Физики упорядочили электродипольную решетку молекул воды

Схематическое изображение электродипольной решетки молекул воды в упорядоченном состоянии.

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Физики экспериментально обнаружили переход группы молекул воды, размещенных в полостях кристаллической решетки кордиерита, в состояние, при котором электрические диполи этих молекул образуют упорядоченную структуру. Результат важен как с фундаментальной точки зрения — надежное экспериментальное наблюдение таких фазовых переходов в лаборатории ранее представляло трудности, так и с практической — упорядоченные электродипольные решетки молекул воды могут найти применение в области наноэлектроники (в том числе биосовместимой), а также помочь ученым в создании искусственных квантовых систем.

Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Когда возникает необходимость описывать электромагнитное поле сложных систем (как, например, молекулы) на расстояниях, которые значительно превышают размеры самой системы, физики пользуются дипольным приближением. В таком приближении роль реального объекта выполняет простая идеализированная система — диполь, причем поле (магнитное или электрическое) диполя с требуемой точностью соответствует настоящему и описывается векторной физической величиной — дипольным моментом.

Таким образом, для исследования электромагнитных свойств вещества бывает удобно рассматривать его как группу молекул, каждая из которых обладает неким дипольным моментом. При создании особых условий — например, приложении внешнего поля или охлаждении, диполи могут выстраиваться в упорядоченные структуры, а само вещество при этом — проявлять недоступные в стандартном состоянии свойства, которые удобно использовать на практике. На сегодняшний день упорядоченные состояния в большом количестве известны для систем магнитных диполей, в то время как экспериментальные исследования электрических — менее обширны и по-прежнему остаются сложной задачей.

Ученые из Германии, России, Чехии и Японии под руководством Михаила Белянчикова (M. A. Belyanchikov) из Московского физико-технического института экспериментально обнаружили и исследовали одно из упорядоченных состояний у электродипольной решетки воды — системы из регулярно расположенных в пространстве молекул H₂O. Благодаря распространенности этой жидкости в окружающей среде, поиск таких конфигураций представляет интерес, в том числе, с позиции изучения природных систем и развития биосовместимых технологий. Тем не менее в условиях лаборатории группы молекул H

2O в виде стандартной жидкости или льда не удается перевести в требуемое состояние — этому препятствуют водородные связи — электростатические взаимодействия между молекулами, которые не дают дипольным моментам выстраиваться в нужную конфигурацию.

Чтобы преодолеть влияние водородных связей, физики разместили молекулы воды в наноразмерных (миллионные доли миллиметра) порах природного кристалла кордиерита — в результате расстояние между молекулами составило 5–10 ангстрем (один ангстрем составляет десятимиллионную часть миллиметра и приблизительно соответствует расстоянию между кислородом и водородом в молекуле воды), в то время как водородные связи проявляются на масштабе 1–2 ангстрем.

При этом сохранилось дальнее взаимодействие между электрическими дипольными моментами, которое характерно для расстояний в 10–100 ангстрем — молекулы воды образовали трехмерную электродипольную решетку.

Кристаллическая структура кордиерита (слева) и расположение в полостях этой структуры молекул воды (в центре и справа)

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Готовый образец авторы охлаждали (вплоть до температуры в 0,3 кельвин), а также подвергали воздействию внешнего электрического поля с частотами в диапазоне от герц до мегагерц и в области терагерц, измеряя при этом диэлектрическую проницаемость, теплоемкость, поляризацию образца и возникающий пироэлектрический ток. Те же измерения ученые проводили для кристалла без участия молекул воды — таким образом исследователям удалось извлечь из данных эксперимента информацию о том, как на изменения температуры и внешнего поля реагирует отдельно взятая электродипольная решетка.

Для интерпретации результатов опыта физики использовали также компьютерные симуляции, моделируя взаимодействие системы диполей в диапазоне температур 0,001–300 кельвин и наблюдая за образующейся наноразмерной структурой.

В результате авторам удалось надежно обнаружить сегнетоэлектрический фазовый переход типа «порядок — беспорядок» в электродипольной решетке вблизи 3 кельвин — около этой температуры диэлектрические и термодинамические характеристики группы молекул воды, которые физики измеряли в эксперименте, претерпевали характерные для такого перехода изменения.

Схематическое изображение упорядоченного состояния электродипольной решетки. Стрелками обозначены дипольные моменты отдельных молекул, красные плоскости отвечают сегнетоэлектрическому порядку, синяя — антисегнетоэлектрическому

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Компьютерные симуляции также продемонстрировали открытый в ходе опыта фазовый переход, а также позволили исследователям установить взаимную ориентацию дипольных моментов в решетке. Оказалось, что полученная структура сочетает в себе два различных вида упорядоченности (проявляющихся в разных плоскостях кристалла): сегнетоэлектрический, при котором дипольные моменты сонаправлены, и антисегнетоэлектрический, при котором направления дипольных моментов в соседних цепочках противоположны.

По словам ученых, наряду с фундаментальной значимостью исследование имеет потенциал и для практического применения — воспроизведение упорядоченных состояний молекул воды в условиях лаборатории, вероятно, позволит достичь лучшего понимания явлений окружающей среды и поможет в создании устройств биосовместимой наноэлектроники.

От редактора

Изначально в заметке ошибочно сообщалось, что исследование опубликовано в Nature, но на самом деле статья вышла в Nature Communications.

Различные фазовые переходы часто становятся предметом исследования разных областей физики. Так, в прошлом году ученые предсказали преобразование формы звездных скоплений вокруг черной дыры, а в позапрошлом — впервые увидели переход азота в жидкое металлическое состояние.

Николай Мартыненко

Красноярские физики исследовали сверхбыстрый распад молекулы воды

Ученые изучают молекулярную структуру вещества с помощью спектроскопии. Для этого молекулы облучают мощным пучком рентгеновского излучения, создаваемым на синхротроне. Рентгеновские лучи, проходя через вещество, рассеиваются и регистрируются специальным детектором, спектрометром. При этом рассеяние происходит на электронной части молекулы — «облаке» электронов. Согласно принципу Франка — Кондона, возбуждение «облака» электронов в молекуле происходит мгновенно. Поэтому молекула, как принято было считать, не успевает изменить свою конфигурацию при распаде.

«Ученые из СФУ совместно с коллегами из Швеции описали распад молекулы воды при воздействии на нее рентгеновского излучения. Они показали, что атомы в ней разделяются очень быстро и это движение можно заметить по изменению спектра излучения. Таким образом, доказывается, что в молекуле воды, которая состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, приближение Франка — Кондона нарушается за счет сверхбыстрого отделения атома водорода в ходе диссоциации, то есть распада молекулы», — говорится в сообщении СФУ.

По словам ученых, результаты исследования, которое выполнено при поддержке Российского научного фонда, в дальнейшем можно использовать для изучения свойств конкретных материалов на молекулярном уровне, в частности, для управления различными химическими реакциями и для создания материалов с заданными свойствами.

«Данные о параметрах и механизмах процессов, происходящих при отрыве атома водорода от молекулы, очень важны для применения и в химии, и в физике, хотя полученные теоретические выкладки еще предстоит проверить экспериментально», — сказал российский физик-теоретик, ведущий научный сотрудник СФУ, профессор Стокгольмского королевского университета Фарис Гельмуханов, слова которого приводятся в сообщении.

Опровергнута самая популярная теория строения воды

Учёные СФУ совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Вода — одно из самых распространённых, но в то же время необычных веществ на Земле. Она обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых её особой структурой, например, высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н₂О, объединённых в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры (группы молекул, связанных водородными связями) молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве. Многие учёные считают, что вода — постоянно изменяющаяся смесь кластеров лёгкого и тяжёлого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам лёгкого и тяжёлого типов.

Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе. Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.

Второй не менее важный результат этой работы — получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия — общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.

«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследований необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с её окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и её теплоёмкость», — дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.

В работе также приняли участие учёные из Университета Потсдама (Германия), Университета Цюриха (Швейцария) и Университета Турку (Финляндия).

Рисунки

• A) Молекула воды, поглотив фотон, возбуждается из основного состояния (0) в высоковозбуждённое диссоциативное состояние (с), где атом водорода быстро покидает точку равновесия. В процессе диссоциации возбуждённая молекула возвращается в основное (0) или конечное состояние (f) испуская другой фотон и формируя спектр вблизи 535 эВ и 526 эВ, соответственно.
• Б) рентгеновский спектр поглощения воды.
• B) Спектры испускания c→f и c→0 вблизи 526 эВ и 535 эВ, соответственно. Эмиссионный спектр c→f вблизи 525 эВ показывает динамическое формирование (в процессе диссоциации) дублета с расщеплением Δ (см. панель A). При возвращении молекулы в основное состояние c→0 в процессе диссоциации заселяются высокие колебательные уровни, что формирует протяжённую колебательную прогрессию в районе 535 эВ.
• Г) В работе решена обратная задача восстановления из колебательной прогрессии распределения OH-потенциалов воды в жидкой фазе.

Пресс-служба РНФ, пресс-служба СФУ, 15 апреля 2019 г.

Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды

30. 01.2018

Структура воды, несмотря на многочисленные исследования, продолжает вызывать интерес учёных. Сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск) и Института сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) решили изучить молекулы воды методами широкополосной терагерцовой спектроскопии. Статья об этом вышла в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.

Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.

Рис. 1. Молекула воды в двух спиновых состояниях

«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».

Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования.

Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.

Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-H₂O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.

Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.

Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.

Рис. 2. Сравнение экспериментального и теоретического спектров
поглощения паров воды в атмосфере

Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.

Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащённые изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.

 

Дополнительно по теме:

Эффективный метод для изучения молекул воды (pdf) – Наука в Сибири, 2018, № 8 (3119), с. 7, 1 марта 2018.

Сибирские ученые разработали эффективный метод для изучения молекул воды – Наука в Сибири (sbras.info), Новосибирск, 29 января 2018.

Сибирские ученые изучают молекулы воды методом широкополосной спектроскопии – Infopro54.ru, Новосибирск, 29 января 2018.

Новосибирские и томские ученые разработали эффективный метод изучения молекул воды – БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), Новосибирск, 29 января 2018.

Новосибирские и томские ученые разработали эффективный метод изучения молекул воды – РИА Сибирь (ria-sibir.ru), Новосибирск, 29 января 2018.

Сибирские ученые разработали эффективный метод для изучения молекул воды – Новости сибирской науки (sib-science.info), Новосибирск, 29 января 2018.

Два вида воды получат новосибирские ученые – Все новости Новосибирской области (vn.ru), Новосибирск, 30 января 2018.

Два вида воды изучают новосибирские ученые – Новости@Rambler.ru, Москва, 30 января 2018.

Сибирские ученые разработали эффективный метод для изучения молекул воды – Российский научный фонд (рнф. рф), Москва, 30 января 2018.

Сибирские учёные нашли новый способ изучения молекул воды – Федеральное агентство научных организаций (fano.gov.ru), Москва, 06 февраля 2018.

Сибирские ученые нашли новый способ изучения молекул воды – Ivest.kz, Степногорск, 6 февраля 2018.

Сибирские ученые нашли новый способ изучения молекул воды – ИА Ореанда-Новости, Санкт-Петербург, 6 февраля 2018.

В Сибири изучили молекулы воды с помощью терагерцовой спектроскопии – Реактор (reactor.space), Москва, 7 февраля 2018.

 

Материал в формате pdf

Строение вещества — урок. Физика, 7 класс.

Мельчайшей частицей вещества, которая определяет все свойства данного вещества, является молекула.

Молекула состоит из атомов. Число атомов и их распределение в молекуле является различным. В природе существует немногим более сотни атомов различного вида. Элементы обобщены и расположены в периодической таблице химических элементов, им даны наименования, например: водород, азот, углерод.

 

 

Молекулы одного и того же вещества одинаковы.

Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

  

  

Молекулы вещества находятся в непрерывном движении.

Движение частиц вещества называют тепловым движением.

Чем выше температура вещества, тем быстрее движение молекул.

Твёрдые вещества

В твёрдых веществах атомы или молекулы расположены близко друг к другу, и в результате их взаимодействия могут происходить только колебательные движения около определённой точки.

  

 

В твёрдых кристаллических веществах атомы расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Кристаллическим веществом является поваренная соль (атомы натрия — красного цвета, атомы хлора — синего).

 

 

В твёрдых аморфных веществах атомы расположены беспорядочно. Аморфными веществами являются смола, янтарь.

В жидкостях расстояние между молекулами больше, чем в твёрдых веществах, и движение молекул свободнее.

 

 

Расположение молекул воды

Молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга. Поэтому взаимодействие молекул газа не учитывается. Пространство между молекулами позволяет сильно сжимать газы.

 

 

Молекулы водяного пара

 

Другие видеоуроки по школьной программе смотрите на InternetUrok.ru

 

Газ не имеет своей формы. Газ заполняет весь предоставленный объём, легко смешивается с другими газами. Энергия газа заключена в скорости движения его молекул. Каждая молекула пролетает большое расстояние, прежде чем столкнётся с другой молекулой или стенкой сосуда. Если молекулы находятся на очень большом расстоянии, то силы между ними уже не действуют.

 

Интересное видео «Взаимодействие молекул»:

Другие видеоуроки по школьной программе смотрите на InternetUrok.ru

Принципы работы МРТ. Центр МРТ Верум в Ижевске

МРТ является одной из наиболее часто используемых технологий обработки изображений, хотя это относительно новая технология. Первая статья об этой технологии опубликована в 1973 году. Через год после этого первое изображение поперечного сечения живой мыши. Технология была впервые использована на человеческом теле в 1977 году, а с другой стороны, первое рентгеновское изображение человека было получено в 1895 году.

Возникновение технологии МРТ обусловлено большим развитием ядерного магнитного резонанса. Вот почему в первые годы эта технология называлась ядерной магнитно-резонансной томографией (ЯМРТ). Тем не менее, одна важная вещь о МРТ, о которой следует упомянуть, заключается в том, что эта технология не так опасна, как ее звук.

Физические принципы МРТ

Известно, что более 70% человеческого тела образованы молекулами воды, каждая из которых содержит два ядра водорода или протоны. Это означает, что почти в каждом человеческом органе и тканях содержится большое количество молекул воды. Между тем, ученые выяснили, что магнитные моменты некоторых протонов в молекулах воды совпадают с направлением поля, когда он был помещен в сильное магнитное поле. Это привело к тому, что это явление можно использовать для разработки новой передовой медицинской технологии обработки изображений, поэтому была изобретена МРТ. Конечно, чтобы получить изображение человеческого тела, следует использовать другие устройства и технологии.

Прежде всего, необходимо создать очень мощное магнитное поле. Чтобы создать это сильное магнитное поле, нам нужен радиочастотный передатчик. Функция этого устройства заключается в создании электромагнитного поля. Когда большое количество электронов, протекающих по металлическому кольцу вокруг устройства МРТ, генерируется сильное магнитное поле. Проще говоря, фотоны этого поля имеют только правую энергию, известную как резонансная частота, для переворота спина выровненных протонов. Чем более мощная и продолжительная продолжительность поля, тем больше будут задействованы совпадающие спины. Протон начнет распадаться в исходное состояние спин-вниз, и во время этой процедуры фотоны будут выпущены. Именно эта связь между напряженностью поля и частотой позволяет использовать ядерный магнитный резонанс для визуализации. Для различных частей тела человека может быть применено дополнительное магнитное поле, обеспечивающее простой способ контроля, где протоны активируются радиофотонами. Следует упомянуть, что когда градиентные катушки создают мощное магнитное поле, во время работы будут большие шумы. Поэтому необходимо предпринять некоторые усилия для уменьшения этого шума, в противном случае он может достичь приблизительно 130 децибел (порог человеческой боли), что будет очень вредно для человеческого организма

Принцип, по которому можно построить изображения, состоит в том, что различные органы или ткани внутри человеческого тела имеют разное количество молекул воды, поэтому различные положения человеческого тела возвращаются в равновесное состояние с разной скоростью. Используя компьютер для расчета, можно получить изображения органов и тканей. Иногда для визуализации МРТ можно использовать метод инъекции, который называется контрастными агентами. Контрастные агенты можно вводить внутривенно или непосредственно в сустав. Первый метод может помочь улучшить появление кровеносных сосудов, опухолей или воспаления. Второй способ сродни артрографии. МРТ широко используется для получения изображений большинства частей человеческого тела.

Применение МРТ

В медицинской области, МРТ-технология используется для обнаружения тканей, которые имеют патологические проявления, например опухоли. Используя эту технологию, нормальные ткани и патологические ткани можно легко отличить, потому что МРТ имеет лучшее контрастное разрешение (способность различать между двумя произвольно подобными, но не идентичными тканями), чем КТ. Еще одна важная причина, по которой используется МРТ, заключается в том, что, не как компьютерная томография и традиционный рентгеновский снимок, МРТ использует сильные магнитные поля и неионизирующее излучение, и нет убедительных доказательств того, что эта технология может принести любой ущерб здоровью человека.

У МРТ есть особое преимущество, что он может определять внутреннее строение человеческого тела без каких-либо разрезов. Хотя технология МРТ несколько дороже для обычной клиники для ежедневной работы, но процедура МРТ очень эффективна, что делает ее привлекательной.

Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:

• воспаление или инфекция в органе;
• дегенеративные заболевания;
• инсульты;
• мышечно-скелетные расстройства;
• опухоли;
• другие нарушения, которые существуют в тканях или органах в их теле.

Магнитно-резонансная томография в настоящее время получила широкое распространение в медицине, как наиболее информативный и не инвазивный метод диагностики патологии различных органов и систем. Томограф представляет собой большой магнит, по силе которого сканеры разделяются на низкопольные (до 0.5Тл), среднепольные (от 0.5Тл до 1.0Тл), высокопольные (от 1.0 до 3.0Тл) и сверхвысокопольные (более 3.0Тл). Наибольшее распространение в клинической практике получили 1.5Тл томографы, в большинстве случаев позволяющие получить исчерпывающую информацию о структуре тканей и органов. В основе МР-томографии лежит ряд основных принципов.

Для получения изображения, в ходе исследования в теле человека создается временное магнитное поле, направление которого изменяется из-за воздействия радиочастотных сигналов, что сопровождается выделением энергии, которая считывается томографом и конвертируется в изображение. Этот процесс не несет лучевой нагрузки, по этой причине количество МР-исследований в течение жизни человека не ограничено.

Процесс получения изображений при МР-томографии более длительный по сравнению с другими исследованиями (УЗ-диагностика, рентген и КТ), в среднем сканирование одной области составляет около 30 минут, на протяжении которого пациент должен лежать неподвижно. Высокопольные МР-системы (1.5Тл) обладают сравнительно быстрой способностью получения и обработки изображения.

Дискомфорт во время исследования могут принести громкие звуковые сигналы, образующиеся в ходе работы томографа, что являются особенностью метода (для комфортного прохождения процедуры и защиты органов слуха используются защитные наушники). При длительном сканировании радиочастотное излучение может вызвать у пациента чувство жара, для предотвращения чрезмерного нагрева тканей в современных томографах установлена защита, ограничивающая силу радиочастотного импульса, в соответствии с международными стандартами безопасности.

МР-томографы подразделяются на «открытый» и «закрытый» типы. Для первого вида характерно отсутствие замкнутой апертуры, что играет важную роль для пациентов с клаустрофобией, но такие томографы обладают низкой силой магнитного поля, а, следовательно, и разрешением, кроме того исследования выполняются более длительное время. Абсолютное большинство томографов в клинической практике закрытого типа, в которых пациент почти полностью находится в закрытой апертуре, что позволяет добиться высокой разрешающей способности и скорости сканирования, но не всегда подходят для пациентов с клаустрофобией.

Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды

Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.

«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».

Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования. Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.

Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-h3O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.

Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.

Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.

Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.

Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащенные изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.

Вода — полярная молекула | Глава 5: Молекула воды и растворение

Покажите студентам примеры притяжения молекул воды друг к другу.

Напомните учащимся, что в главах 1 и 2 они исследовали поведение воды при различных температурах и исследовали изменения состояния воды. Многие объяснения основывались на идее, что молекулы воды притягиваются друг к другу. Напомните студентам, что в главе 4 они рассмотрели ковалентную связь между кислородом и водородом, которая создает молекулу воды.Теперь студенты будут более внимательно изучать детали ковалентных связей в молекуле воды, чтобы понять, почему молекулы воды притягиваются друг к другу.

Спроектируйте видео «Водный шар».

Это видео было показано в Главе 1, Урок 1, чтобы показать, что молекулы воды притягиваются друг к другу.

Спроектировать видео Фонтан.

Укажите, что вода может оставаться вместе в этих дугах, потому что молекулы воды очень притягиваются друг к другу.

Покажите анимацию молекулярной модели, показывающую, почему молекулы воды притягиваются друг к другу.

Спроектируйте анимацию «Полярная молекула воды».

Первый кадр анимации

Электроны разделены между атомами ковалентной связью.

Напомните студентам, как общие электроны в молекуле воды притягиваются к протонам как в атомах кислорода, так и в атомах водорода.Эти притяжения удерживают атомы вместе.

Молекулы воды нейтральны.

Убедитесь, что учащиеся понимают, что протоны или электроны не приобретаются и не теряются. В молекуле воды всего 10 протонов и 10 электронов (8 от атома кислорода и по 1 от каждого из двух атомов водорода). Поскольку в ней одинаковое количество протонов и электронов, молекула воды нейтральна.

Нажмите «Играть»

Модель электронного облака показывает, где находятся электроны в молекуле.

Скажите студентам, что еще один способ увидеть разницу в том, где находятся электроны, — это использовать модель электронного облака. Напомните учащимся, что невозможно узнать точное местоположение электрона, поэтому иногда области, занятые электронами, отображаются в виде «облаков» вокруг ядра в атоме или молекуле.

Неравное распределение электронов делает воду полярной молекулой.

Скажите студентам, что атом кислорода притягивает электроны немного сильнее, чем водород.Таким образом, хотя электроны от каждого атома притягиваются как кислородом, так и водородом, электроны немного больше притягиваются к кислороду. Это означает, что электроны проводят немного больше времени на кислородном конце молекулы. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным. Поскольку электронов не так много около водородного конца, этот конец немного положительный. Когда ковалентно связанная молекула имеет больше электронов в одной области, чем в другой, ее называют полярной молекулой.

Модель электронного облака может показать неравное распределение электронов.

Укажите, что электронное облако вокруг кислорода темнее электронного облака вокруг водорода. Это показывает, что электроны больше притягиваются к кислородному концу молекулы, чем к водородному концу, что делает молекулу воды полярной.

Нажмите «Далее»

Цвет может быть добавлен к модели электронного облака, чтобы показать, где электроны с большей или меньшей вероятностью могут находиться.

Скажите студентам, что это еще одна модель молекулы воды.В этой модели цвет используется для отображения полярных областей молекулы воды. Отрицательная область около атома кислорода — красная, а положительная область около атомов водорода — синяя.

Совместное проектирование анимации «Полярная вода».

Спросите студентов:

Что вы замечаете в ориентации молекул воды?

Красная (кислородная) область одной молекулы воды находится рядом с синим (водородным) концом другой молекулы воды.

Почему молекулы воды так притягиваются друг к другу?

Поскольку кислородный конец молекулы воды слегка отрицателен, а водородный конец слегка положителен, логично, что молекулы воды притягиваются друг к другу.

Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.

Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполнены либо в классе, либо в группах, либо индивидуально, в зависимости от ваших инструкций.Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

Покажите студентам, что связи между атомами в молекуле отличаются от полярного притяжения между молекулами.

Спроецируйте изображение Аттракционы разных уровней.

Студенты могут быть сбиты с толку относительно связей внутри молекулы воды и притяжения между молекулами воды.

Связи внутри молекул и полярное притяжение между молекулами.

Объясните студентам, что взаимодействие между кислородом одной молекулы воды и водородом другой молекулы отличается от разделения электронов между кислородом и атомами водорода внутри самой молекулы воды.

Это все о влечении между положительным и отрицательным.

Укажите ученикам, что влечение между положительным и отрицательным работает на трех разных уровнях.

1. Одиночный атом остается вместе из-за притяжения между положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами.
2. В молекуле два или более атома остаются вместе из-за взаимного притяжения между положительно заряженными протонами одного атома и отрицательно заряженными электронами другого атома. Это вызывает ковалентную или ионную связь, которая удерживает атомы или ионы вместе.
3. Две или более молекулы воды остаются вместе, потому что положительная и отрицательная части молекул притягиваются друг к другу.

Попросите учащихся отметить положительные и отрицательные области на молекуле воды, обозначив их модели мячей из пенополистирола цветом.

Материалы для каждой группы

• Модели молекул воды из пенополистирола из главы 2, урок 2 (по две на учащегося)
• Маркеры перманентные (синие и красные)

Процедура

1. Нарисуйте синий «+» на каждом из атомов водорода.
2. Нарисуйте два красных «-» внизу атома кислорода.
3. Повторите это для другой молекулы воды.
4. Расположите молекулы воды так, чтобы противоположные заряды находились рядом друг с другом.

Спросите студентов:

Как ваши модели молекул воды из пенополистирола соотносятся с цветной моделью плотности заряда, показанной на анимации?

Разные цвета показывают, что вода — полярная молекула.

Что означают красные знаки «-» на атоме кислорода?

Красные знаки «-» обозначают область, где больше электронов.

Что означают синие знаки «+» на атомах водорода?

Синие знаки «+» обозначают область, где меньше электронов.

Поскольку молекулы воды полярны, как они располагаются в жидкой воде?

Положительная область одной молекулы воды притягивается к отрицательной области другой молекулы воды.

Попросите учащихся разработать тест для сравнения скорости испарения воды и спирта.

Напомните студентам, что молекулы воды очень полярны.Сильное притяжение между молекулами воды влияет на поверхностное натяжение воды, температуру кипения и скорость испарения. Скажите студентам, что они проведут эксперимент, чтобы сравнить скорость испарения воды и другой жидкости, которая не является такой полярной.

Спросите студентов:

Как вы думаете, такое вещество, как вода с полярными молекулами, будет испаряться быстрее или медленнее, чем такое вещество, как спирт, с молекулами, которые не столь полярны?

Более полярные молекулы будут больше слипаться и, вероятно, будут испаряться медленнее, чем менее полярные молекулы. Менее полярные молекулы должны испаряться быстрее, потому что они не так притягиваются друг к другу.

Как вы могли бы разработать быстрый и простой тест на испарение для сравнения скорости испарения воды и спирта?

• Какие материалы вам понадобятся?
• Следует ли использовать одинаковое количество воды и алкоголя?
• Как узнать, испаряется ли один быстрее другого?
• Есть способ сделать так, чтобы это не занимало много времени?

Студенты должны сказать, что им потребуется такое же небольшое количество воды и спирта.Эти жидкости следует одновременно класть на поверхность, например оберточное бумажное полотенце, чтобы учащиеся могли определить, когда каждая жидкость испаряется.

Попросите учащихся выполнить следующую процедуру, чтобы сравнить скорость испарения воды и спирта.

Вопрос для расследования

Вода испаряется быстрее или медленнее, чем менее полярный спирт?

Материалы для каждой группы

• Изопропиловый спирт (70% или выше)
• Вода
• Бумажное полотенце коричневое
• Капельницы

Процедура

1. Одновременно нанесите 1 каплю воды и 1 каплю спирта на коричневое бумажное полотенце. Наблюдать.

Ожидаемые результаты

Темное пятно на бумажном полотенце, сделанное спиртом, станет светлее быстрее, чем темное пятно, оставленное водой. Это указывает на то, что спирт испаряется быстрее, чем вода.

Подробнее о подсчете молекул читайте в разделе подготовки учителя.

Примечание. Этот тест подходит для учащихся средней школы, но в нем есть что-то, что не делает его полностью справедливым.В капле воды намного больше молекул воды, чем молекул спирта в капле спирта. Тест будет более справедливым, если на бумажное полотенце поместить одинаковое количество молекул воды и спирта. Для этого нужен способ «подсчитать» молекулы. Определение количества частиц в образце является базовой концепцией химии, но выходит за рамки химического раздела средней школы. Даже если бы в этом занятии использовалось одинаковое количество молекул воды и спирта, спирт испарялся бы быстрее.

Обсудите наблюдения студентов и опишите различия в полярности между молекулами воды и спирта.

Спросите студентов:

Что быстрее испаряется, вода или спирт?

Спирт испаряется быстрее.

Спроецировать изображение молекул воды и спирта.

Скажите студентам, что понимание полярности может помочь объяснить, почему вода испаряется медленнее, чем спирт.

Напомните студентам, что связи кислород-водород (O – H) в воде делают ее полярной молекулой. Эта полярность заставляет молекулы воды притягиваться друг к другу.

Объясните, что связь кислород-водород (O – H) в молекуле спирта также полярна. Но связи углерод-водород (C – H) в остальной части молекулы спирта неполярны. В этих связях электроны распределяются более или менее равномерно.

Поскольку в молекуле спирта есть как полярные, так и неполярные области, они несколько меньше притягиваются друг к другу, чем молекулы воды друг к другу.Это облегчает расщепление молекул спирта и их перемещение в воздух в виде газа. Вот почему спирт испаряется быстрее, чем вода.

Предложите учащимся подумать, как полярность может повлиять на температуру кипения воды и спирта.

Вы знаете, что вода и спирт имеют разные характеристики из-за молекул, из которых они сделаны, и того, как эти молекулы взаимодействуют друг с другом.

Спроецировать изображение Кипение воды и спирта.

На этом рисунке показано, что спирт кипит при более низкой температуре, чем вода.

• Вода кипит при 100 ° C
• Спирт кипит при 82,5 ° C

Спросите студентов:

Зная, что вы делаете с полярностью воды и спирта, объясните, почему спирт кипит при более низкой температуре, чем вода.

Полярная характеристика молекул воды заставляет их хорошо притягиваться друг к другу.Менее полярные молекулы спирта не притягиваются друг к другу так сильно, как молекулы воды. Для того, чтобы вода закипела, требуется больше энергии, чем для закипания спирта. Другими словами, спирт кипит при более низкой температуре, чем вода.

Прекрасная вода — Мир науки

Цели

• Опишите свойства воды в различных состояниях.

• Опишите когезионные и адгезионные свойства воды.

• Опишите взаимосвязь между капиллярным действием, адгезией, когезией и поверхностным натяжением.

Материалы

Фон

Вода очень важна для жизни на Земле. Вода является основным компонентом клеток, обычно составляя от 70% до 95% массы клетки. Это означает, что мы на 80% состоят из воды по массе (весу), а некоторые мягкотелые существа, такие как медузы, состоят из воды на 96%.Вода также обеспечивает среду для жизни организмов, поскольку 75% земли покрыто водой. Вода циркулирует по земле так же, как и по телу человека, транспортируя, растворяя и пополняя питательные вещества и другие органические вещества, унося отходы.

Вода — единственное вещество, которое широко встречается в естественной среде и существует во всех трех состояниях материи (твердое (лед), жидкое (вода) и газ (пар)) в обычных температурных условиях Земли.

Химия воды
Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H ₂ 0). Вода — это не линейная молекула, в которой все атомы расположены подряд. Два атома водорода образуют связь с кислородом под углом 104,5 градуса, делая молекулу V-образной.

Два атома водорода связаны с атомом кислорода ковалентными связями. Это означает, что атомы водорода делятся своими электронами с атомом кислорода.

Хотя каждая молекула воды нейтральна (с одинаковым количеством отрицательных электронов и положительных протонов), электроны остаются ближе к атому кислорода.В результате концы V (атомы водорода) более положительны, а нижняя часть V (атом кислорода) более отрицательна. Таким образом, мы описываем молекулу воды как полярную, что означает, что у нее есть положительно заряженный «конец» и отрицательно заряженный «конец». Такая полярность помогает делать воду и необычной, и полезной!

Когда молекулы воды расположены близко друг к другу, положительно заряженные атомы водорода притягиваются к отрицательно заряженным атомам кислорода другой молекулы воды. Эти притяжения называются водородными связями.Они слабы по отдельности, но их огромное количество может сделать общую силу, удерживающую все молекулы вместе, весьма значительной.

Водородная связь между молекулами воды приводит ко многим интересным последствиям. Например, температура кипения воды, ее когезия и поверхностное натяжение, а также ее способность растворять соли связаны с водородными связями.

Температура кипения воды, 100 ° C, необычно высока для молекулы с такой низкой молекулярной массой. Высокая температура кипения обусловлена ​​водородными связями.Кипячение воды означает разрыв всех водородных связей в жидкой воде, поэтому молекулы могут раздвинуться дальше друг от друга и стать паром. Разрыв этих связей требует энергии; таким образом, более высокая точка кипения воды.

Водородные связи также придают жидкую воду молекулярную когезию и высокое поверхностное натяжение.

Сплоченность
Из-за протяженных водородных связей в воде молекулы имеют тенденцию прилипать друг к другу в регулярном порядке. Это явление, называемое когезией , легко наблюдается, если вы осторожно переполните стакан водой (совсем немного!) И наблюдаете, как молекулы воды удерживаются вместе над ободком; это называется мениском (однако в конечном итоге гравитация преодолевает водородные связи, и молекулы воды стекают по стенке стекла).Точно так же связующее свойство воды позволяет высоким деревьям доставлять воду к своим самым высоким листьям из подземных источников.

Поверхностное натяжение
Особый тип сцепления — это поверхностное натяжение . Напряжение на поверхности воды возникает, когда молекулы воды на поверхности удерживаются вместе водородными связями. В результате вода ведет себя так, как будто у нее на поверхности тонкая пленка. Когда образуется капля воды, ее сферическая форма является результатом поверхностного натяжения.

Адгезия
Адгезия — это притяжение молекул воды к другим веществам. Это причина того, что вода «прилипает» к поверхности и делает вещи «мокрыми».

Словарь

адгезия : притяжение молекул воды к другим веществам.
когезия : притяжение молекул воды друг к другу.
ковалентная связь : форма химической связи, которая включает обмен электронными парами между атомами.
электронов : субатомная частица, несущая отрицательный электрический заряд.
force : толкать или тянуть.
гидравлика : Использование жидкости для выполнения работы.
водородная связь : притяжение между электроположительным атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом, например кислородом, соседней молекулы.
гидрофильный : «Любящий воду».
гидрофобный : «Водобоязнь».
гидростатическое равновесие : Давление во флюиде в состоянии покоя («гидро» + «статическое») обусловлено весом флюида над ним.
несжимаемая жидкость : жидкость, имеющая постоянную плотность или объем.
ионов : атомы или молекулы, в которых общее количество электронов не равно общему количеству протонов, что дает им чистый положительный или отрицательный электрический заряд.
неполярный : описывает молекулу с равномерным зарядом.
ядро ​​: очень плотная область в центре атома.
поршень : Диск или короткий цилиндр, плотно прилегающий к трубе, в которой он движется вверх и вниз против жидкости или газа.
полярность (полярность) : Полярная молекула имеет как положительно, так и отрицательно заряженный «конец».
протон : субатомная частица с положительным электрическим зарядом. Один или несколько протонов присутствуют в ядре каждого атома вместе с нейтронами.
растворитель : жидкость, твердое вещество или газ, который может растворять другое твердое вещество, жидкость или газ.
вещество : любое физическое вещество или материал.
поверхностное натяжение : «кожа» на поверхности воды из-за сцепления между ее молекулами.
вязкий : Густой или «сиропообразный», описывающий жидкость.

Другие ресурсы

HowEverythingWorks | Добавки | Раздел 15.1: Вода, пар и лед

Kentchemistry | Водородная связь — капли воды на пенни

TedEd | Видео | Почему нельзя смешивать масло и воду

Государственный университет Сан-Диего | Кафедра астрономии | Статья | Гидростатическое равновесие

YouTube | Образовательные инновации | Полиакрилат натрия — «полимер для пеленок»

Университет Реджайны | Центр математического, естественнонаучного и технологического образования | QuickStarts | Лодка на мыле

Для приобретения полиакрилата натрия («полимер для пеленок»): Образовательные инновации

ученых открывают новый способ получения воды — ScienceDaily

На знакомой школьной демонстрации химии инструктор сначала использует электричество для разделения жидкой воды на составляющие газы, водород и кислород.Затем, комбинируя два газа и зажигая их искрой, инструктор с громким хлопком превращает газы обратно в воду.

Ученые из Университета Иллинойса открыли новый способ получения воды, причем без хлопка. Они могут не только производить воду из маловероятных исходных материалов, таких как спирты, их работа также может привести к созданию лучших катализаторов и менее дорогих топливных элементов.

«Мы обнаружили, что нетрадиционные гидриды металлов можно использовать для химического процесса, называемого восстановлением кислорода, который является важной частью процесса производства воды», — сказал Захария Хайден, докторант и ведущий автор статьи, принятой для публикации в Журнал Американского химического общества и размещен на его веб-сайте.

Молекула воды (официально известная как монооксид дигидрогена) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но вы не можете просто взять два атома водорода и наклеить их на атом кислорода. Фактическая реакция образования воды немного сложнее: 2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O + Energy.

На английском языке уравнение гласит: Чтобы произвести две молекулы воды (H ₂ O), две молекулы двухатомного водорода (H ₂ ) должны быть объединены с одной молекулой двухатомного кислорода (O ₂ ).Энергия будет высвобождена в процессе.

«Эта реакция (2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O + энергия) известна в течение двух столетий, но до сих пор никто не заставил ее работать в гомогенном растворе», — сказал Томас Раухфусс, Ю. И., профессор химии и автор статьи.

Хорошо известная реакция также описывает то, что происходит внутри водородного топливного элемента.

В типичном топливном элементе двухатомный газообразный водород входит с одной стороны элемента, а двухатомный кислород — с другой стороны.Молекулы водорода теряют свои электроны и становятся положительно заряженными в результате процесса, называемого окислением, в то время как молекулы кислорода получают четыре электрона и становятся отрицательно заряженными в результате процесса, называемого восстановлением. Отрицательно заряженные ионы кислорода объединяются с положительно заряженными ионами водорода, образуя воду и выделяя электрическую энергию.

«Трудная сторона» топливного элемента — это реакция восстановления кислорода, а не реакция окисления водорода, — сказал Раухфусс. «Однако мы обнаружили, что новые катализаторы восстановления кислорода могут также привести к новым химическим средствам окисления водорода.«

Раухфус и Хайден недавно исследовали относительно новое поколение катализаторов гидрирования с переносом для использования в качестве нетрадиционных гидридов металлов для восстановления кислорода.

В своей статье JACS исследователи сосредотачиваются исключительно на окислительной способности катализаторов гидрогенизации переноса на основе иридия в гомогенном неводном растворе. Они обнаружили, что комплекс иридия действует как на окисление спиртов, так и на восстановление кислорода.

«Большинство соединений реагируют либо с водородом, либо с кислородом, но этот катализатор реагирует с обоими», — сказал Хайден.«Он реагирует с водородом с образованием гидрида, а затем реагирует с кислородом с образованием воды; и это происходит в гомогенном неводном растворителе».

Новые катализаторы могут привести в конечном итоге к разработке более эффективных водородных топливных элементов, что существенно снизит их стоимость, сказал Хайден.

Работа финансировалась Министерством энергетики США.

BIOdotEDU

Кислород электроотрицательный Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентными связями с одним и тем же атомом кислорода.Атомы кислорода электроотрицательны и притягивают общие электроны своими ковалентными связями. Следовательно, электроны в молекуле воды проводят немного больше времени вокруг атомного центра кислорода и меньше времени вокруг атомных центров водорода. Таким образом, ковалентные связи полярны, а атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд (из-за наличия дополнительной доли электронов), в то время как атомы водорода слегка положительны (из-за дополнительных ненейтрализованных протонов). Водородные связи Противоположные заряды притягиваются друг к другу.Небольшие положительные заряды на атомах водорода в молекуле воды притягивают небольшие отрицательные заряды на атомах кислорода других молекул воды. Эта крошечная сила притяжения называется водородной связью . Эта связь очень слабая. Водородные связи легко образуются, когда две молекулы воды сближаются, но легко разрываются, когда молекулы воды снова расходятся. Они составляют лишь небольшую часть прочности ковалентной связи, но их много, и они придают некоторые очень особенные свойства веществу, которое мы называем водой. Вода — жидкость при комнатной температуре Более трех четвертей планеты Земля покрыто водой. Жизнь, вероятно, зародилась в такой жидкой среде, и вода является основным компонентом живых существ (люди на 60 процентов состоят из воды). При комнатной температуре (от нуля до 100 градусов по Цельсию) вода находится в жидком состоянии.Это происходит из-за крошечных слабых водородных связей, которые миллиардами удерживают молекулы воды вместе в течение небольших долей секунды. Молекулы воды постоянно находятся в движении. Если они двигаются достаточно быстро, они превращаются в газ. Газ — это физическое состояние вещества, в котором молекулы находятся далеко друг от друга и очень быстро движутся. Но из-за водородных связей, когда молекулы воды собираются вместе, они прилипают друг к другу на небольшой, но значительный промежуток времени. Это замедляет их и прижимает ближе друг к другу.Они становятся жидкостью; другое состояние вещества, где молекулы ближе и медленнее, чем в газе. Молекулярная вода, следовательно, является жидкостью при комнатной температуре, и этот факт чрезвычайно важен для всех живых существ на этой планете. Вода — универсальный растворитель Все растворяется в воде.Камень, железо, кастрюли, сковороды, тарелки, сахар, соль и кофейные зерна растворяются в воде. Растворяющиеся вещества называются растворенными веществами , а жидкость, в которой они растворяются, называется растворителем . Сильнополярные вещества (вещи с положительным и / или отрицательным зарядом) легко притягивают молекулы воды. Молекулы воды окружают заряженное растворенное вещество; положительные атомы водорода, близкие к отрицательным зарядам, и отрицательные атомы кислорода, близкие к положительным зарядам молекулы растворенного вещества.Все это взаимодействие приостанавливает молекулу растворенного вещества в море молекул воды; легко диспергируется и растворяется. Неравное распределение Электроны в связях между идентичными атомами (H-H) распределяются равномерно, поэтому электроны проводят равное количество времени вокруг каждого атомного центра. Эти ковалентные связи неполярные .Электроны разделены между непохожими атомами не делятся поровну, один атом получает больше обычных электронов и, таким образом, имеет слегка отрицательный заряд. Остальные атомы получают меньше, чем полную долю электронов, и поэтому заряжены слегка положительно. Вещества, которые легко и быстро растворяются в воде (сахар, соль и т. Д.), Называются водолюбивыми или гидрофильными веществами. С другой стороны, некоторые растворенные вещества неполярны и не имеют положительных или отрицательных зарядов.Молекулы воды не притягиваются к этим типам молекул (а иногда даже отталкиваются ими). Хотя крошечные количества этих веществ (пластик, масло и т. Д.) Растворяются и растворяются в воде, большинство их молекул просто образуют границу, когда вступают в контакт с водой, и остаются отдельными объектами. Вещества, которые плохо растворяются в воде, называются водобоязненными или гидрофобными веществами. BIO dot EDU © 2003, профессор Джон Бламир

Расщепление воды — Scientific American

Ключевые концепции
Вода
Химия
Электричество
Молекулы

Введение
Вы пользуетесь им каждый день и не можете без них выжить — нет, это не Интернет, а вода! Это одно из самых важных соединений в мире, и повсеместно оно становится все более важной проблемой.Вы, наверное, слышали, что во многих местах засуха или загрязнение воды ограничивают запасы чистой питьевой воды, и эти запасы продолжают сокращаться. Задумываясь об этом, вы когда-нибудь задумывались, почему мы не делаем воду только сами? Из чего на самом деле состоит вода? В этой научной деятельности вы будете использовать энергию в виде электричества для разделения воды на отдельные компоненты; так что соберите все материалы и будьте готовы узнать, что они из себя представляют, и сами разделите их!

Фон
Чтобы выяснить, из чего состоит вода, посмотрите ее химическую формулу — h3O.По сути, это говорит нам о том, что молекула воды состоит из двух элементов: водорода и кислорода или, точнее, двух атомов водорода (h3) и одного атома кислорода (O). Водород и кислород являются газами при комнатной температуре. Значит ли это, что мы можем просто объединить оба газа, и тогда мы получим воду? Это не так просто. В уравнении отсутствует энергетическая составляющая химической реакции. Изготовление воды из ее элементов производит большое количество энергии. Химические реакции, производящие энергию, также называются экзотермическими реакциями.В случае водорода и кислорода выделяемая энергия настолько велика, что ее практически невозможно контролировать, и в большинстве случаев это приводит к взрыву. К счастью, эта реакция не происходит спонтанно, а происходит только тогда, когда вы зажигаете газовую смесь зажигалкой.

Если делать воду из ее элементов так опасно, как насчет обратной реакции? Разделить воду на два компонента намного проще, и это называется электролизом воды. Получение водорода или кислорода таким способом кажется простым.Но, как вы, вероятно, подозревали, эта обратная реакция требует подвода энергии, поэтому ее еще называют эндотермической реакцией. При электролизе воды источником энергии, используемой для протекания реакции, является электричество. Самый простой способ вырабатывать электричество — использовать аккумулятор. Однако, поскольку чистая вода плохо проводит электричество, электролиз требует добавления электролита , , такого как соль или кислота. Электролит растворяется в воде и разделяется на ионы (электрически заряженные частицы), которые перемещаются через растворы и могут таким образом проводить электричество.Чтобы добавить в раствор электричества, вам также понадобятся два электрических проводника, контактирующих с водой. Они называются электродами и состоят в основном из металлов или других проводящих материалов. Когда на электроды подается электрический ток, ионы (электрически заряженные атомы) в электролите, включая положительно заряженные протоны (H ⁺ ) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (OH ^—), которые возникают в результате самоионизации электролита. вода — начните движение к электроду с противоположным зарядом, где вырабатывается водород или кислород.Вы можете убедиться в этом сами в этом упражнении и даже уловить оба газа!

Материалы

• Водонепроницаемая рабочая зона
• Помощник для взрослых
• Графитовый механический карандаш (достаточно толстый, чтобы он не ломался) — или деревянный карандаш и нож, чтобы ваш взрослый помощник извлек графит.
• Клей
• Пластилин или другая глина
• Два или три одноразовых пластиковых стакана (лучше всего подходят прозрачные пластиковые стаканчики на 18 унций.)
• Ножницы
• Перманентный маркер
• Две металлические кнопки
• Вода дистиллированная
• Сода пищевая
• Аккумулятор на девять вольт
• Две прозрачные соломинки (большой размер)
• Чайная ложка
• Капельница медицинская
• Таймер
• Бумажные полотенца
• тест-полоски pH (опционально)
• Поваренная соль (хлорид натрия — NaCl) (необязательно)

Препарат

• Ваша рабочая зона должна быть водонепроницаемой; во время занятия могут произойти разливы воды.
• Соберите прочный механический графитовый карандаш. Убедитесь, что у вас есть две части длиной примерно 2,5 сантиметра (один дюйм). Если вы решите использовать деревянный карандаш, попросите взрослого взять нож и извлечь из карандаша графитовый грифель. (Для этого у вас также должны получиться две части примерно 2,5 сантиметра в длину). Это будут ваши графитовые электроды.
• Ножницами аккуратно разрежьте (или сделайте порез взрослым) открытый конец одного пластикового стаканчика так, чтобы он был на высоте девятивольтовой батареи.В нижней части чашки вырежьте отверстие, чтобы через него проходил кончик батареи (с двумя полюсами).
• Возьмите вторую чашку и держите ее нижнюю часть над девятивольтовой батареей. С помощью перманентного маркера на внутренней стороне чашки нарисуйте две точки на дне, где чашка касается двух полюсов батареи.
• Снимите чашку с аккумулятора и с помощью кнопки проделайте по одному отверстию в каждой отметке на дне пластикового стакана.
• Осторожно вставьте два графитовых стержня (стержень карандаша) в два отверстия, по одному в каждое. Возможно, вам придется сделать отверстия немного больше, чтобы они соответствовали друг другу.
• С помощью клея сделайте уплотнение вокруг графитовых штифтов на внешней стороне чашки и дайте ему высохнуть. Это должно предотвратить просачивание воды. Убедитесь, что графитовые штыри не покрыты клеем, иначе они больше не будут контактировать с аккумулятором.
• Поместите разрезанную чашку открытой стороной вниз над батареей.Дно чашки и батарея должны соответствовать друг другу, образуя одну ровную поверхность, на которую вы можете поставить вторую чашку.
• Поставьте чашку с графитовыми штифтами в перевернутом виде, вырезанную чашку, на аккумулятор. Он должен плотно прижаться, и каждый из графитовых штырей должен касаться одного из полюсов батареи.
• Запечатайте один конец обеих гигантских соломинок для питья пластилином или глиной.

Процедура

• Возьмите чашку с графитовыми штифтами и налейте примерно 300 миллилитров дистиллированной воды в чашку, подальше от аккумулятора.Убедитесь, что он не протекает. Если это так, вам может потребоваться добавить немного больше клея, чтобы сделать плотное прилегание. Примечание. Старайтесь не прикасаться к воде или электродам после того, как чашка поставлена ​​на батарею, так как вы можете почувствовать покалывание пальцев от электричества.
• Как и раньше, поместите его на перевернутую вырезанную чашку сверху батареи так, чтобы каждый из графитовых штырей касался одного из полюсов батареи. Возможно, вам придется немного надавить на нее, чтобы установить хорошее соединение.Обратите внимание на два графитовых электрода. Что ты видишь? Что-нибудь происходит с электродами?
• Снимите с аккумулятора стакан, наполненный дистиллированной водой. Залейте одну чайную ложку пищевой соды и размешайте ее с дистиллированной водой, пока все не растворится. Как вы думаете, что изменится пищевая сода? Какая у него функция?
• Теперь снова установите чашку на батарею и соедините графитовые электроды с полюсами батареи. Что вы наблюдаете сейчас? Что-нибудь происходит с графитовыми штифтами? Как вы думаете, каковы продукты реакции? Сравните реакции, которые происходят на каждом из графитовых электродов. Вы видите разницу между двумя сторонами? Есть ли один графитовый электрод, при котором реакция более выражена? К какому полюсу батареи подсоединен этот графитовый штифт, положительному или отрицательному?
• Засуньте нос в чашку и понюхайте продукты реакции. Нет запаха? Если да, то как пахнет?
• Снова снимите чашку с аккумулятора.С помощью пипетки заполните обе забитые гигантские соломинки раствором пищевой соды изнутри чашки с графитовыми штифтами. Как только они наполнятся, закройте каждый из них одним пальцем и переверните их вверх дном. Погрузите их в чашку с раствором пищевой соды и осторожно поместите на графитовые булавки (по одной соломке на каждую), чтобы соломинки оставались полностью заполненными раствором пищевой соды. Если соломинки не стоят вертикально, их можно прислонить к стенке чашки. Как вы думаете, что будет с соломинкой?
• После того, как соломинки будут помещены на графитовые штифты, снова установите чашку на батарею. Оставьте на 10 минут и немного надавите на чашку, чтобы убедиться, что электроды остаются подключенными и электродные реакции протекают непрерывно в течение всего этого времени. Обратите внимание на соломинки, которые вы кладете поверх графитовых штифтов. Что происходит с водой, которую вы туда налили? Вы замечаете разницу между двумя уровнями воды в обеих соломинках? Какой из них выше, какой ниже; к каким полюсам батареи подключен каждый из них?
• По истечении 10 минут отметьте уровень воды в каждой соломке несмываемым маркером. Насколько больше воды было вытеснено продуктами реакции на отрицательном полюсе по сравнению с положительным полюсом? Это то же самое, двойное или тройное?
• Extra: Если у вас есть какие-либо pH-полоски, которые могут измерять кислотность или основность растворов, используйте их для измерения pH в каждой большой соломинке, когда уровень воды снизится примерно на 50 процентов. Осторожно снимите соломинку с электродов и сразу же закройте каждую из них пальцем, как только вы снимите ее с электродов.Убедившись, что вы не теряете воду, которая находится внутри, окуните внутрь тест-полоску pH. Какого цвета показывает тест-полоска и какой это показатель pH? Есть ли разница между растворами в двух соломинках? Чем они отличаются и почему, как вы думаете, это так?
• Экстра: Повторите эксперимент, но вместо добавления пищевой соды в дистиллированную воду добавьте чайную ложку поваренной соли (хлорид натрия или NaCl) и дайте электролизу поработать пять минут. Меняются ли электродные реакции? А как насчет запаха продуктов реакции; вы можете различить определенный запах на этот раз? Как вы думаете, почему это так?
• Extra: Замените графитовые электроды металлическими кнопками. Для этого вам может понадобиться свежая чашка. Вставьте кнопки в нижнюю часть чашки, чтобы они не касались друг друга, но чтобы каждая из них касалась одного из полюсов батареи, как только вы поместите чашку на верхнюю часть батареи. При использовании канцелярских кнопок клейкая прокладка не требуется.Повторите первоначальную процедуру, но на этот раз добавьте в дистиллированную воду одну чайную ложку поваренной соли. Наблюдайте за реакцией электродов. Что происходит на этот раз? Посмотрите внимательно на штырь, который подсоединен к положительному полюсу аккумулятора. Вы можете видеть другие продукты реакции, кроме газа? Как вы думаете, что случилось? Как металлические канцелярские кнопки выглядят после того, как вы снова их вытащите?

Наблюдения и результаты
Удалось ли вам разделить воду на водород и кислород? Вы видели много пузырей на обоих графитовых штифтах? Изначально, когда вы ставили чашку с дистиллированной водой на батарею, вы, вероятно, не заметили, чтобы на графитовых электродах происходило много чего.Это связано с тем, что дистиллированная вода не очень хорошо проводит электричество, поэтому электродные реакции отсутствуют или возможны только незначительные. Однако если вы добавите электролиты, такие как пищевая сода, добавленные ионы могут проводить электричество, и вы должны были видеть пузырьки газа, появляющиеся на обоих графитовых штырях. С одной стороны, на положительном полюсе образуется кислород, тогда как на отрицательном полюсе образуется водород.

Присмотревшись, вы могли заметить, что на графитовом электроде, подключенном к отрицательному полюсу батареи, образовалось больше газа, чем на другой стороне.Сбор двух газов с помощью гигантских соломок, вероятно, продемонстрировал это даже лучше. Через 10 минут уровень воды на отрицательном полюсе должен был быть примерно вдвое ниже, чем на положительной стороне, а это означает, что вы собрали примерно вдвое больше газообразного водорода по сравнению с кислородом. Разница связана с тем, что одна молекула воды имеет два атома водорода на один атом кислорода, как объяснялось выше. Это означает, что для образования одной молекулы кислорода (O2) нужны две молекулы воды (2 ч3О). Однако в то же время две молекулы воды (2 h3O) могут образовать две молекулы водорода (2 h3).В то время как водород и кислород образуются на электродах, оставшимися продуктами реакции из воды являются протоны (H ⁺ на стороне кислорода) и ионы гидроксила (OH ^— на стороне водорода). Вы можете визуализировать это, поместив полоску pH в растворы в больших соломинках над каждым электродом. Раствор в соломинке, помещенной на электрод отрицательного полюса батареи, должен иметь щелочной pH (7 или выше), тогда как другой раствор должен быть кислым (pH менее 7).

Могут происходить и другие электродные реакции, если в растворе есть ионы, которые конкурируют с производством водорода или кислорода. Вы могли заметить, что после того, как вы добавили соль (хлорид натрия) в свой электролит, он начал пахнуть, как в бассейне. Вместо кислорода на положительном полюсе батареи вырабатывается хлор, который также используется для дезинфекции воды в бассейне. Если вы использовали металлические канцелярские кнопки в качестве электродов вместо графитовых штифтов, металл (обычно сталь или латунь) будет растворяться или разъедать на положительном полюсе батареи и вместо (или в дополнение к) выделения газа вы должны увидеть, что металлическая канцелярская кнопка становится красновато-коричневым.Это демонстрирует, что электролиз — это не только метод расщепления воды на ее компоненты, но также может запускать другие реакции, которые в противном случае не происходили бы самопроизвольно.

Очистка
Удалите все разливы полотенцем. Слейте воду с электролитом (пищевой содой или солью) в канализацию. Снимите электроды (графитовые булавки или металлические канцелярские кнопки) с чашек и выбросьте их в мусорное ведро. Выбросьте пластиковые стаканчики и запечатанные большие соломинки в мусор.Вы можете повторно использовать девятивольтовый аккумулятор.

Больше для изучения
Почему мы не можем производить воду ?, из Как работает материал
Химия воды, из Джилл Грейнджер,
Электролиз воды — водорода и кислорода из воды, из альтернативного обучения
Топливные элементы — топливо будущего !, from Science Buddies
Science Activity for All Ages! from Science Buddies

Эта деятельность предоставлена ​​вам в сотрудничестве с Science Buddies

Водородная связь | Химия для неосновных специалистов

Цели обучения

• Определите водородную связь.
• Опишите молекулярные структуры, которые будут участвовать в образовании водородных связей.

В чем разница между этими двумя молекулами?

Грубое эмпирическое правило состоит в том, что материалы с более высокой молекулярной массой имеют более высокие температуры кипения, чем их аналоги с более низкой молекулярной массой. Чтобы переместить большую молекулу из жидкого состояния в парообразное, требуется больше энергии. Однако аммиак имеет точку кипения -33,34 ° C и молекулярную массу 17, в то время как азот (молекулярная масса 28) имеет точку кипения -195.8 ° С. У более легкой молекулы аммиака должны быть другие факторы, влияющие на ее физические свойства.

Водородная связь

Сила притяжения между молекулами воды — это дипольное взаимодействие. Атомы водорода связаны с сильно электроотрицательным атомом кислорода (который также имеет два набора неподеленных пар электронов, что создает очень полярную связь. Затем частично положительный атом водорода одной молекулы притягивается к атому кислорода соседней молекулы воды ( см. Рисунок ниже).

Рис. 1. Водородная связь в воде возникает между атомом водорода одной молекулы воды и неподеленной парой электронов на атоме кислорода соседней молекулы воды.

Водородная связь — это сила межмолекулярного притяжения, при которой атом водорода, ковалентно связанный с небольшим, сильно электроотрицательным атомом, притягивается к неподеленной паре электронов на атоме соседней молекулы. Водородные связи очень сильны по сравнению с другими дипольными взаимодействиями.Прочность типичной водородной связи составляет около 5% от прочности ковалентной связи.

Водородная связь возникает только в молекулах, в которых водород ковалентно связан с одним из трех элементов: фтором, кислородом или азотом. Эти три элемента настолько электроотрицательны, что отбирают большую часть электронной плотности в ковалентной связи с водородом, оставляя атом H с дефицитом электронов. Атом H действует почти как голый протон, в результате чего его очень привлекают электроны неподеленной пары на соседнем атоме.

Водородная связь, возникающая в воде, приводит к некоторым необычным, но очень важным свойствам. Большинство молекулярных соединений, имеющих массу, аналогичную массе воды, являются газами при комнатной температуре. Благодаря сильным водородным связям молекулы воды могут оставаться в жидком состоянии в конденсированном состоянии. На рисунке ниже показано, как изогнутая форма и два атома водорода на молекулу позволяют каждой молекуле воды образовывать водородную связь с двумя другими молекулами.

Рисунок 2.Множественные водородные связи возникают одновременно в воде из-за ее изогнутой формы и наличия двух атомов водорода на молекулу.

В жидком состоянии водородные связи воды могут разрываться и преобразовываться, когда молекулы перетекают из одного места в другое. Когда вода охлаждается, молекулы начинают замедляться. В конце концов, когда вода превращается в лед, водородные связи становятся постоянными и образуют очень специфическую сеть.

Рис. 3. Когда вода замерзает до состояния льда, сеть водородных связей становится постоянной.Каждый атом кислорода имеет приблизительно тетраэдрическую геометрию — две ковалентные связи и две водородные связи.

Изогнутая форма молекул приводит к разрывам в сети водородных связей льда. Лед обладает очень необычным свойством: его твердое состояние менее плотное, чем жидкое. Лед плавает в жидкой воде. Практически все остальные вещества в твердом состоянии более плотные, чем в жидком. Водородные связи играют очень важную биологическую роль в физических структурах белков и нуклеиновых кислот.

Сводка

• Водородные связи образуются, когда H, присоединенный к атому N, O или F, взаимодействует с другим атомом N, O или F.

Практика

Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:

http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/161Ahydrogenbond.html

1. Каковы особенности N и O, которые затем вызывают образование Н-связей с Н?
2. Все ли атомы H образуют водородные связи?
3. Какова длина Н-связи по сравнению с длиной ковалентной связи?

Обзор

1. Насколько прочна водородная связь?
2. Что происходит, когда H ковалентно связан с N, O или F?
3. Как форма молекулы воды влияет на ее свойства?

Глоссарий

• водородная связь: Сила межмолекулярного притяжения, при которой атом водорода, ковалентно связанный с небольшим, сильно электроотрицательным атомом, притягивается к неподеленной паре электронов на атоме соседней молекулы.

Вода, универсальный растворитель

• Школа наук о воде ГЛАВНАЯ • Темы о свойствах воды •

Знаете ли вы, что можно растворить M в M&M? Все, что вам нужно сделать, это p , кроме нескольких M & M в воде стороной M вверх и наблюдайте, что происходит!

Кредит: coffeecupsandcrayons.com

Воду называют «универсальным растворителем», потому что она способна растворять больше веществ, чем любая другая жидкость.Это важно для каждого живого существа на земле. Это означает, что куда бы вода ни попадала — по воздуху, земле или через наши тела, она уносит с собой ценные химические вещества, минералы и питательные вещества.

Химический состав и физические свойства воды делают ее таким прекрасным растворителем. Молекулы воды имеют полярное расположение атомов кислорода и водорода: одна сторона (водород) имеет положительный электрический заряд, а другая сторона (кислород) — отрицательный. Это позволяет молекуле воды притягиваться ко многим другим типам молекул .Вода может настолько сильно притягиваться к другому соединению, как соль (NaCl), что может нарушить силы притяжения, которые удерживают натрий и хлорид в соединении соли вместе, и, таким образом, растворяют его.

Наши почки и вода составляют отличную пару

Наши почки и растворяющие свойства воды составляют отличную пару для сохранения жизни и здоровья. Почки отвечают за фильтрацию веществ, которые попадают в наш организм из продуктов и напитков, которые мы потребляем.Но почки должны избавляться от этих веществ после того, как они их накапливают. Вот тут-то и помогает вода; будучи таким прекрасным растворителем, вода, промывающая почки, растворяет эти вещества и выводит их из нашего тела.

На этой диаграмме показаны положительные и отрицательные части молекулы воды. Он также показывает, как заряд, например, на ионе (например, Na или Cl), может взаимодействовать с молекулой воды.

Кредит: Мариана Руис Вильярреал, Фонд CK-12

Почему соль растворяется в воде

На молекулярном уровне соль растворяется в воде из-за электрических зарядов и из-за того, что и вода, и солевые соединения полярны, с положительными и отрицательными зарядами на противоположных сторонах молекулы.Связи в солевых соединениях называются ионными, потому что они оба имеют электрический заряд — ион хлорида заряжен отрицательно, а ион натрия — положительно. Точно так же молекула воды имеет ионную природу, но связь называется ковалентной, когда два атома водорода располагаются с положительным зарядом на одной стороне атома кислорода, который имеет отрицательный заряд. Когда соль смешивается с водой, она растворяется, потому что ковалентные связи воды сильнее, чем ионные связи в молекулах соли.

Положительно заряженная сторона молекул воды притягивается к отрицательно заряженным ионам хлорида, а отрицательно заряженная сторона молекул воды притягивается к положительно заряженным ионам натрия.