมรอบอยู่ในพื้นที่จำกัดของโมเลกุลขนาดใหญ่ น้ำที่จับกับคอลลอยด์จำนวนมากตั้งอยู่บนพื้นผิวของไฟบริลของผนังเซลล์ เช่นเดียวกับในไบโอคอลลอยด์ของไซโตพลาสซึมและเมทริกซ์ของโครงสร้างเมมเบรนของเซลล์

น้ำที่ให้ความชุ่มชื้นแก่อนุภาคคอลลอยด์ (โปรตีนเป็นหลัก) เรียกว่าการจับกับคอลลอยด์ และตัวถูกละลาย (เกลือแร่ น้ำตาล กรดอินทรีย์ ฯลฯ) เรียกว่าการจับกับออสโมโมติก นักวิจัยบางคนเชื่อว่าน้ำทั้งหมดในเซลล์มีความผูกพันกับระดับหนึ่งหรืออีกระดับหนึ่ง นักสรีรวิทยามักเข้าใจว่าน้ำที่ถูกผูกไว้นั้นเป็นน้ำที่ไม่กลายเป็นน้ำแข็งเมื่ออุณหภูมิลดลงถึง -10 °C สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าการจับกันของโมเลกุลของน้ำ (การเติมตัวถูกละลาย ปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ ฯลฯ) จะช่วยลดพลังงานของพวกมัน นี่คือสาเหตุที่ทำให้ศักยภาพน้ำของเซลล์ลดลงเมื่อเทียบกับน้ำบริสุทธิ์

ปริมาณน้ำในอวัยวะต่างๆ ของพืชแตกต่างกันไปภายในขอบเขตที่ค่อนข้างกว้าง มันเปลี่ยนแปลงไปตามเงื่อนไข สภาพแวดล้อมภายนอกอายุและชนิดของพืช ดังนั้นปริมาณน้ำในใบผักกาดหอมคือ 93-95% ข้าวโพด - 75-77% ปริมาณน้ำไม่เท่ากัน อวัยวะที่แตกต่างกันพืช: ใบทานตะวันมีน้ำ 80-83% ลำต้น - 87-89% ราก - 73-75% ปริมาณน้ำ 6-11% เป็นเรื่องปกติสำหรับเมล็ดพืชตากแห้งเป็นหลัก ซึ่งยับยั้งกระบวนการสำคัญต่างๆ น้ำบรรจุอยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต องค์ประกอบของไซเลมที่ตายแล้ว และช่องว่างระหว่างเซลล์ ในช่องว่างระหว่างเซลล์ น้ำมีสถานะเป็นไอ อวัยวะระเหยที่สำคัญของพืชคือใบ ในเรื่องนี้ก็เป็นธรรมดาที่ จำนวนมากที่สุดน้ำเติมช่องว่างระหว่างเซลล์ของใบไม้ ในสถานะของเหลว น้ำจะพบได้ในส่วนต่างๆ ของเซลล์ ได้แก่ เยื่อหุ้มเซลล์ แวคิวโอล โปรโตพลาสซึม แวคิวโอลเป็นส่วนที่มีน้ำมากที่สุดของเซลล์ โดยมีเนื้อหาถึง 98% ที่ปริมาณน้ำสูงสุด ปริมาณน้ำในโปรโตพลาสซึมคือ 95% ปริมาณน้ำที่ต่ำที่สุดเป็นลักษณะของเยื่อหุ้มเซลล์ การระบุปริมาณน้ำในเยื่อหุ้มเซลล์เชิงปริมาณเป็นเรื่องยาก เห็นได้ชัดว่ามีตั้งแต่ 30 ถึง 50%

รูปแบบของน้ำใน ส่วนต่างๆเซลล์พืชก็แตกต่างกันเช่นกัน น้ำเลี้ยงเซลล์แวคิวโอลาร์ถูกครอบงำด้วยน้ำที่กักเก็บโดยสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างต่ำ (ที่จับกับออสโมติก) และน้ำอิสระ ในเปลือกของเซลล์พืช น้ำส่วนใหญ่ถูกพันธะด้วยสารประกอบโพลีเมอร์สูง (เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส สารเพคติน) เช่น น้ำที่จับกับคอลลอยด์ ในไซโตพลาสซึมนั้นมีน้ำอิสระจับกันแบบคอลลอยด์และออสโมติก น้ำที่อยู่ห่างจากพื้นผิวของโมเลกุลโปรตีนถึง 1 นาโนเมตรจะถูกจับกันอย่างแน่นหนาและไม่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมปกติ (น้ำที่จับกันแบบคอลลอยด์) นอกจากนี้โปรโตพลาสซึมยังมีไอออนอยู่จำนวนหนึ่ง ดังนั้นส่วนหนึ่งของน้ำจึงถูกพันธะออสโมติก

ความสำคัญทางสรีรวิทยาของน้ำที่เป็นอิสระและถูกผูกไว้นั้นแตกต่างกัน นักวิจัยส่วนใหญ่เชื่อว่าความเข้มข้นของกระบวนการทางสรีรวิทยา รวมถึงอัตราการเจริญเติบโต ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำอิสระเป็นหลัก มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างปริมาณน้ำที่ถูกผูกไว้กับความต้านทานของพืชต่อสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ สภาพภายนอก. ความสัมพันธ์ทางสรีรวิทยาเหล่านี้ไม่ได้ถูกสังเกตเสมอไป