Из чего можно сделать модель молекулы воды: Из чего можно сделать молекулу воды кроме пластилина? — Спрашивалка

  • Home
  • Разное
  • Из чего можно сделать модель молекулы воды: Из чего можно сделать молекулу воды кроме пластилина? — Спрашивалка

Содержание

Объекты в Blender. Создание 3D-модели «Молекула воды». Урок 23

1. Объекты в Blender Создание 3D-модели «Молекула воды»

28 марта 2020 г.
Классная работа
Объекты в Blender
Создание 3D-модели
«Молекула воды»
Урок 23

2. По сути эти объекты являются исходными примитивами, изменяя которые можно получать другие, более сложные объекты.

Объекты в Blender
По сути эти объекты являются
исходными примитивами,
изменяя которые можно получать
другие, более сложные объекты.
Выделение объектов
Выделение объекта в Blender осуществляется щелчком
правой кнопки мыши по нему.
Shift + правая кнопка мыши – выделение нескольких
объектов.
Режим правки и режим объекта
Когда вы добавляете объект в Blender, он находится по
умолчанию в Режиме Правки (редактирования).
В Blender’е есть два основных режима –
Режим правки (Edit Mode) и
Режим объекта (Object Mode).
Режим правки предназначен для изменения формы объекта
путем выделения вершин на объекте.
Режим объекта влияет на объект в целом.
Клавиша Tab переключает между этими двумя режимами.
Изменение позиции, размера
и угла поворота объектов
Существуют специальные кнопки в меню 3D окна,
включающие соответствующие режимы изменения объекта
или клавиши:
G — изменение положения;
S — изменение размера;
R — поворот.
Редактирование вершин, ребер
и граней
Изменения составных частей объекта
осуществляются с помощью кнопок меню
3D окна.
Объединение и подразделение
объектов
Контекстное меню
доступно при нажатии
клавиши W в режиме
редактирования в 3D окне.
Практическая работа
Создание 3D-модели
«Молекула воды»
Работу выполнить в файле на рабочем столе с именем
Фамилия
Ход работы
1. Запустить Blender, удалить куб.
X или Delete, затем Enter.
2. Добавить на сцену цилиндр.
Пробел.
Выбрать: Add -> Mesh -> Cylinder.
Окно «Add Cylinder»: нажать «OK».
3. Удостоверьтесь, что вы находитесь в объектном
режиме.
4. Уменьшить цилиндр по всем осям до 0.3 от прежних
размеров.
Нажать S, затем, удерживая Ctrl, двигать мышью пока
значения в левом нижнем углу 3D-окна не станут
равны 0.3. Закрепить, щелкнув левой клавишей мыши.
Ход работы
5. Вид спереди.
Клавиша 1 на цифровом поле.
6. Увеличить цилиндр по оси Z в 7.5 раза.
Нажать S, затем Z, и, зажав Ctrl, двигать мышью пока
значения в левом нижнем углу 3D-окна
не станет равно 7.5.
Закрепить, щелкнув левой клавишей мыши.
7. Повернуть цилиндр на 90 градусов по оси Y.
Нажать R, затем Y, и, удерживая Ctrl, двигать мышью
пока значения в левом нижнем углу 3D-окна
не станет равно 90.
Закрепить, щелкнув левой клавишей мыши.
Ход работы
8. Продублировать цилиндр. Копию переместить по оси X так,
чтобы два цилиндра касались друг друга.
Дублирование: Shift + D. X, затем перемещение
с помощью мыши.
9. Поскольку в молекуле воды угол связи H-O-H равен 104.5
градусов, то следует развернуть второй цилиндр
по оси Y на 75.5 градусов (180-104.5).
R, затем Y
Ход работы
10. Совместить концы цилиндров.
Перемещать с помощью мыши за красную и синюю
стрелки-оси.
11. Разместить 3D-курсор в точке соединения двух цилиндров
Щелчок левой клавишей мыши
Ход работы
12. Добавить сферу (которая будет служить моделью атома
кислорода).
Пробел.
Выбрать: Add -> Mesh -> UVSphere.
Окно «Add UV Sphere»: нажать «OK».
13. Два раза продублировать сферу, а дубликаты перенести
на концы цилиндров.
Дублирование: Shift + D.
Перемещение с помощью мыши.
Ход работы
14. Уменьшить крайние шары до значения 0.8 от
первоначального.
S. Перемещение мыши при удерживании Ctrl.
15. Объединить все элементы модели.
Выделение группы элементов: поочередный щелчок
правой кнопкой мыши при зажатой клавише Shift.
Объединение: Ctrl + J.
Ход работы
16. Переключиться на вид из камеры
0 на цифровом поле.
17. Откорректировать размещение модели на сцене
С помощью инструментов перемещения и поворота.

Модель диффузии молекул воды — Справочник химика 21

    МОДЕЛЬ ДИФФУЗИИ МОЛЕКУЛ ВОДЫ [c.20]

    Главным объектом нашего изучения явилась диффузионная модель воды в коллагене. Суть этой модели заключается в предположении, что вся вода в коллагене но своим свойствам практически не отличается от свободной, строение которой выводится из структуры разупорядоченного льда. Исключение составляют лишь молекулы воды в мопослое, пограничном между поверхностью белка и окружающим водным раствором. Для молекул данного слоя предполагается достаточно жесткая связь, прежде всего с активными центрами полипептида, допускающая только процессы обмена с с молекулами в объеме гидратной оболочки. Диффузия молекул воды по всем позициям как в объеме, так и на поверхности усредняет ЛМП до значений, близких к опыту, хотя априори ясно, что молекулы второго и, вероятно, даже третьего (после пограничного) слоев воды должны находиться под некоторым влиянием активных центров белка и вносить некоторый вклад в рассчитываемую величину ЛМП. 

[c.136]


    В заключение отметим, что с точки зрения полного и физически разумного количественного описания динамики жидкостей все рассмотренные модели являются только первым приближением для описания диффузии и колебаний в воде, поскольку при их построении использован целый ряд упрощений. Только в пределе больших времен оседлой жизни ( это может иметь место при низких температурах) или при сильной электрострикции молекул воды в гидратной оболочке ионов гармоническое приближение и простая модель прыжковой диффузии [уравнение (4-5) табл. 4] являются законными. При высоких температурах и в растворах, в которых связи между молекулами воды ослаблены ионами, колебания становятся резко ангармоническими, замедленными релаксационным и диффузионным движениями. В этом случае поведение жидкости больше соответствует поведению системы свободных частиц [ уравнение(37)]. Предположение об отсутствии корреляции между диффузионным и колебательным движениями также является спорным вопросом. Недавно Раман и др. 
[c.227]

    Предложенная модель не исходит из того, что в каждый данный момент окружение для всех молекул воды идентично. На самом деле некоторые молекулы воды, связанные др г с другом водородными связями, образуют, кроме того, водородные связи с полимером. В любой момент времени возможно существование длинных, по существу линейных цепей из молекул воды, связанных водородными связями друг с другом. Диффузия такого кластера происходит в тех случаях, когда одни молекулы разрывают свои водородные связи с полимером и одновременно другие молекулы из того же кластера образуют Н-связи с полимером без разрыва Н-связей между молекулами воды. Таким путем осуществляется кооперативное движение молекул вместо индивидуального движения каждой молекулы. Кинетической единицей становится не отдельная молекула воды, а кластер. Вследствие того, что кластер диффундирует через неподвижную матрицу как одно целое, эти различные молекулы воды характеризуются и различным окружением. 

[c.147]

    Последовательное объяснение всех наблюдающихся особенностей спектров ЯМР гидратов с подвижными молекулами воды получено исходя из модели молекулярной диффузии кристаллизационной воды (Габуда, Михайлов, 1967). Рассмотрим основные закономерности сужения спектров ЯМР кристаллогидратов в высокотемпературной области. 

[c.17]

    Определение конфигурации молекул воды в приповерхностном слое по данным ЯМР. Анализ полученных результатов позволяет сделать заключение о реальном строении приповерхностного слоя воды в коллагене и о свойствах поверхности белковых молекул. Используя модель диффузии воды в коллагене, найдем по формуле (29) реальные значения и р . Из опыта АЯ = 2 = 0,62(3 соз 0 —1). Таким образом, име- 

[c.127]


    К сожалению, сорбционная теория, разработка которой осуществлена известным цитологом Д. Н. Насоновым, содержит ряд неизвестных или трудно определяемых параметров, например, упорядоченность воды как функция состояния белка, растворимость тех или иных веществ как функция упорядоченности воды и т. д. Поэтому в настоящее время всеобщее признание получила мембранная теория , согласно которой транспорт обменных веществ в клетку и из клетки осуществляется особыми мембранными насосами , причем внутриклеточная вода в мембранной теории играет роль растворителя со свойствами обычной воды. Отсюда видно, что модель диффузии воды в коллагене согласуется с представлениями мембранной теории о роли воды, в то время как теория анизотропного вращения молекул воды согласуется с адсорбционной теорией. На основе сказанного экспериментальное доказательство справедливости диффузионной модели имеет принципиальное значение. 
[c.138]

    Вывод кинетического уравнения может быть основан на следующей модели. 1) Реакция протекает между частицами хемосорбированного кислорода и молекулами водорода, находящимися в газовой фазе или же слабо связанными с поверхностью. Центры, на которых протекает реакция, могут быть отождествлены с местами, занятыми кислородом, которые составляют небольшую часть от общего числа центров на поверхности. 2) Продуктом реакции является вода, которая диффундирует от мест, на которых протекает реакция, и постепенно занимает остальную поверхность. В результате диффузии центры, на которых протекает реакция, освобождаются от молекул адсорбированной воды и быстро занимаются кислородом из газовой фазы. 3) Процесс диффузии является активационным процессом [4], скорость которого зависит от следующих факторов а) частоты перескоков В о, б) вероятности нахождения свободного центра рядом с центром адсорбции, пропорциональной (1 — 0), в) свободной энергии активации при нулевом покрытии, г) от величины свободной энергии активации, которая, в свою очередь, зависит от заполнения и является следствием наличия отталкивающего потенциала последний зависит от того, что хемосорбированные молекулы воды образуют-поверхностные диполи. 4) Скорость десорбции воды, равная скорости катализа, пропорциональна 0 и определяется теплотой адсорбции воды, которая обычно высока на окислах металлов и зависит от степени заполнения поверхности. 

[c.124]

    Изменение энтропии должно зависеть от влажности, если в подвижном состоянии образуется полость, которая содержит несколько связанных молекул воды. В неподвижном состоянии полость закрывается и молекулы воды вытесняются в окружающее пространство. В модели ограниченной диффузии (см. 1 гл. XI) под АР и Аб надо понимать свободную энергию и энтропию активации микровязкости. Большое изменение энтропии Аб 20 э. е. в фазовом переходе указывает на сложный характер молекулярной картины происходящих при этом процессов. [c.308]

    При температурах свыше 200—250 К спектры ЯМР широкопористых цеолитов резко (в сотни раз) сужаются и приобретают характерную для диффундируюш ей в кристаллах воды структуру. При этом существенны два факта. Во-первых, ширина суженного спектра Остается постоянной вплоть до температуры дегидратации (200—300°С и более). Это означает, что при всех температурах молекула движется по одному и тому же строго заданному структурой кристалла диффузионному пути в точнос ти так же, как п кристаллогидратах. Во-Ьторых, несмотря на низкотемпературную подвижность, сохраняются очень высокие значения темп рату-ры дегидратации. Данная особённость резко отличает цеолиты от кристаллогидратов, в которых дегидратация или плавление редко происходит при температурах заметно выше 100°С. Природа высокотемпературного гидратированного состояния цеолитов прояснилась только после обнаружения двухфазного строения цеолитной воды. Оказалось, что диффузия молекул воды в цеолитных каналах пе мешает некоторой части этих молекул быть жестко связанной в цеолитных каналах. Например, в мордените, несмотря па начало диффузионного сужения спектра ЯМР при —100°С, даже при +100°С остается около 10% жестко связанной воды (при этом полная дегидратация имеет место лишь при 450 С). Было предположено, что эти жестко связанные молекулы подобно пробкам блокируют цеолитный канал, преграждая путь диффундирующим молекулам. Отсюда естественно выдвинуть изохорическую модель цеолитной воды в замкнутом пространстве каналов. Нагрев повышает давление внутри канала а вместе с давлением растет и температура плавления цеолитной воды. В соответствии со сказанным диффузию воды в гидратированных цеолитах можно рассматривать как изохорическое (в замкнутом объеме) плавление. Очевидно также, что эффективность пробок в запирании объема каналов связана с их коллективными свойствами, вытекающими из наличия более прочных связей вода— вода в определенных участках цеолитных каналов. [c.124]


    В уравнении (14.1) цо — магнитная постоянная н — гиромагнитное отношение для протонов ft—постоянная Планка гнн — межпротонное расстояние в молекуле воды о — диаметр молекулы воды рн — численная плотность спинов Dtr — коэффициент трансляционной диффузии А — постоянная, значение которой зависит от выбранной модели трансляционной диффузии для модели случайных скачков Л 0,42 [582]. [c.230]

    Сравнение экспериментальных значений Ае(х ) с теоретическим показывает, что для описания теплового движения молекул воды модель непрерыв1юй диффузии совершенно неприменима. Удовлетворительное согласие экспериментальных данных с теоретическими получается в квазикристаллической модели, если для нее О = 1,85-10 м /с То = 2- Ю с т = О, т. е. молекула воды большую часть времени совершает колебательное движение в окружении своих соседей. Более детальное представление о динамике молекул в воде можно получить, анализируя неупругое рассеяние монохроматических медл енных нейтронов. [c.235]

    В [575, 579] подчеркивается, что микродинамика граничной воды может быть тесно связана с микродинамикой границ раздела, вблизи которых она формируется. К. Пакер [575] предложил модель микродинамики граничной воды, в которой разделены быстрые (/) и медленные (s) движения, связанные с подвижностью индивидуальных молекул воды (/) и переориентацией микрообластей (время корреляции тл) или конечным временем пребывания молекулы воды в пределах данной мик-рообластн [Tiat d /(4Z))] (рис. 14.1). Вклад медленных движений в спектр молекулярных движений воды может возникать вследствие заторможенной подвижности воды вблизи активных центров поверхности, анизотропии ориентационного упорядочения или анизотропии коэффициента трансляционной диффузии вблизи межфазной границы. [c.231]

    Алюмосиликатный каркас гмелинита состоит из гексагональных колец, расположенных в параллельных полостях в последовательности ААВВ ААВВ, или из двойных 6-членных колец (единиц ВбК), расположенных в последовательности АВАВ. Как и в шабазите, каркас образуется путем соединения единиц ВбК через наклонные 4-членные кольца [153]. Соотношение между гексагональной АВ-упаковкой единицы В6К в гмелините и кубической АВС-упаковкой в шабазите показано на рис. 2.25. Модель каркаса изображена па рис. 2.62, а объемная модель — на рис. 2.43. Изучение адсорбции газов дегидратированными кристаллами гмелинита показало, что по своим адсорбционным свойствам этот минерал аналогичен шабазиту [154]. Следовательно, свободный размер каналов ограничен диаметром 4 А в результате того, что большие каналы с диаметром 7 А. перекрываются смеш ениями кристаллической решетки [155]. Диффузия происходит главным образом по пересекаюш имся каналам, перпендикулярным оси с. Положение молекул воды и катионов в гидратированном гмелините не вполне точно установлено. В элементарной ячейке гмелинита имеется 2 места локализации катионов внутри гексагональных призм. Вблизи 8-членных колец должны локализоваться 6 одновалентных катионов. Синтетический цеолит 8 имеет структуру гмелинита, но полный анализ его структуры не проведен. [c.120]

    Габуда и Лундин [58] описывают закономерности, наблюдаемые в спектрах ЯМР кристаллогидратов при изменении температуры. Эти закономерности можно объяснить с помощью модели диффузии воды в кристаллической решетке. Найденные закономерности показывают соответствие между параметрами спектров, упаковкой молекул воды и характеристиками диффузии. [c.482]

    Изменение свойств воды в граничных слоях можно объяснить, исходя из ее двухструктурной модели [8, 9], сдвигом равновесия в сторону одной из структур в силовом поле поверхности и под влиянием расположенных на ней активных центров (например ОН-групп). Вблизи гидрофильных поверхностей сдвиг происходит, по-види-мому, в сторону более рыхлой льдообразной структуры. Это предположение подтверждается, например, наблюдаемым снижением плотности воды на участках контакта гидрофильных частиц глины [10, И], ростом коэффициентов теплового расширения в тонких порах [5, 6], снижением коэффициентов диффузии и уменьшением подвижности молекул воды, характеризуемой шириной линий в спектрах ЯМР [3]. Однако этот вопрос является дискуссионным и для его разрешения необходимы дополнительные эксперименты. [c.78]

    Концепция структурной диффузии , в неявном виде содержащаяся в теории Бернала и Фаулера, была усовершенствована Хаггинсом [157], который рассмотрел быстрый перенос протона по цепочкам молекул воды, связанных водородными связями, и принял в качестве замедленной стадии перенос протона через участок стыка одной такой цепочки с другой (см. также [159]). На этом участке из-за отсутствия водородной связи нарушается структурная непрерывность, т. е. образуется структурный дефект. Такая модель отражает и положение, существующее в ионе НдО [92, 93], в котором быстрые переносы протона могут происходить без повторной структурной перегруппировки, включающей все молекулы воды, при условии что перенос происходит только внутри комплекса, содержащего четыре атома кислорода. Подобный подход был использован недавно Джирером и Виртцем [159], которые использовали представления Эйкена [89, 160] о стехиометрической ассоциации воды. Авторы предполагают, что эффективные переносы протона могут происходить только в линейных агрегатах воды, образованных водородными связями, а не в замкнутых кольцевых структурах, которые не могут вносить заметный вклад в перенос заряда под действием поля. Подвижность А,н+ определяется выражением [c.110]

    Реальная структура слоев воды в глинистых минералах не настолько известна, чтобы воспользоваться методами, изложенными в гл. II для расчета ЛМП при диффузии. Поэтому в качестве модели для расчетов примем, что слои воды в вермикулите и монтмориллоните как бы вырезаны из структуры льда, в котором молекулы воды характеризуются тетраэдрической координацией другими молекулами воды. Соответствующие позиции называем Г-позициями. Естественно, что на границах водного пакета с пакетами слюды молекула воды будет координирована лишь тремя другими молекулами Н2О и одним атомом кислорода силикатных слоев либо гидроксилом, принадлежащим силикатным слоям. Соответствующие поверхностные позиции обозначим 5 и 5+. Из-за присутствия в водных слоях обменных катионов, компенсирующих избыточный отрицательный заряд силикатных слоев, 1гекоторая часть молекул должна занимать позиции С в координированной сфере катионов. Наконец, в льдоподобных каркасах молекулы во- [c.88]

    Очевидно, что в разупорядоченной а-модификации коллагена в рамках рассматриваемой модели число положений пг , пробегаемых молекулами воды в процессе диффузии, в несколько раз больше, чем тр в упорядоченной фазе. Следовательно, усреднение ЛМП в ра-зунорядочепной фазе априори будет более эффективным, чем в низкотемпературной фазе, хотя и неполным (до нуля), поскольку структура воды упорядочена и не является кубической. [c.121]

    Модель диффузии воды в коллагене. Из приведенного анализа следует, что в низкотемпературной фазе коллагена молекулы воды располагаются главным образом в характерных для льда позициях в центрах тетраэдрических группировок из четырех других молекул воды (Г-позиции). В процессе диффузии по Г-позициям локальное поле усредняется до нуля, и ответственным за конечную величину и наличие тонкой структуры спектра ЯМР следует считать исключительно позиции, занимаемые молекулами воды па самой поверхности белковых молекул. К ним можно отнести 1) заряженные и полярные группы боковых звеньев, в частности ОН-группы гидроксипролина 2) атомы кислорода карбонильных групп глицина и гидроксипролина, не занятые межцепьевыми водородными связями 3) ТУЯ-групны аминокислотных остатков, занимающих регулярные позиции пролина и гидроксипролина. [c.126]

    Модель диффузии воды в случае кристаллогидратов, цеолитов и глин подтвернгдена прямыми экспериментами. Можно предполагать поэтому, что и в случае гидратированных белков справедлива диффузионная модель. Однако в данном случае мы лишены возможности определить ориентации р-р-векторов всех молекул воды (как в цеолитах и кристаллогидратах) или. изменить химический состав поверхности субстрата (как в случае монтмориллонита). Тем самым обоснованность диффузионной модели в случае гидратированных белков может внушать определенные сомнения, несмотря на очевидный успех модели в объяснении целого ряда экспериме1 тов. [c.137]

    В каждом элементарном акте диффузии гидратного комплекса можно выделить две стадии выход молекулы слоя В из положения равновесия, ближайшего к гидратному комплексу, и смещение гидратного комплекса в образовавшуюся полость. Оба процесса обтекания иона молекулами воды вносят свой вклад в коэффициент диффузии ионов, что достаточно полно обосновано исследованиями, выполненными в работе [41]. Молекулярно-кинетическая модель двухслойной гидратной оболочки нашла свое подтверждение в работах Р. К. Мозитова и других исследователей [42]. [c.27]

    Действительно, если бы донором протонов была молекула воды, то рядом с адсорбированным атомом И, образовавшимся в результате разряда, всегда бы имелась молекула Н2О, немедленно поставляющая протон для образования На. Если же донором протона является ион Н3О+, то между образованием адсорбированного И и его превращением в Иг должно пройти некоторое время, необходимое для диффузии Н3О+ к месту реакции Это время заведомо больше, чем период валентных колебаний по связи М—И. Но в рамках модели Хориучи—Поляни адсорбированный атом И не может существовать дольше, чем т , поскольку на его обратном пути к исходному состоянию нет барьера и при первом же колебании он окажется в исходной потенциальной яме. Строго говоря, в рамках модели Хориучи—Поляни, когда координата протона является единственной координатой реакции, безбарьерный раз- [c.118]

    Оценка ожидаемого изменения энтропии, соответствующего взаимному сближению реагирующих молекул, также не приводит к однозначному результату. В качестве модели процесса сближения молекулы воды с ацильным или карбонильным реагентом в переходном состоянии реакции можно рассмотреть равновесную гидратацию альдегидов. Энтропия данного равновесия равна приблизительно —18 энтр, ед. [23]. Найденное значение является более отрицательным, чем можно было бы ожидать. Это указывает на то, что в молекуле гидрата альдегида и в его сольватной оболочке свободное движение больше ограничено, чем в исходных соединениях. Брюс и Бенкович показали, что энтропия активации ряда нуклеофильных реакций с участием фениловых эфиров весьма просто зависит от кинетического порядка реакции, а именно увеличение порядка реакции на единицу приводит к уменьшению члена ТА8 приблизительно на 5 ккал/моль (20,9 кДж/моль) [28]. Среди примеров, рассмотренных этими авторами, имеется сравнение внутри-и межмолекулярной реакций аминолиза фениловых эфиров глутаровой кислоты, а также сравнение реакций, включающих общеосновной или кислотный катализ, с некатализируемыми реакциями. Эти результаты, однако, трудно интерпретировать детально. Так, значение АН для гидразинолиза фенилацетата, катализируемого ионом гидразония (реакция третьего порядка), составляет приблизительно 1 кв ал/моль (4,2 кДж/моль). Это меньше, чем величина АН= для диффузии в воде, равная 3—4 ккал/моль (12,5— 16,7 кДж/моль). Поэтому можно предположить, что существует некоторый компенсирующий процесс, искажающий собственную энтальпию активации вторичным эффектом (например, сольватационным), который приводит к компенсации энтальпийного и энтропийного изменений. [c.26]

    Как мы видели в разд. 4.2, биоструктуры, в частности, белки содержат в своем составе разнообразные ССИВС, значительная часть которых погружена в гидрофобную среду — следовательно, среда для ССИВС является благоприятной. С другой стороны, все надмолекулярные структуры расположены в водной среде, которая исключительно благоприятна как для диффузии молекул доноров и акцепторов, обеспечивающей сменяемость их на концах ССИВС, так и для захвата и отдачи протонов. Более того, особенность структуры и свойства воды таковы, что она сама непосредственно может участвовать в процессах отщепления и присоединения доноров и акцепторов, а также выступать в качестве таковых (например, в гидролитических процессах). Таким образом, среда биоструктур также способствует возможности реализации нашей модели. [c.83]

    Еслп пмеет место обмен между поверхностными и объемными позициями молекул воды, то среднее значение константы диноль-дппольного взаимодействия в молекуле воды будет прямо пропорционально величине отношения поверхности к объему. В модели, исходящей пз представления о двойном слое структуры льда, половина молекул воды находится в объеме. Значит, усреднение за счет объемной диффузии даст половину значения, полученного только за счет поверхностной диффузии и вращения молекул вокруг связей, т. е. константа диполь-дипольного взаимодействия протонов молекул НгО в кальциевой форме фтормонтморпллони-аа дояялна равняться 11,2 кГц (опыт — 12,8 кГц) и для гидроксилмонтмориллонита 5,5 кГц (опыт — около [c.137]


ИЗУЧЕНИЕ СТЕПЕНИ ГИДРАТАЦИИ НЕЙРАМИНИДАЗЫ ВИРУСА ГРИППА | Гребенкина

1. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М.: Институт компьютерных исследований. 2004. 212 с. [Aksenov S.I. Voda i ee rol’ v regulyatsii biologicheskikh protsessov [Water and its role in the regulation of biological processes]. Moscow: Institute of Computer Science, 2004, 212 p.]

2. Вирусология. Методы: пер. англ. Под ред. Мейхи Б.М.: Мир, 1988. 344 с. [Barrett T., Bird P., Clegg J. Virusologiya. Metody. Pod red. Meikhi B. [Virology. Methods. Ed. Meikhi B.]. Moscow: Mir, 1988, 344 p.]

3. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. Пер. с англ., 2-е изд. М.: Мир. 1984. 306 с. [Greg S., Sing K. Adsorbtsiya, udel’naya poverkhnost’, poristost’ [Absorption, specific surface, porosity]. 2rd ed. Moscow: Mir. 1984, 306 p.]

4. Лихтенштейн Г.И. Закономерности в энтропийных и энергетических свойствах ферментативных процессов // Биофизика. 1966. Т. 19. С. 562–575. [Likhtenshtein G.I. Regularities in the entropic and energy properties of enzymatic processes. Biofizika = Biophysics, 1966, vol. 19, pp. 562–575. (In Russ.)]

5. Методы определения показателей качества иммунобиологических препаратов для профилактики гриппа: методические указания (МУ 3.3.2.1758-03). М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора МЗ РФ. 2005. 44 с. [Metody opredeleniya kachestva immunobiologicheskikh preparatov dlya profilaktiki grippa: metodicheskie ukazaniya (MU 3.3.2.1758-03). [Methods for determining the quality of immunobiological preparations for the prevention of influenza: guidelines (MU 3.3.2.1758-03)]. Moscow: Federal Center for State Sanitary and Epidemiological Supervision of the Ministry of Health of the Russian Federation, 2005. 44 p.]. URL: http://rospotrebnadzor.ru/documents/details.php?ELEMENT_ID=4727 (29.09.2017)

6. Остарман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот: Электрофорез и ультрацентрифугирование (практическое пособие). М.: Наука. 1981. 288 с. [Ostarman L.A. Metody issledovaniya belkov i nukleinovykh kislot: Elektroforez i ul’tratsentrifugirovanie (prakticheskoe posobie) [Research methods proteins and nucleic acids: Electrophoresis and ultracentrifuge forces (practical guide)]. Moscow: Science, 1981, 288 p.]

7. Туроверов К.К., Кузнецова И.М. Собственная УФ-флуоресценция белков как инструмент для изучения их динамики // Цитология. 1998. Т. 40, № 8–9. С. 735–746. [Turoverov K.K., Kuznetsova I.M. Own UV-fluorescence of proteins as a tool for studying their dynamics. Tsitologiya = Cytology, 1998, vol. 40, no. 8–9, pp. 735–746. (In Russ.)]

8. Хургин Ю.И., Росляков В.Я., Клячко-Гурвич А.Л., Бруева Т.Р. Адсорбция паров воды химотрипсинов и лизоцимом // Биохимия. 1972. № 37. С. 485–492. [Khurgin Yu.I., Roslyakov V.Ya., Klyachko-Gurvich A.L., Brueva T.R. Adsorption of water vapor of chymotrypsins and lysozyme. Biokhimiya = Biochemistry, 1972, no. 37, pp. 485–492. (In Russ.)]

9. Frauenfelder H., Petsko G. A., Tsernoglou D. Temperature-dependent X-ray diffraction as a probe of protein structural dynamics. Nature, 1979, vol. 280, pp. 558–565. doi: 10.1038/280558a0

10. Varghese J.N., Laver W.G., Colman P.M. Structure of influenza virus glycoprotein antigen neuraminidase at 2.9 Å resolution. Nature, 1983, vol. 303, pp. 35–40.

Загадка молекулярной структуры воды | Новости сибирской науки

​Международная группа учёных разбиралась, как происходит вращение молекулы воды и каковы ее критические свойства и локальная структура. 

Как двигается молекула в поле рентгеновского излучения и какова структура жидкостей — всё это нужно для понимания механизмов взаимодействия излучения с веществом и структурой сложных молекулярных систем.

Так, наблюдая за молекулярным движением, ученые используют динамический вращательный эффект Доплера. Наличие изолированных колебательных состояний в Оже-переходах дает уникальный способ изучения индуцированного молекулярного вращения.

Теоретические предсказания подтверждаются на практике. При помощи современных синхротронов и экспериментальной методики есть возможность изучать сверхбыстрое молекулярное вращение во льду, в газообразном и жидком состоянии воды. Применяя Оже-спектроскопию и рентгеновскую фотоионизацию, специалисты рассматривают поведение молекул воды при высоких энергиях фотонов.

Фарис Хафизович Гельмуханов – доктор физ-мат. наук, ведущий научный сотрудник, профессор Института нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета (г. Красноярск), приглашенный исследователь, профессор отделения теоретической химии и биологии Королевского технологического института в Стокгольме (Швеция). Выпускник Новосибирского государственного университета, бывший сотрудник Института автоматики и электрометрии (г. Новосибирск) – рассказал об актуальных исследованиях по изучению атомных связей в молекуле воды, которые проходили в сотрудничестве с зарубежными специалистами, использующими новейшее оборудование.

Ряд исследований международной команды ученых представлен несколькими значимыми публикациями. Например, в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 116(11), 4877–4882 (2019) внимание специалистов направлено на изучение движения молекулы углекислого газа (CO) с использованием динамического вращательного эффекта Доплера.

Фарис Гельмуханов пояснил, как меняется молекулярная ориентация, в частности, как возникает индуцированная отдача молекулярного вращения и каковы отличительные особенности Оже-спектров молекулы:

 

Рис.1

«Эффект Допплера имеет место для любых волн – звуковых волн, волн на воде, фотонов, электронов и так далее. Эффект Допплера мы наблюдаем и в повседневной жизни: если машина скорой помощи с включённой сиреной приближается к вам, вы слышите высокую частоту. Как только автомобиль проедет мимо – вы слышите низкий звук (см. Рис. 1).

Поскольку молекулы двигаются, эффект Допплера можно наблюдать и по характерному сдвигу частоты или энергии испущенного фотона или электрона. Важно отметить, что эффект Допплера можно наблюдать как при поступательном движении молекул, так и при их вращении (вращательный эффект Допплера). Однако длительное время считалось невозможным обнаружить вращения в рентгеновских спектрах в силу сверхбыстрого характера рентгеновского процесса, длительность которого была слишком короткой по сравнению с периодом медленных молекулярных вращений. Тем самым делая невозможным “увидеть” вращение молекулы».

Профессор выделяет два ключевых момента исследованного явления: «Первый момент заключается в переводе молекулы в состояние сверхбыстрого вращения. Для этого исследователи ионизовали молекулу CO фотонами большой энергии (около 10 кэВ). Подобно снаряду, вылетевший из атома углерода быстрый фотоэлектрон, сообщил этому атому момент импульса. В результате этой отдачи, молекуле была сообщена большая скорость вращения с характерной вращательной температурой, близкой к температуре на поверхности солнца (10 000 K)».

 

Рис. 2. Быстрый фотоэлектрон при вылете из атома углерода (красный шарик) толкает за счет отдачи и приводит к сверхбыстрому вращению молекулы CO. Через 8 fs влетает Оже-электрон. Оже-спектр дает информацию о повороте оси молекулы за время жизни 1s-дырочного состояния (8 fs).

«Следует отметить, что фотоэлектрон с той же самой вероятностью влетает в противоположную сторону. Тем самым у нас будут молекулы сверхбыстрого вращения в противоположную сторону. Mы детектировали это вращение, измеряя энергию испущенного Оже-электрона (см. Рис. 2).

Вращение молекулы сдвигает энергию Оже-электрона в сторону увеличения или уменьшения. Это зависит от направления вращения. Taк как у нас половина молекулы крутится в одну сторону, а другая половина в противоположную сторону, то Оже-резонанс расщепляется на два пика (см. Рис. 3a), – поясняет профессор Гельмуханов и продолжает далее –

Нo молекула, благодаря этому сверхбыстрому вращению, могла успеть повернуться на заметный угол за короткое время (порядка 8 фемтосекунд) рентгеновского процесса (см. Рис. 2)».

Второй ключевой момент работы, по словам Фариса Гельмуханова, заключается «в детектировании этого угла поворота. В качестве такого временного детектора использовался тот самый Оже-электрон, вылетевший через приблизительно 8 фемтосекунд после ионизации. Оказалось, что сверхбыстрый поворот молекулы приводит к зависящему от времени Допплеровскому сдвигу Оже-резонанса и характерной ассиметрии спектральной формы этого резонанса (см. Рисунок 3). Варьируя энергию рентгеновского фотона, а, следовательно, и скорость индуцированного вращения, удалось визуализировать динамику этого вращения».

 

Рис.3. a) вращательный эффект Допплера приводит к расщеплению Оже-резонанса на два пика с одинаковой интенсивностью; b) теория предсказывает, что проворот оси молекулы за время жизни ионизованного состояния молекулы CO приводит к ассиметрии дуплета c) экспериментальный спектр

В этой работе по изучению Динамического эффекта Допплера воды участвовали теоретики и экспериментаторы. Группу теоретиков возглавил профессор Фарис Гельмуханов. Эксперимент был выполнен на синхротроне SOLEIL (Париж, Франция).

Следующий этап исследований был посвящен изучению локальной структуры жидкой воды. Pезультаты этой работы опубликованы в престижном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 116 (10) 4058-4063 (2019).

По словам Фариса Гельмуханова, «общепринято, что вода состоит из молекул Н2О, объединенных в группы так называемыми водородными связями (ВС). Hе связанные в кластеры молекулы воды присутствуют в ней лишь в небольшом количестве. Часто водородную связь рассматривают как электростатическое взаимодействие, усиленное небольшим размером водорода, которое разрешает близость взаимодействующих диполей. Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность, её распространенность и важность, особенно в органических соединения. Для возникновения водородных связей важно, чтобы в молекулах вещества были атомы водорода, связанные с небольшими, но электроотрицательными атомами, например: O, N, F».

Суть исследований помог понять профессор Гельмуханов: «Существует две модели жидкой воды. Большинство экспериментальных данных указывает на то, что вода является однородной, c плотностью 1г\см3. Несмотря на это, многие ученые думают, что вода есть флуктуирующая смесь кластеров двух типов, в одном их которых молекулы связаны друг с другом водородной связью как во льду, а в другом связи нарушены. Благодаря чему эти кластеры более плотные. Наши недавние теоретические и экспериментальные исследования показали, что жидкая вода все-таки является однородной».

Как сообщил Фарис Гельмуханов, «было проведено два типа экспериментов: во-первых, измерение рентгеновских спектров поглощения (RSP) газообразной воды, жидкой воды и льда в широком диапазоне энергии. Измерение RSP вдали от порога ионизации 1S электрона атома кислорода в воде было необходимо, чтобы откалибровать по интенсивности RSP паров воды, жидкой воды и льда (в этой области RSP всех трёх фаз воды строго совпадают). Измерение RSP до порога ионизации позволило нам количественно сравнить вероятность перехода 1S электрона на первую незанятую молекулярную орбиталь. Сравнение вероятности этого перехода в газе, жидкой воде и во льду было ключевым моментом нашего эксперимента. Из этого сравнения мы извлекли такой фундаментальный параметр жидкой воды, как среднее число водородных связей, приходящееся на одну молекулу. Это число оказалось равным 3.5, что близко к числу водородных связей во льду (=4). Тем самым мы показали, что локальная структура воды очень близка к структуре льда. Данный эксперимент был выполнен на пучке жестких рентгеновских фотонов «ID20» синхротрона (European Synchrotron Radiation Facility, в Гренобле, (Франция)).

Во втором случае измерялся спектр резонансного неупругого рассеяния рентгеновского излучения (PHPPИ)) газообразной и жидкой водой. Для этого использовался спектрометр SAXES на пучке рентгеновских фотонов “ADRESS” синхротрона “Swiss Light Source” в Швейцарии.

Что представляет собой PHPPИ метод? Как объяснил профессор, «резонансноe неупругоe рассеяниe рентгеновского излучения (PHPPИ) может приблизительно рассматриваться как 2-этапный процесс. На первом этапе молекула поглощает падающий рентгеновский фотон и переходит из основного в высоковозбужденное промежуточное состояние с «дыркой» на 1s-уровне соответствующего атома. Это промежуточное состояние неустойчиво и оно распадается в конечное состояние, испустив конечный рентгеновский фотон. Очевидно, энергия испустившего фотона меньше энергии начального фотона на разницу энергии конечного и начального состояния молекул».

Далее, экспериментальный материал был детально проанализирован теоретиками при помощи соответствующих расчетов и опубликован в престижном международном журнале Nature Communications 10: 1013 (2019). Здесь акцент ставится на прочности водородной связи в жидкой воде, а в основе лежат показания, снятые при помощи метода резононсного рассеяния рентгеновского излучения (PHPPИ)).

Фарис Гельмуханов подробно прокомментировал основные положения этого исследования:«Mногие ученые считают, что вода есть флуктуирующая смесь кластеров двух типов (лёгкая и тяжёлая фракции), в одном из которых молекулы связаны друг с другом, как во льду, а в другом связи нарушены, благодаря чему эти кластеры более плотные. Но так ли это? Если изучать резонансное неупругое рассеяние рентгеновского излучения (RNRRI) водой, то можно увидеть эмиссионный переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали 1b1 заполняет дырку, созданную падающим фотоном в глубоком 1s уровне атома кислорода. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление этого резонанса на два пика. В научной литературе часть ученых приписывает этот дублет двум вышеупомянутым структурным мотивам. Из этого делаются далеко идущие заключения о локальной структуре и критических свойствах воды. Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы данной работы выполнили недавно RNRRI эксперимент с парами воды, т.е. измерили RNRRI спектр изолированной молекулы воды».

Как заверил профессор Гельмуханов, «эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе, где очевидно водородная связь отсутствует и вопрос о легкой и тяжелой фракциях не возникает. Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют данное расщепление сверхбыстрой диссоциациeй молекулы воды в 1s-дырочном состоянии. Таким образом, данное исследование, однозначно свидетельствуя о динамической природе расщепления 1b1 резонанса, опровергает структурный механизм, тем самым свидетельствуя, что структура воды однородна».

 

Рис. 4. Левая панель показывает распределение молекул воды в жидкой фазе. Средняя врезка показывает процесс неупругого рассеяния молекулой воды, а правый рисунок показывает колебательную d-структуру в PHPPИ спектре.

Вторым не менее важным результатом данной работы, по словам российского ученого, является «извлечение из эксперимента более детальной структурной информации, а именно, как влияет водороднaя связь (ВС) на силу OH связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия является общепринятым инструментом для исследования ВС в жидкостях. Однако в жидкостях ИК-спектроскопия исследует лишь наиболее интенсивный переход в первое колебательное состояние, которое “слабо чувствует” межмолекулярное взаимодействие (см. Рис. 4) в силу малой амплитуды колебаний. Спектроскопия RNRRI воды качественно отличается от ИК спектроскопии тем, что при возбуждении рентгеновским фотоном глубокого 1s электрона кислорода на первую незанятую молекулярную орбиту, молекула воды быстро диссоциирует. В процессе этой сверхбыстрой диссоциации возбуждённый электрон переходит обратно на 1s уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе заселяются более высокие колебательные уровни (см. Рис. 4). Таким образом, в отличие от ИК-спектра, RNRRI спектр состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние (см. Рис. 4), тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе OH колебаний и тем сильнее данное колебание “чувствует” взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь».

Итак, «PHPPИ даёт уникальную возможность исследовать ВС, а именно, извлечь из экспериментального спектра количественную информацию o влиянии соседних молекул через ВС на потенциал взаимодействия OH связи. Важно отметить, что в отличие от изолированной молекулы воды с одним OH потенциалом, в жидкости имеется набор (распределение) OH потенциалов в силу флуктуирующего многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, вторым результатом работы является “измерение” распределения OH потенциалов в сети флуктуирующих водородных связей», — заключил физик.

В этой многоаспектной работе по изучению структуры жидкой воды участвовало две группы: теоретики и экспериментаторы. Группу теоретиков возглавлял профессор Фарис Гельмуханов. Сюда вошли специалисты из разных научных учреждений, в частности, из Королевского технологического института (Стокгольм), Стокгольмского университета и российские ученые Сибирского федерального университета (доктор Сергей Полютов и аспирантка Нина Игнатова).

Руководителем экспериментальной группы был профессор Александр Фёxлиш (Alexander Föhlisch) из Института методов и приборов для исследования синхротронного излучения (Берлинский центр материалов и энергии имени Гельмгольца, Берлин, Германия). Она представлена учеными из Германии и Швейцарии (синхротрон “Swiss Light Source”).

Важно, что вторая практическая работа, выводы которой обнародованы в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 116 (10) 4058-4063 (2019) выполнена на двух синхротронах: это Европейская установка синхротронного излучения “European Synchrotron Radiation Facility”, в Гренобле, (Франция) и “Swiss Light Source” в Швейцарии. По замечанию профессора Гельмуханова, “Swiss Light Source «уникальный спектрометр, который обладает в настоящее время лучшим в мире пo спектральному разрешению. Поэтому мы измеряем на нем, чтобы увидеть в PHPPИ спектре колебательную структуру воды в жидкой фазе , связанную с колебаниями OH связи в молекуле воды».

Итогом длительной работы ученых стало обнаружение нового физического эффекта – Динамического вращательного эффекта Допплера, а также детальное исследование роли структуры и ядерной динамики на рентеновские спектры паров воды, жидкой воды и льда. Впервые удалось визуализировать Динамику индуцированного вращения. Экспериментальные данные, дополненные теоретическими расчетами позволили получить детальную структурную информацию о жидкой воде, и было показано, что структура воды однородна.

Олеся Фарберович

Строение молекулы, структура в жидком, твердом, газообразном виде

Содержание:

 

1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.
2. Структура воды. Водородные связи.
3. Структура воды в жидком  виде.
4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.
5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.

 

1. Современные представления о составе и структуре воды. Строение молекулы воды. Легкая и тяжелая вода.

• Опорные даты начала исследовании воды:
1781 г. — Вода впервые была синтезирована Г.Кавендишем при сгорании водорода;
1783 г. — Лавуазье предложил истинный состав воды как сложного соединения кислорода и водорода;
1800 г. — А.Карлейль и У.Никольсон с помощью тока, полученного в вольтовом столбе, разложили воду на кислород и водород;
1805 г. — Жозеф Луи Гей-Люссак и А.Гумбольдт, проведя совместные опыты, установили, что для образования воды необходимы 2 объема водорода и 1 объем кислорода;
1842 г. — Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водорода и кислорода в воде как 2:16;
1860 г. — С.Канницаро предложил точную химическую формулу воды как h3O.
• К настоящему времени предложено более 100 моделей структуры воды, начиная с работ Дж. Бернала и Р. Фаулера.
 
Мы знаем, что вода существует в жидком, газообразном и твердом виде. Но возможны и субструктуры, отличающиеся по свойствам в рамках одного и того же агрегатного состояния. Посмотрите на общую фазовую диаграмму воды: римскими цифрами показаны различные структурные модификации льда.

 

Рисунок 1 — Фазовая диаграмма воды.
 
В «тройной» точке на диаграмме может одновременно существовать вода во всех трех агрегатных состояниях.

 

В «критической» точке все свойства жидкости и пара (энергия, плотность, структура, характер движения частиц и т.п.) становятся равны. При более высоком давлении и/или температуре агрегатное состояние воды называют «сверхкритическим».

 

В молекуле воды три атома: два водорода и один кислород. Между собой они соединены ковалентной связью. Молекула является двойным симметричным донором и акцептором протонов. Атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов. Это определяет структуру воды и ее строение в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основании — два водорода (рисунок 2).

 

Рисунок 2 — Электронная и геометрическая модель структуры молекулы воды.

  

В стабильном энергетическом состоянии молекула воды имеет тетраэдрическую пространственную структуру. При изменении агрегатного состояния воды длина сторон и угол между ними меняются. Если бы мы увидели молекулу воды, то обнаружили, что она имеет сфероидальную форму с двумя выпуклостями (рисунок 3).

 
Рисунок 3 — Локальное распределение некомпенсированных зарядов в молекуле воды.
 
Молекула воды полярна, т.е. один ее конец имеет частичный положительный заряд, а другой — отрицательный. Это объясняется тем, что две пары электронов в ней —  общие у двух атомов водорода и атома кислорода, а две другие пары неподеленных электронов собраны с противоположной стороны кислорода. Поэтому на атомах водорода проявляются частично нескомпенсированные положительные заряды, а на кислороде — отрицательные.

 
Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар обуславливает возникновение водородных связей, что способствует ассоциации молекул воды в группы.

 
Обладая значительным дипольным моментом, молекулы воды также сильно взаимодействуют с полярными молекулами других веществ.

  

Идеально чистую воду практически невозможно получить. По факту, мы всегда будем иметь дело хоть и с очень разбавленными, но растворами.

  

Кроме известной нам «легкой» воды 1H216O (где надстрочный индекс — атомная масса элемента), существует еще 8 изотопологов, в которых вместо обычного водорода и кислорода содержатся их изотопы: 1HD16O (D-дейтерий или 2H), D216O, 1H217O, 1HD17O, D217O, 1H218O, 1HD18O, D218O (самая «тяжелая» вода).

 
В природе на 1 000 000 молекул воды в среднем приходится:
— 997 284 молекул легкой воды 1H216O;
— 311 молекул 1HD16O;
— 390 молекул 1H217O;
— 2005 молекул 1H218O.

 
Если из глубинной океанической воды, отвечающей стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water) удалить все тяжелые изотопы и заменить их на 1H216O, то масса 1 л такой воды станет меньше на 250 мг, т.е. на четверть.

 

2. Структура воды. Водородные связи.

Структура — есть конкретное пространственное расположение атомов, ионов или молекул в соответствии с особенностями их взаимодействия между собой.

 
Существует несколько базовых гипотез строения воды. Две основных:
• Гипотеза Уайтинга (1883). Вода в жидком виде состоит из гидролей, а точнее из смеси моногидроля H2O, дигидроля (H2O)2, и тригидроля (H2O)3. Основной строительной единицей здесь является дигидроль. Отметим, что по этой гипотезе пар состоит преимущественно из моногидроля, а лед — из тригидроля.
• Гипотеза О.Я. Самойлова, Дж. Попла, Г.Н. Зацепиной (XX век). Вода, пар или лед состоят из простых молекул H2O, объединенных в группы или агрегаты с помощью водородных связей (Дж. Бернал, Р. Фаулер 1933).
Последователей второй гипотезы значительно больше, поэтому остановимся на ней подробнее.
Электронная конфигурация молекулы H2O позволяет ей быть одновременно и донором и акцептором электронов. Этот факт является важной предпосылкой к образованию разветвленной сети водородных связей (рисунок 4), как уже было упомянуто ранее. Лед в этом отношении совершенен.

  

  
Рисунок 4 — Образование водородных связей между молекулами воды. Сплошные линии — ковалентные связи, точечные — направленные водородные связи.
 
Расчетами установлено, что в любом объеме воды всегда найдется, по крайней мере, одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем. Если представить в виде этого объема мировой океан, то, согласно этого постулата, в нем точно найдется одна гигантская ассоциация молекул воды, опоясывающая земной шар. Известен афоризм И. Ленгмюра: «Океан — одна большая молекула». Сегодня достоверно установлено, что из каждых 10 молекул воды 8 по прежнему окружены соседями.

 
В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей.

 
Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда.
 

3. Структура воды в жидком  виде.

  

 

Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, т.е. способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем. Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре.

 

Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем.
 
Согласно одной из первых моделей воды Бернала и Фаулера, основанной на рентгеноструктурном анализе, существует три формы расположения молекул в жидкой воде:

  • При температуре ниже 4о С — льдоподобная структура тридимита;
  • При обыкновенной температуре — кварцеподобная структура;
  • При высоких температурах — плотнейшая структура.

 

Эта теория оказалась верной лишь методологически, многие ее детали на практике не подтвердились. Однако, главное ее достижение — идея о наличии тетраэдрической сетки.

 
В 1951 г. Дж. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки (рисунок 5), отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину.

 

 
Рисунок 5 — Модель жидкой воды Дж.Попла.
 
Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления.

 
Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как «смешанные».

 
Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г.Немети и Х.Шераги (рисунок 6). Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно.

 

  

Рисунок 6 — Кластерная модель Г.Немети и Х.Шераги.
 
Кластерная модель не говорит о расположении молекул в гроздьях, но авторы предполагают наличие отдельных «роев». При этом постулируется тот факт, что большинство молекул должно быть тетракоординировано. Состояние молекул будет определяться количеством водородных связей, которые она образует (0-5).

 
Удар по кластерной теории наносят исследования Г.Стэнли на основе теории перколяции (протекания). Г.Стэнли доказывает невозможность существования в воде изолированных кластеров.

 
Клатратная модель говорила о воде как о непрерывной сетке-каркасе связанных молекул, внутри которого содержались пустоты со свободными молекулами.

 
Первую модель клатратного типа предложил О.Я.Самойлов в 1946 году. В ее основе лежало представление о жидкой воде как о испорченной, размытой структуре льда Ih с частичным заполнением полостей мономерами. В процессе движения молекул решетка постоянно перестраивается. Настройкой свойств и концентраций микрофаз, а также параметрами пустот легко можно было объяснить все закономерности свойств воды.

  

Сегодня существует еще много вопросов о воде в метастабильных состояниях, в частности — аморфных. Дальнейшее исследование структуры воды продолжается на основе компьютерного моделирования и численных экспериментов. Сегодня на эту тему опубликовано несколько тысяч работ, среди которых оригинальными являются работы Г.Г. Маленкова. В работах по моделированию воды используется 2 критерия: геометрический и энергетический.

 
Пустоты в воде по результатам моделирования имеют тенденцию объединяться друг с другом, образуя еще более крупные пустоты, как показано на рисунке 7.
  

 

Рисунок 7 — Размещение пустот в пространстве (3456 молекул при температуре 300К).
 
По результатам компьютерного моделирования структуры воды можно сделать однозначные выводы, что в ней существует трехмерная сетка из молекул, соединенных водородными связями.  Сетка структурно и динамически неоднородна, не похожа на структуру кристаллов. Время жизни водородной связи в сетке составляет несколько пикосекунд (10-12 с). На рисунке 8 представлена принципиальная схема эволюции кластера.

  

  
Рисунок 8 — Эволюция кластеров из молекул воды в рамках модели числового моделирования.
 
Рассмотрим кластерную и клатратную модели строения жидкой воды подробнее.
  

3.1 Кластерная модель строения жидкой воды.

  

Согласно квантово-химическим расчетам большей устойчивостью обладают линейного «открытого» димера воды, по сравнению с циклическими формами. В случае цикла выгодными являются трех-четырех- и пятичленные образования, в которых водородные связи имеют одинаковое направление. Для шестичленного цикла выгодным становится структура типа «кресло».

 
Одно из первых изображений формирования циклических кластеров воды приведено на рисунке 9.

  

  
Рисунок 9 — Формирование циклического кластера воды.
 
Большой вклад в возможность формирования и устойчивость кластеров воды во времени внесли работы Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского. Они доказывали существование механохимических реакций радикальной диссоциации воды. Доказательство основывалось на том, что вода, по их мнению, представляет собой динамически нестабильную полимероподобную систему и по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механическом воздействии на воду поглощенная водой энергия используется для разрыва химических связей H-OH. Реакция разрыва связи может выглядеть так:
 

(H2O)n(H2O…H-|-OH)(H2O)m + e(H2O)n+1(H) + (OH)(H2O)m

 
где: е — неспаренный электрон.
 
Рассчитав эффективность механодиссоциации воды, авторы пришли к выводу, что кислород на Земле появился при диссоциации воды.

 
Итак, вода, по мнению Г.А.Домрачева и Д.А. Селивановского — это громадный полимер из молекул воды, связанных водородными связями. Интересно, что в молекуле классического полимера атомы объединены ковалентными связями. При этом установлено, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет на 10% ковалентный характер.

 
В 1993 г. К.Джордан предложил свои варианты устойчивых «ассоциатов воды», которые состоят из 6 молекул (рисунок 10).

  

  
Рисунок 10 — Образование ассоциатов воды по К.Джордану.
 
По Джордану кластеры могут объединяться и друг с другом, и со свободными молекулами воды за счет водородных связей, формируя более крупные ассоциаты. Такие кластеры могут объединяться как друг с другом, так и со свободными молекулами воды.

 
Квантово-химические расчеты нанокластеров с общей формулой (H2O)n с n=6-20 показали, что самые устойчивые структуры образуются посредством взаимодействия тетрамерных и пентамерных кольцевых структур (рисунок 11). На рисунке ниже показаны возможные структуры конформации кластеров воды.

  

  
Рисунок 11 — Возможные структуры и конформации кластеров воды (a-h) состава (H2O)n, где n=5-20: a,b — 6, d — 10, e — 12, f — 8, g — 15, h — 20.

 
Считается, что тетрагональная структура льда разрушается при плавлении с образованием смеси, состоящей из три-, тетра-, пента-, гексамеров воды и свободных молекул.
 
В 1999 г. Р.Секайли удалось расшифровать строение тримера воды,
а в 2001 г. — тетрамера, пентамера и гексамера, структуру клетки:
  

  

Рисунок 12 — Строение тримера, тетрамера, пентамера и гексамера-кластера воды по Р.Сейкалли.
 
Оригинальной кластерной моделью является теория С.В.Зенина. Согласно модели С.В.Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур «ассоциато». Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 (простой тетраэдр) или 5 (объемно-центрированный тетраэдр) молекул воды. При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13.

  

  
Рисунок 13 — Формирование сложных ассоциатов из молекул воды по С.В.Зенину.
 
Кластеры, содержащие 20 молекул воды (додэкаэдры) более стабильны. Схема их образования показана на рисунке 14.

  

  

Рисунок 14 — Формирование кластеров воды из 20 молекул.
 
Из четырех таких образований возникают энергетически выгодные «кванты» — тетраэдрические додекаэдры (рисунок 15).

  

  

Рисунок 15 — Модель ассоциата воды из 57 молекул — «квант» (тетраэдр из четырех додекаэдров).
 
Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей.

 
Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа «четырехконечной звезды» и «шестилучевой снежинки».

 
При взаимодействии двух пятиквантовых фракций и одной шестиквантовой образуется кластер — ромбический куб с ребром 2,9 нм и острым углом в 60о (рисунок 16).

  

  
Рисунок 16 — Принципиальная модель кластера воды из 912 молекул (16 «квантов» воды).
 
На каждой грани такого куба существует уже по 24 центра образования водородных связей. Такой 16 квантовый куб с 912 молекулами, по Зенину, является наиболее устойчивым образованием в воде, причем их доля в структуре воды превалирует — около 80%. Еще 15% — это додекаэдрические тетраэдры, а 3-5% — неассоциированные молекулы воды. Данные цифры были подтверждены экспериментально.
 
На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной (нейтральной).
 
Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком «режиме» из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 (микроизображение в режиме фазового контраста).

  

  
Рисунок 17 — Микроизображение объемной структуры воды.
 
Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации.
 
Интересно, что по мнению Зенина, если степень возмущения структурных элементов воды недостаточна для перестройки всей структуры, то после снятия возмущения система релаксирует 30-40 минут до возвращения в исходное состояние. Если же переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то оказанное воздействие отразится на новом состоянии.
 
Альтернативную, но похожую теорию выдвинул М.Чаплин.
В его теории структурные элементы — это икосаэдры. По результатам расчетов Лободы и Гончарука кластеры показывают повышение устойчивости в ряду (H2O)20 < (H2O)100 < (H2O)280. Кластеры из 100 молекул могут образовывать цепочки с уменьшенными напряжением и степенью деформации водородных связей. В дальнейшем теоретически формируются сети, как показано на рисунке 18.

  

  

Рисунок 18 — Формирование упорядоченной сети кластерных образований икосаэдрической формы, формирующих структуру воды. Компьютерные расчеты. Показаны только атомы кислорода.
 
Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями.

 
Кластеры могут разрастаться в суперкластеры (гигантские икосаэдры), примеры которых приведены на рисунке 19.

  

  
Рисунок 19 — Гигантсские икосаэдры из молекул воды по М.Чаплину.
 
В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул.
 
А.Н.Смирновым в бидистиллированной воде
и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде (рисунок 20). Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы «эмулонами».

  

  
Рисунок 20 — Влияние температуры на структуру воды по данным лазерной интерферометрии: а — температура 4о С, б — 20о С, в — 75о С. Микроизображения 2х2 мм.
 
Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм.

  

Температурная динамика структуры эмулонов имеет следующие отсечки:

  • При 4о С комплексы плотно упакованы и напоминают паркет. При этой температуре вода имеет наибольшую плотность.
  • При 20о С количество свободных эмулонов становится наибольшим.
  • При 36о С часть эмулонов разрушается, наблюдается минимальная теплоемкость воды.
  • При 63о С еще большая часть эмулонов разрушается, наблюдается минимальная сжимаемость воды
  • К 75о С максимальное число эмулонов разрушается, наблюдается максимальная скорость звука в воде.


 
Таким образом, с рассмотренной точки зрения жидкая вода — это дисперсная система, каждая форма которой существует в определенном температурном диапазоне.
 

3.2 Клатратная модель строения жидкой воды.

   

Как уже упоминалось ранее, наряду с кластерной развивалась клатратная теория, основоположником которой в 1946 году стал О.Я.Самойлов. Он представлял структуру жидкой воды льдоподобной, полости которой частично заполнены мономерами (одна полость — одна молекула воды). Каркас структуры нарушен тепловым движением молекул.
 
Клатраты в целом (не только вода) делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина. Молекулярные клатраты образуются «хозяевами», имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если «хозяин» способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты (рисунок 21), устойчивые лишь в твердом состоянии.

  

  

Рисунок 21 — Гидрат метана  — пример решетчатого клатрата.
 
В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями.
 
В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды:

  • Сверхкритические температуры и давления;
  • Магнитные и электромагнитные поля, акустические и вибрационные воздействия с определенными характеристиками;
  • Растворение электролитов, образующих при диссоциации ионы с относительно малым радиусом и большим зарядом;
  • Растворение неэлектролитов, вызывающих явление гидрофобной гидратации;
  • Длительный контакт с поверхностью нерастворимых в воде минералов, таких, как кварц.
     
    Возможность такого рода воздействий обуславливается тем, что вода — очень чувствительная система множества метастабильных состояний. Вода, по сути, может откликаться на воздействия практически любой природы.

 
Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.

 

4. Особенности строения воды в твердом виде. Лед.

  

  

•    Всего насчитывается около 15 структурных модификаций льда (рисунок 22).

  

  
Рисунок 22 — Фрагмент фазовой диаграммы воды.
 
• Основные вехи в раннем исследовании льда:
1912 г. — Джонстон определил электропроводность льда.

1918 г. — А.Джоном получены первые результаты по рентгеноструктурному исследованию льда. Джон отметил, что лед собран из прямых треугольных призм.

1921 г. — Д.Деннисон уточняет это предположение.

1922 г. У.Г.Брэгг в статье «Кристаллическая структура льда» пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда. Т.е. ядра водорода расположены асимметрично.

1929 г. — В.Варне обнаружил, что молекулы во льду полностью ионизированы, а каждый водород находится на равном расстоянии между двумя соседними ядрами кислорода. Он заявил о трехмерности каркаса льда, который должен иметь форму тетраэдра. В нем каждый атом кислорода окружен еще четырьмя, т.е молекула воды имеет четырех соседей. Однако. ни Брэгг ни Бранс не предполагали, что пространственная структура льда (как и жидкой воды) обуславливается распределением зарядов в молекулах воды.

1924, 1952, 1953 гг. — Исследована диэлектрическая постоянная льда Эррером, Оти и Коулом, Хамбеллом. Установлена ее анизотропия при 0о С.

  

Кристаллическая решетка льда называется ажурной (рисунок 23). Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды.

  

  

Рисунок 23 — Тетраэдрическое окружение молекул воды в кристалле льда.
 
•    При давлении в 2 ГПа можно получить лед со структурой VI (горячий лед), который не будет плавиться даже при 80о С.
•   При очень высоких давлениях внутри нанотрубок с диаметром от 1,35 до 1,90 нм вода может кристаллизоваться в форме двойных спиралей (рисунок 24).

  

  

Рисунок 24 — Изображение структуры льда в нанотрубках.
 
•    Современные представления о структуре льда говорят о наличии кластерного строения. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры. Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул.
  

5. Особенности строения воды в газообразном виде. Пар.

  

  

В паре водородные связи на 99% разорваны. При этом в нем сохраняется до 1% димеров. Полностью разорвать все связи в паре можно лишь при температура 600о С.

 
Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы.

 
Вода может длительное время находиться и в перегретом состоянии до 200о С. При введении пузырька воздуха в такую перегретую воду она мгновенно вскипает и ее температура падает до 100о С.

  

Продолжение статьи:

 

Физические и химические свойства воды. Факты о воде и аномалиях ее поведения.

  

Оцените статью. Всего 1 клик!

Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО «НПП Электрохимия». Любое копирование информации возможно только с разрешения владельца сайта. Размещение активной индексируемой ссылки на https://zctc.ru обязательно.

Российские ученые зарегистрировали в воздухе димеры — двойные молекулы воды, ответственные за поглощение солнечного света в атмосфере

Российские ученые зарегистрировали существование в воздухе димеров воды – связанных пар молекул, устойчивых в газовой фазе при комнатной температуре. Считается, что димеры ответственны за поглощение солнечного света в атмосфере. Открытие крайне важно как для построения климатических моделей и предсказания погоды, так и для понимания свойств воды. Об открытии «Газете.Ru» рассказал руководитель исследований Михаил Третьяков из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде.

— Расскажите, в чем суть вашего открытия?
— Выражение «ваше открытие», по-моему, тут не совсем уместно: открытие димера воды тянулось от полувека до века в зависимости от того, что считать исходной точкой. В начале прошлого века выяснилось, что наши представления о составе атмосферы не соотносятся с фактическими наблюдениями о том, сколько она поглощает солнечного излучения. Оказалось, что излучения поглощается слишком много, это не удавалось объяснить присутствием обычных молекул, в частности водяного пара (Н2О). К концу 50-х годов человечество осознало, что при соударениях друг с другом молекулы газов могут «слипаться» и образовывать двойные молекулы, или димеры. Естественно, возникли предположения, что избыточное поглощение излучения в атмосфере связано как раз с димерами. Первым, кто сделал расчеты и четко сформулировал, что в водяном паре избыточное поглощение обусловлено димерами воды, был известный нижегородский (тогда еще горьковский) ученый Сергей Александрович Жевакин. Его статья, опубликованная в «Докладах АН СССР» в 1966 году, имела мировой резонанс.

Например, лондонская Times сообщила, что, по мнению русских, димеры воды в атмосфере могут поглощать микрорадиоволны.

После этого все начали искать димеры: были затрачены большие средства и предприняты усилия, приведшие в том числе и к ложным открытиям.

Можно привести примеры, опубликованные в самых престижных научных журналах — Science и Nature. Точное подтверждение удалось получить нам — маленькой и по нынешним меркам нищей лаборатории, работающей в стороне от главных направлений нашего института. Мы подтвердили то, что теоретически предсказал Жевакин, — именно этому посвящена статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters.

— Что такое димеры воды и почему именно они привлекают такое внимание ученых?
— Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Они встречаются во всех газовых смесях, где есть молекулы воды, в том числе в атмосфере Земли. Есть две причины интереса к ним. Первая — это проблема радиационного баланса Земли, который определяет не только погоду, но и климат, — это всех непосредственно касается и поэтому волнует. Дело в том, что Н2О (а не CO2, как многие думают) является не только основным парниковым газом, но, по мнению большинства специалистов, работающих в этой области, имеет в этом неустойчивом радиационном балансе положительную обратную связь. То есть

если вдруг климат потеплеет, то в атмосфере окажется больше воды, что приведет к усилению парникового эффекта и к дальнейшему потеплению; и наоборот, если начнется похолодание, то оно закончится ледниковым периодом.

Поэтому, для того чтобы научиться предсказывать, по какому сценарию будут развиваться события, очень важно знать, в какой именно из своих многообразных форм вода присутствует в атмосфере и в каких количествах. Вторая – это проблема понимания свойств воды. Вода для нашей цивилизации — это жизнь. Отделить истинные свойства воды от многовековых суеверий, научно объяснить ее свойства, исходя из основных физических принципов, – вот реальная фундаментальная задача, стоящая перед человечеством. А в основе воды лежит та самая водородная связь, которая объединяет две молекулы Н2О в димер, то есть димер — это простейший прототип структуры воды. Пока мы не изучим полно и всесторонне свойства димера воды, мы не поймем и свойств воды в целом.

— Каким образом удалось зарегистрировать димеры воды?
— В сотрудничестве с французским ученым Клодом Лефорестье мы сделали ключевой шаг в понимании, где надо искать «отпечатки пальцев» димеров и как они примерно должны выглядеть. Как только возникло это понимание, стало ясно, что для обнаружения нужен особенный инструмент – спектрометр. Одна из недостающих у нас частей такого инструмента была в похожем спектрометре в Университете штата Огайо (США), а то, чего не хватало у них, было в нашем. Понимая, что с их возможностями они могут сделать недостающую часть быстрее нас и «открыть димер», даже не ссылаясь на нашу работу, мы написали американцам — мол, давайте сделаем вместе. Но ответа не получили. Думаю, что они пытались обойтись без нас, но, видимо, без вдохновения.

Три бесконечно долгих года мы делали недостающую часть нашего спектрометра — это вакуумная «бочка» из нержавейки, с окнами для ввода и вывода излучения, для напуска газа и подключения контрольно-измерительной аппаратуры.

Проблема банальна: на фундаментальную науку у нас в стране не хватает денег. Американцы просто купили бы стандартное вакуумное изделие. Цена вопроса примерно 50 000 долларов. Нашей лаборатории Российская академия наук на эту работу ежегодно выделяет около 7000 долларов, включая накладные расходы института и прочие налоги. Еще примерно столько же дает РФФИ…

Собрать камеру — из нашедшегося в криогенной лаборатории криостата — удалось, только объединив наш энтузиазм с усилиями (и средствами) еще двух лабораторий нашего института, работающих совсем в другой области науки, которые тоже увидели свой интерес в модернизации нашего спектрометра и получении с его помощью данных для своих работ. Первый же эксперимент по обнаружению димера оказался удачным.

— Возможно ли идентифицировать димеры воды вне лабораторных условий?
— Думаю, что можно их «увидеть» и непосредственно в атмосфере. Современные спутниковые приборы, с помощью которых измеряются концентрации различных атмосферных газов, определяется влажность и температура воздуха, имеют очень высокую чувствительность. Сейчас ясно, что именно надо искать, — осталось сделать соответствующую аппаратуру, оснастить спутник.

—Возможна ли искусственная генерация димеров воды, например для регуляции уровня радиации в атмосфере? Может ли это помочь при ликвидации ядерных катастроф? Сможем ли мы регулировать климат?
— Чем больше паров воды в атмосфере, тем больше димеров. Но я думаю, что это не самый эффективный способ борьбы с ядерными катаклизмами. Вообще, тут, видимо, путаница с терминами. В радиационном балансе Земли доля рентгеновского излучения (которое в народе обычно и зовется «радиацией») не так уж велика. В радиационный баланс Земли вносят вклад и ультрафиолетовое, и видимое, и инфракрасное, и даже радиоизлучение. А слово «радиация» – это общее понятие, означающее излучение. В этом смысле искусственно пытаться что-то делать с димерами просто бессмысленно. Испарять воду в атмосферу или, наоборот, «сливать» искусственно вызванными дождями в планетарных масштабах человечество пока не готово. Да и уж очень трудно будет «конкурировать» с мировым океаном.
Что касается климата, то пока можно только пытаться объяснять и предсказывать его изменения, в перспективе — регулировать.

Но для этого должны появиться люди, мыслящие и действующие в планетарных масштабах в интересах всего человечества. А чтобы эти перспективы реализовались, надо методично развивать фундаментальную науку, которая никогда не сможет ни написать бизнес-план, ни дать быстрого экономического эффекта.

—Можно ли как-то усилить водородные связи между молекулами воды для
стабилизации димера?

—Да. При нагревании они слабеют, а при охлаждении крепнут.

— Каково практическое применение вашего открытия?
— Пока это модели климата, в перспективе — объяснение свойств воды. Только то, что хорошо понимаешь, можно с максимальной пользой применять на практике.

Конспект и презентация к уроку «Компьютерная графика», 7 класс

Здравствуйте ребята, меня зовут Лариса Михайловна, сегодня я проведу у вас урок.

Посмотрите на картинки, они все связаны между собой, и скажите, о каком веществе идет речь?

— Правильно, это вода. Сегодня будем говорить о ней.

Вспомните, из каких мельчайших частиц состоят все вещества на Земле, в том числе и вода?

МОЛЕКУЛЫ, ну-ка, подумайте, на какие самые маленькие составные части можно разделить любое вещество, вспомните уроки окружающего мира и уроки физики…

МОЛЕКУЛЫ

Действительно, на молекулы, ведь Молекула – это мельчайшая частица вещества, имеющая все его основные химические свойства.

Давайте посмотрим фрагмент фильма, и ответим на вопросы, из каких атомов состоят молекулы, каковы их размеры и расположение в пространстве.

ФИЛЬМ

Ребята, используя информацию, полученную из фильма, подумайте и дополните предложения на слайде, обратите внимание на подсказки:

ВОДОРОДА КИСЛОРОДА

МЕНЬШЕ

ПОД УГЛОМ

Итак, для любой молекулы, в том числе и молекулы воды, важны её состав, размер атомов и их расположение в пространстве.

Мы получили заказ от учителя химии, она попросила создать модель молекулы воды.

Представим, что мы не в классе, а в конструкторском бюро, и вы не ученики, а инженеры.

У вас на столах лежит пластилин и спички, попробуйте в течение одной минуты создать из этих материалов молекулу.

Обратите внимание на цвет атомов и расположение.

Молодцы, сравните свою модель с моделью на слайде.

Поднимите руки, у кого получилась такая модель! ХОРОШО

Эти модели вы сможете использовать на уроках химии в 8 классе.

У вас на столах есть еще одна модель молекулы воды, как вы думаете, при помощи чего она сделана?

Пластик, ОБЪЕМНАЯ ГРАФИКА, 3Д, ПРИНТЕР 3Д

Так вот, эту модель создали мои ученики, участники кружка «Информатика для художников и дизайнеров» с применением 3Д-технологий — сначала в компьютерной программе для трехмерного проектирования, а затем распечатали на 3д-принтере.

И сегодня я познакомлю вас с этими технологиями.

Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве.

3D-принтер — станок с  программным управлением, использующий метод послойного создания детали. Для печати на данном принтере используется специальный пластик, который плавится под воздействием высокой температуры. А модель детали создается пользователем в специальных программах.

Возможности 3д-печати очень велики: от создания мелких макетов до построения ракет. Сейчас во многих странах активно развивается печать пешеходных и автомобильных мостов. А также строительство домов.

А пермский школьник Владислав Костарев создал экзоскелет для реабилитации мышц руки. Пользоваться им смогут инвалиды после инсульта или спинальной травмы. 

Ребята, Прочитайте слова на слайде:

Компьютер, вода, молекула, атомы, 3D графика, модель

и при помощи этих слов сформулируйте тему нашей практической работы «Создание модели молекулы воды в трехмерной графике» НА ДОСКУ

Сформулируйте и цель нашего занятия. ЧЕМУ ВЫ ДОЛЖНЫ НАУЧИТЬСЯ СЕГОДНЯ НА УРОКЕ?

Работать с трехмерной графикой, создавать модель молекулы воды.

Цель работы: (НА ДОСКУ): НАУЧИТЬСЯ СОЗДАВАТЬ МОЛЕКУЛУ ВОДЫ ПРИ ПОМОЩИ ТРЕХМЕРНОЙ ГРАФИКИ.

Итак, сегодня вы познакомитесь с программой Blender для трехмерного моделирования и создадите модель молекулы воды в объеме. Но, уважаемые инженеры, помните про основные параметры модели.

Приступим к выполнению практического задания, откройте компьютеры. Не забывайте соблюдать технику безопасности при работе на компьютерах, она прописана у вас в инструкционной карте.

Посмотрите, что представляет собой программа Blender:

это очень популярная свободная программа для 3d моделирования и проектирования различных трехмерных объектов. Эта программа применялась при съемке некоторых фильмов и мультфильмов, а также разработки игр, что важно – она имеет русскоязычный интерфейс и адаптирована для 3D печати.

Главное окно можно поделить на несколько условных областей, которыми вам предстоит пользоваться. Вот они:

Найдите его

Обратите внимание, сегодня вам пригодится

Посмотрите на нее

И Основная рабочая область в центре;

По умолчанию в рабочей области отображается 3D фигура — куб. 

Программой очень просто управлять, попробуйте вместе со мной основные приемы навигации:

Выполните это действие

  • Чтобы перемещаться вверх-вниз или назад-вперед зажмите кнопку Shift на клавиатуре и среднюю кнопку мыши, затем двигайте ее;

Подвигайте фигуру

Поднимите руки у кого получилось!

Ребята, обратите внимание: в ходе вашей работы для создания молекулы воды понадобится выбрать несколько объектов, данные операции вы будете выполнять сами, для этого нужно удерживать кнопку Shift во время выбора;

Посмотрите на экран проектора

  • Также, чтобы выбрать все объекты надо нажать английскую букву A на клавиатуре, и выбранные объекты будут выделены желтым цветом.

Обратите внимание на направляющие стрелки, они указывают на грани системы координат. Красная стрелка соответствует оси X, зеленая — ось Y, а синяя — ось Z. Эти стрелки позволяют более точно перемещать объекты.

Попробуйте потянуть за одну из стрелок, убедитесь, что объект перемещается по прямой линии.

Поворачивать объекты тоже очень просто — выбрать объект и нажать кнопку с английской буквой R на клавиатуре. Если вы хотите повернуть объект вокруг определенной оси, нажмите R, а затем одну из клавиш X, Y, Z. Они соответствуют осям координат.

Выполните это действие.

Для масштабирования, т.е. для изменения размеров объекта, используйте кнопку S. Опять же, для масштабирования по одной из осей нажмите еще X, Y или Z.

Обратите внимание, что в левом нижнем углу окна программы показано изменение масштаба. Чтобы добиться более точных размеров нужно зажать кнопку CONTROL на клавиатуре.

Попробуйте Увеличить куб

Хорошо поработали, дадим глазам отдохнуть, выполним упражнение СЛОН для плечевого сустава. СЛАЙД. Представьте себе, что вы находитесь у истоков реки Зея и видите красивый водопад. Встаньте: прижать ухо к плечу, руку завести через голову, описать пальцами восьмерку, глазами проследить. МОЛОДЦЫ, а теперь другой рукой.

Теперь вам предстоит работа в парах за компьютерами, для создания молекулы воды в данной программе.

Кто справится быстрее, получит от меня дополнительное творческое задание

Перед вами алгоритм, который поможет вам выполнить работу.

В первом столбце таблицы написано, что надо сделать, во втором обозначено, какую команду нужно выполнить, а в третьем иллюстрации того, что должно получиться.

Над таблицей выписаны сочетания горячих клавиш для корректировки действий. Первые четыре этапа выполним вместе.

Итак, приступим, следите за порядком действий по инструкции:

  1. удалите куб, для этого нужно выделить его правой кнопкой мыши и нажать кнопку Delete на клавиатуре, затем Enter или выбрать команду удалить в появившемся меню.

Поднимите руки, у кого получилось

  1. Добавьте цилиндр, для этого на левой панели откроем вкладку Создать и выберем Цилиндр.

Кто справился?

  1. Уменьшите цилиндр по всем осям до 0,3 от прежних размеров, для этого нажмите кнопку S на клавиатуре, а затем, зажав кнопку Ctrl (CONTROL), двигайте мышью, пока значения масштаба в левом нижнем углу 3D-окна, где не станут равны 0,3.

Закрепите, щелкнув левой клавишей мыши на экране.

Справились?

  1. Переключите режим просмотра на режим «Вид спереди» для более точной работы, для этого нажмите кнопку 1 на цифровой панели NumLock. (ИЛИ КНОПКУ ВИД НА НИЖНЕЙ ПАНЕЛИ НАВИГАЦИИ И ВЫБРАТЬ СПЕРЕДИ)

Далее, с пятого действия, продолжайте работу по инструкционной карте в парах.

Петя будет выполнять на моем компьютере, назначим его главным конструктором, проходи, приступай. БЕЙДЖИК

На выполнение задания вам 10 минут. Кто справится с заданием быстрее других, будет моим помощником с должностью ведущий инженер. БЕЙДЖИК — 2

Закончили выполнение задания.

Теперь посмотрите, как вы справились с заданием: сравните с моделью на слайде, все ли у вас так, как должно быть.

Итак, создали вы молекулу воды? Достигнута ли цель практической работы?

ДА,

А теперь мы сможем это изображение напечатать на 3д-принтере, и получим модель молекулы воды такую же, как у вас на столах.

Итак, что нового вы узнали на уроке и чему научились?

ОТВЕТЫ ДЕТЕЙ

Вот и подходит к концу наше занятие, я очень рада знакомству с вами и хочу узнать, насколько наша встреча была интересной и познавательной для вас. У вас на столах диаграмма «Мои впечатления об уроке», с помощью карандаша, отметьте на ней уровень впечатления о нашей встрече.

Оставьте лист на столе.

Итак, наш урок закончен, спасибо за работу, весеннего вам настроения!

Горячие клавиши для моделирования в Blender.

A — В Объектном режиме выделяет все объекты, повторное нажатие снимает выделение.

Цифры NumPad — Переключение режимов просмотра объекта. «1» 

R — Вращение объекта, вершин, граней. R + X, Y, Z позволяет вращать объект или вершину относительно осей X, Y, Z соответственно. 

S — Масштабирование объекта или вершины. S + X, Y, Z позволяет масштабировать объект или вершину по оси X, Y, Z соответственно

SHIFT — Выделение нескольких объектов с зажатой клавишей SHIFT.

Левая клавиша мышки (ЛКМ) управляет курсором.

Правая клавиша мышки (ПКМ) выделяет объект.

зажатая клавиша колесика мышки передвигает камеру просмотра и изменяет фокусное расстояние. 

SHIFT + ПКМ — выделяет несколько объектов. 

SHIFT + Колесико Мышки — передвижение 3D проекции экрана.

SHIFT + D — Копирование объектов в Объектном режиме

Ctrl + J – Объединение объектов

Ctrl + Z — отмена действия

CTRL + SHIFT + Z — вернуть отмененное действие. 

CTRL + ALT + Z — вызывает меню истории.

X — удаление объекта в Объектном режиме.

Это всего лишь фаза: моделирование фаз воды

Предпосылки

Вода является неотъемлемой частью земной системы. Вода особенная не только потому, что покрывает более 70% поверхности Земли, но и потому, что это единственное известное вещество, которое может существовать в газообразной, жидкой и твердой фазах в относительно узком диапазоне температур и давлений, существующих на Земле.

Особые качества воды обусловлены уникальной формой молекулы воды. Каждая молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода, расположенные так, что одна сторона молекулы (ближайшая к атомам водорода) заряжена положительно, а другая сторона (ближайшая к кислороду) заряжена отрицательно.Если две молекулы воды соединяются, положительная сторона одной притягивается к отрицательной стороне другой, заставляя молекулы цепляться вместе. Этот простой факт объясняет высокую теплоемкость, поверхностное натяжение, когезию, адгезию и другие характеристики, которые делают воду столь важной для биосферы Земли.

В общем, при рассмотрении состояний материи твердые тела более плотные, чем жидкости, а жидкости более плотные, чем газы. Вода в этом отношении немного противоположна. Кроме того, фазы вещества (воды) зависят от температуры или тепловой энергии.Добавление или удаление тепловой энергии увеличивает или уменьшает кинетическую энергию частиц (в данном случае частиц воды). Добавленное тепло или тепловая энергия приводит к разрыву молекулярных связей, что приводит к изменению состояния твердого тела на жидкость, а затем, в конечном итоге, на газ. Твердые тела плавятся, когда они поглощают достаточно тепловой энергии. Напротив, когда жидкость охлаждается, тепловая энергия высвобождается и возвращается в твердую форму. На молекулярном уровне, когда частицы находятся в твердой форме (жидкая вода), частицы обладают меньшей энергией / движением, но частицы обладают большей энергией и более распространены в газовой форме (водяной пар).

Когда вода находится в твердом состоянии (лед) , молекулы воды упаковываются близко друг к другу, не позволяя ей изменять форму. Лед имеет очень регулярную структуру, в которой молекулы жестко отделены друг от друга и связаны водородными связями, которые образуют кристаллическую решетку. Эти кристаллы имеют несколько открытых областей и карманов, делающих лед менее плотным, чем жидкая вода. Вот почему лед плавает по воде. Лед образуется при температуре ниже нуля (0 ° по Цельсию или 32 ° по Фаренгейту).

Когда лед нагревается выше нуля, он тает и превращается в жидкую воду. В жидкости силы притяжения между молекулами ослабевают, и отдельные молекулы могут начать двигаться друг вокруг друга. Поскольку молекулы могут скользить и скользить друг относительно друга, вода принимает форму любого контейнера, в котором она находится.

Третье состояние воды — это газообразное состояние (водяной пар ). В этом состоянии молекулы воды движутся очень быстро и не связаны друг с другом.Хотя мы не можем видеть воду в газообразном состоянии, мы можем чувствовать ее в воздухе в жаркий влажный день. Обычно вода кипит при температуре 100 ° C (212 ° F), образуя водяной пар. Многие считают, что видимый шлейф пара от кипящего котла — это водяной пар. Однако пар, который вы видите, состоит из очень маленьких капель воды, взвешенных в воздухе, а водяной пар — это невидимый газ, образующийся при испарении воды. Мы можем «видеть» водяной пар через электромагнитные глаза приборов, считывающих инфракрасное излучение.

Вода бесконечно циркулирует в атмосфере, океанах, суше и жизни на планете Земля, в то или иное время принимая каждое физическое состояние.

Кредиты

Это мероприятие было разработано в рамках проекта LEARN в UCAR. Он включает графику, созданную программой COMET в UCAR.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Составление молекул — все то же, что в воде? Образцы молекул, отображение молекул, изображения молекул — атомы, кислород, шарики и ДНК

Атомы соединяются в молекулы.Материалы состоят из молекул.

Все равно

В элементе атомы одного и того же типа объединяются в молекулы. Кислород — это элемент. Молекула кислорода состоит из двух соединенных вместе атомов кислорода.

Молекула кислорода.

Что в воде?

Вода состоит из двух разных типов атомов — кислорода и водорода. Они соединяются вместе, образуя молекулы воды. Каждая молекула воды состоит из трех атомов. Есть два атома водорода и один атом кислорода.

Молекула воды.

Вода — это вода из-за структуры атомов в ее молекулах. Картина остается прежней.

Паттерны молекул

Есть много разных типов молекул. Каждый тип имеет собственное количество атомов и набор атомов. Все молекулы одного типа одинаковы.

Например, все молекулы воды одинаковы. Все они имеют два атома водорода и один атом кислорода.Атомы должны быть соединены таким образом, чтобы образовалась молекула воды.

Отображение молекул

Как и атомы, большинство молекул слишком малы, чтобы мы могли их увидеть самостоятельно. Но мы можем рисовать схемы и делать из них модели. Это помогает нам понять, как атомы устроены и соединены вместе.

Изображения молекул

На плоской странице или экране компьютера молекулы показаны в виде диаграмм. Иногда на диаграммах показаны соединенные вместе атомы. Они похожи на шарики, прилипшие друг к другу.

На этой диаграмме атомы показаны в виде шариков. Это молекула воды.

На других диаграммах атомы показаны в виде шариков, соединенных палками.

Трехмерные модели

Ученые также могут создавать модели молекул. Затем они используют настоящие мячи и клюшки. Шары обозначают атомы. Палочки соединяют их вместе, образуя молекулы.

Это шарообразная диаграмма молекулы воды (H 2 0).

МОЛЕКУЛЫ В КОДЕ

Как известно, каждый атом имеет собственное кодовое имя.Например, код кислорода — О.

.

Ученые также могут использовать кодовые имена или формулы для именования целых молекул. Например, вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Химическая формула для этой молекулы выглядит так:

Миллионы молекул

Как известно, существует около сотни типов атомов. Это число изменилось, поскольку ученые открыли новые элементы.

Элементы можно расположить по разным образцам.Каждый паттерн образует разные молекулы. На самом деле существуют миллионы типов молекул.

Мини-молекулы

Мы читали, что молекулы могут быть разных размеров. Некоторые молекулы маленькие. Молекула воды (H 2 O) состоит всего из трех атомов. В молекуле кислорода (O 2 ) их всего два.

Мега молекулы

Другие молекулы намного крупнее. У них могут быть десятки или сотни атомов. Например, атомы углерода могут образовывать большие молекулы.Эти молекулы называются бакиболами. Каждый бакибол содержит шестьдесят атомов углерода. Они объединены в сферу. Похоже на мяч.

Молекула углерода «бакибол».

Пластмассы, такие как те, которые используются для изготовления водонепроницаемых пальто и обуви, содержат молекулы полимера.

Цепные молекулы

Некоторые молекулы похожи на цепочки. Можно добавлять все больше и больше атомов. Они создают узор, который повторяется снова и снова.Эти «цепочечные» молекулы называются полимерами . Пластмассы состоят из молекул полимера.

Удивительные молекулы

Молекулы есть во всем. Они все время вокруг нас. Большинство молекул просто составляют материалы, но некоторые выполняют удивительно полезную работу.

ДНК

ДНК — это сокращение от «дезоксирибонуклеиновая кислота». Это очень важная молекула. Он находится внутри живых существ. Это цепная молекула или полимер. Атомы расположены в виде узоров по цепочке ДНК.Эти узоры атомов действуют как инструкции для живых существ. Они говорят им, как жить и расти.

Схема части цепи молекулы ДНК.

Медицинские молекулы

Многие лекарства работают из-за формы их молекул. Например, аспирин болеутоляющее . Молекулы аспирина могут фиксироваться на теле химическое вещество , которое издает болевые сигналы. Они могут соединяться вместе, потому что их формы подходят друг другу. Это блокирует сигналы, и боль прекращается.

Уотсон и Крик

В 1953 году ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сделали великое открытие. Они выяснили форму ДНК. Они использовали шары и палки, чтобы построить модель молекулы ДНК.

Углеродные трубки

Помимо бакиболов, атомы углерода могут образовывать углеродные нанотрубки. Эти молекулы имеют форму длинных трубок. Они легкие, гибкие и удивительно прочные. Они в сто раз прочнее стали.

ROCO Глава 2: Модели для заполнения пространства

Пространственные модели

радиусов Ван-дер-Ваальса используются для создания специального своего рода молекулярная модель, называемая моделью заполнения пространства . Эти модели строятся путем рисования каждого атома в виде сферы Ван-дер-Ваальса. с ядром атома в центре сферы.

Модели, заполняющие пространство, полезны, потому что они показывают сколько места занимает атом (или молекула).Вы можете это увидеть легко сравнивая модели, заполняющие пространство, с традиционными шариковыми клюшками модели, подобные изображенным на следующем рисунке. Последние не обеспечивают что-нибудь вроде реалистичного ощущения размера молекулы.

Шарико-стержневые (вверху) и заполняющие пространство модели (Нижний)

С другой стороны, вы также можете видеть, что это много сложнее установить узоры связи в модели, заполняющей пространство.Облигации могут быть обнаружены, если вы помните, что расстояния между связями намного меньше чем несвязанные расстояния. Связь должна существовать между любыми двумя атомами. которые создают сильно перекрывающиеся сферы.

Я упоминал выше, что радиусы Ван-дер-Ваальса также используется для оценки несвязанных взаимодействий. Такая же оценка может быть выполнено с использованием моделей, заполняющих пространство. Визуальный аналог расстояния «пробел в прогнозе» — это модель, которая содержит два перекрывающихся несвязанных атома.

На следующем рисунке показано сравнение клюшки и заполнителя. модели трех молекул воды. Молекулы были расположены так что они занимают примерно те же должности, что и могли бы занимать в кристалле льда.

Три молекулы воды (от лед)

Модель с мячом и клюшкой многое не раскрывает, но модель заполнения пространства ясно показывает, что центральный атом кислорода существенно перекрывается с атомом водорода в другой молекуле воды.Измерения расстояния подтверждают, что расстояние OH без сцепления (1,8 Å) намного короче суммы ван-дер-ваальсовых радиусов (1,2 + 1,4 = 2,6 Å).

Эти наблюдения предполагают, что молекулы воды сильно привлекают друг друга. Этот вывод подтверждается некоторыми водными другие странные свойства, и химики решили, что это привлекательное сила заслуживает особого названия. Они называют это водородной связью .Некоторые ученые утверждают, что водородные связи воды ответственны за для самой жизни.


Набор моделей молекул воды

, Eisco Scientific

Положения и условия

Спасибо, что посетили наш сайт. Эти условия использования применимы к веб-сайтам США, Канады и Пуэрто-Рико (далее «Веб-сайт»), которыми управляет VWR («Компания»).Если вы заходите на веб-сайт из-за пределов США, Канады или Пуэрто-Рико, пожалуйста, посетите соответствующий международный веб-сайт, доступный по адресу www.vwr.com, для ознакомления с применимыми условиями. Все пользователи веб-сайта подчиняются следующим условиям использования веб-сайта (эти «Условия использования»). Пожалуйста, внимательно прочтите эти Условия использования перед доступом или использованием любой части веб-сайта. Заходя на веб-сайт или используя его, вы соглашаетесь с тем, что вы прочитали, поняли и соглашаетесь соблюдать настоящие Условия использования с поправками, которые время от времени вносятся, а также Политику конфиденциальности компании, которая настоящим включена в настоящие Условия. использования. Если вы не желаете соглашаться с настоящими Условиями использования, не открывайте и не используйте какие-либо части веб-сайта.

Компания может пересматривать и обновлять настоящие Условия использования в любое время без предварительного уведомления, разместив измененные условия на веб-сайте. Продолжение использования вами веб-сайта означает, что вы принимаете и соглашаетесь с пересмотренными Условиями использования. Если вы не согласны с Условиями использования (в которые время от времени вносятся поправки) или недовольны Веб-сайтом, ваше единственное и исключительное средство правовой защиты — прекратить использование Веб-сайта.

Использование сайта

Информация, содержащаяся на этом веб-сайте, предназначена только для информационных целей. Хотя считается, что информация верна на момент публикации, вам следует самостоятельно определить ее пригодность для вашего использования. Не все продукты или услуги, описанные на этом веб-сайте, доступны во всех юрисдикциях или для всех потенциальных клиентов, и ничто в настоящем документе не предназначено как предложение или ходатайство в какой-либо юрисдикции или какому-либо потенциальному покупателю, где такое предложение или продажа не соответствует требованиям.

Приобретение товаров и услуг

Настоящие Условия и положения распространяются только на использование веб-сайта. Обратите внимание, что условия, касающиеся обслуживания, продаж продуктов, рекламных акций и других связанных мероприятий, можно найти по адресу https://us.vwr.com/store/content/externalContentPage.jsp?path=/en_US/about_vwr_terms_and_conditions.jsp , и эти условия регулируют любые покупки продуктов или услуг у Компании.

Интерактивные функции

Веб-сайт может содержать службы досок объявлений, области чата, группы новостей, форумы, сообщества, личные веб-страницы, календари и / или другие средства сообщения или связи, предназначенные для того, чтобы вы могли общаться с общественностью в целом или с группой ( вместе «Функция сообщества»).Вы соглашаетесь использовать функцию сообщества только для публикации, отправки и получения сообщений и материалов, которые являются надлежащими и относятся к конкретной функции сообщества. Вы соглашаетесь использовать веб-сайт только в законных целях.

A. В частности, вы соглашаетесь не делать ничего из следующего при использовании функции сообщества:

1. Опорочить, оскорбить, преследовать, преследовать, угрожать или иным образом нарушать законные права (например, право на неприкосновенность частной жизни и гласность) других.
2. Публиковать, размещать, загружать, распространять или распространять любую неуместную, непристойную, дискредитирующую, нарушающую авторские права, непристойную, непристойную или незаконную тему, название, материал или информацию.
3. Загружайте файлы, содержащие программное обеспечение или другие материалы, защищенные законами об интеллектуальной собственности (или правами на неприкосновенность частной жизни), если вы не владеете или не контролируете права на них или не получили всех необходимых разрешений.
4. Загрузите файлы, содержащие вирусы, поврежденные файлы или любое другое подобное программное обеспечение или программы, которые могут повредить работу чужого компьютера.
5. Перехватить или попытаться перехватить электронную почту, не предназначенную для вас.
6. Рекламировать или предлагать продавать или покупать какие-либо товары или услуги для любых деловых целей, если такая функция сообщества специально не разрешает такие сообщения.
7. Проводите или рассылайте опросы, конкурсы, финансовые пирамиды или письма счастья.
8. Загрузите любой файл, опубликованный другим пользователем функции сообщества, который, как вы знаете или разумно должен знать, не может распространяться на законных основаниях таким образом или что у вас есть договорное обязательство сохранять конфиденциальность (несмотря на его доступность на веб-сайте).
9. Подделывать или удалять любые ссылки на автора, юридические или другие надлежащие уведомления, обозначения собственности или ярлыки происхождения или источника программного обеспечения или других материалов, содержащихся в загружаемом файле.
10. Предоставление ложной информации о принадлежности к какому-либо лицу или организации.
11. Участвовать в любых других действиях, которые ограничивают или препятствуют использованию веб-сайта кем-либо или которые, по мнению Компании, могут нанести вред Компании или пользователям веб-сайта или подвергнуть их ответственности.
12. Нарушать любые применимые законы или постановления или нарушать любой кодекс поведения или другие правила, которые могут быть применимы к какой-либо конкретной функции Сообщества.
13. Собирать или иным образом собирать информацию о других, включая адреса электронной почты, без их согласия.

B. Вы понимаете и признаете, что несете ответственность за любой контент, который вы отправляете, вы, а не Компания, несете полную ответственность за такой контент, включая его законность, надежность и уместность. Если вы публикуете сообщения от имени или от имени вашего работодателя или другого юридического лица, вы заявляете и гарантируете, что у вас есть на это право. Загружая или иным образом передавая материалы в любую область веб-сайта, вы гарантируете, что эти материалы являются вашими собственными или находятся в общественном достоянии или иным образом свободны от проприетарных или иных ограничений, и что вы имеете право размещать их на веб-сайте.Кроме того, загружая или иным образом передавая материалы в любую область веб-сайта, вы предоставляете Компании безотзывное, бесплатное право во всем мире на публикацию, воспроизведение, использование, адаптацию, редактирование и / или изменение таких материалов любым способом, в любые и все средства массовой информации, известные в настоящее время или обнаруженные в будущем по всему миру, в том числе в Интернете и World Wide Web, для рекламных, коммерческих, торговых и рекламных целей, без дополнительных ограничений или компенсации, если это не запрещено законом, и без уведомления, проверки или одобрения.

C. Компания оставляет за собой право, но не принимает на себя никакой ответственности (1) удалить любые материалы, размещенные на веб-сайте, которые Компания по своему собственному усмотрению сочтет несовместимыми с вышеуказанными обязательствами или иным образом неприемлемыми по любой причине. ; и (2) прекратить доступ любого пользователя ко всему или к части веб-сайта. Однако Компания не может ни просмотреть все материалы до их размещения на веб-сайте, ни обеспечить быстрое удаление нежелательных материалов после их размещения.Соответственно, Компания не несет ответственности за какие-либо действия или бездействие в отношении передач, сообщений или контента, предоставленных третьими сторонами. Компания оставляет за собой право предпринимать любые действия, которые она сочтет необходимыми для защиты личной безопасности пользователей этого веб-сайта и общественности; тем не менее, Компания не несет ответственности перед кем-либо за выполнение или невыполнение действий, описанных в этом параграфе.

D. Несоблюдение вами положений пунктов (A) или (B) выше может привести к прекращению вашего доступа к веб-сайту и может подвергнуть вас гражданской и / или уголовной ответственности.

Особое примечание о содержании функций сообщества

Любой контент и / или мнения, загруженные, выраженные или отправленные с помощью любой функции сообщества или любого другого общедоступного раздела веб-сайта (включая области, защищенные паролем), а также все статьи и ответы на вопросы, кроме контента, явно разрешенного Компания, являются исключительно мнениями и ответственностью лица, представляющего их, и не обязательно отражают мнение Компании.Например, любое рекомендованное или предлагаемое использование продуктов или услуг, доступных от Компании, которое публикуется через функцию сообщества, не является признаком одобрения или рекомендации со стороны Компании. Если вы решите следовать какой-либо такой рекомендации, вы делаете это на свой страх и риск.

Ссылки на сторонние сайты

Веб-сайт может содержать ссылки на другие веб-сайты в Интернете. Компания не несет ответственности за контент, продукты, услуги или методы любых сторонних веб-сайтов, включая, помимо прочего, сайты, связанные с Веб-сайтом или с него, сайты, созданные на Веб-сайте, или стороннюю рекламу, и не делает заявлений относительно их качество, содержание или точность.Наличие ссылок с веб-сайта на любой сторонний веб-сайт не означает, что мы одобряем, поддерживаем или рекомендуем этот веб-сайт. Мы отказываемся от всех гарантий, явных или подразумеваемых, в отношении точности, законности, надежности или действительности любого контента на любых сторонних веб-сайтах. Вы используете сторонние веб-сайты на свой страх и риск и в соответствии с условиями использования таких веб-сайтов.

Права собственности на контент

Вы признаете и соглашаетесь с тем, что все содержимое веб-сайта (включая всю информацию, данные, программное обеспечение, графику, текст, изображения, логотипы и / или другие материалы) и его дизайн, выбор, сбор, расположение и сборка являются являются собственностью Компании и защищены законами США и международными законами об интеллектуальной собственности.Вы имеете право использовать содержимое веб-сайта только в личных или законных деловых целях. Вы не можете копировать, изменять, создавать производные работы, публично демонстрировать или исполнять, переиздавать, хранить, передавать, распространять, удалять, удалять, дополнять, добавлять, участвовать в передаче, лицензировать или продавать какие-либо материалы в Интернете. Сайт без предварительного письменного согласия Компании, за исключением: (а) временного хранения копий таких материалов в ОЗУ, (б) хранения файлов, которые автоматически кэшируются вашим веб-браузером в целях улучшения отображения, и (в) печати разумного количество страниц веб-сайта; в каждом случае при условии, что вы не изменяете и не удаляете какие-либо уведомления об авторских правах или других правах собственности, включенные в такие материалы.Ни название, ни какие-либо права интеллектуальной собственности на любую информацию или материалы на веб-сайте не передаются вам, а остаются за Компанией или соответствующим владельцем такого контента.

Товарные знаки

Название и логотип компании, а также все связанные названия, логотипы, названия продуктов и услуг, появляющиеся на веб-сайте, являются товарными знаками компании и / или соответствующих сторонних поставщиков. Их нельзя использовать или повторно отображать без предварительного письменного согласия Компании.

Отказ от ответственности

Компания не несет никакой ответственности за материалы, информацию и мнения, предоставленные или доступные через Веб-сайт («Контент сайта»). Вы полагаетесь на Контент сайта исключительно на свой страх и риск. Компания не несет никакой ответственности за травмы или ущерб, возникшие в результате использования любого Контента Сайта.
ВЕБ-САЙТ, СОДЕРЖАНИЕ САЙТА И ПРОДУКТЫ И УСЛУГИ, ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫЕ ИЛИ ДОСТУПНЫЕ ЧЕРЕЗ САЙТ, ПРЕДОСТАВЛЯЮТСЯ НА УСЛОВИЯХ «КАК ЕСТЬ» И «ПО ДОСТУПНОСТИ», СО ВСЕМИ ОШИБКАМИ.КОМПАНИЯ И НИ ЛИБО, СВЯЗАННОЕ С КОМПАНИЕЙ, НЕ ДАЕТ НИКАКИХ ГАРАНТИЙ ИЛИ ЗАЯВЛЕНИЙ В ОТНОШЕНИИ КАЧЕСТВА, ТОЧНОСТИ ИЛИ ДОСТУПНОСТИ ВЕБ-САЙТА. В частности, НО БЕЗ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫШЕИЗЛОЖЕННОГО, НИ КОМПАНИЯ И НИ ЛИБО, СВЯЗАННОЕ С КОМПАНИЕЙ, НЕ ГАРАНТИРУЕТ ИЛИ ЗАЯВЛЯЕТ, ЧТО ВЕБ-САЙТ, СОДЕРЖАНИЕ САЙТА ИЛИ УСЛУГИ, ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫЕ НА САЙТЕ ИЛИ С ПОМОЩЬЮ САЙТА, ​​БУДУТ ТОЧНЫМИ, НАДЕЖНЫМИ ИЛИ БЕСПЛАТНЫМИ ИЛИ БЕСПЛАТНЫМИ ЧТО ДЕФЕКТЫ БУДУТ ИСПРАВЛЕНЫ; ЧТО ВЕБ-САЙТ ИЛИ СЕРВЕР, ДЕЛАЮЩИЙ ЕГО ДОСТУПНЫМ, СВОБОДНЫ ОТ ВИРУСОВ ИЛИ ДРУГИХ ВРЕДНЫХ КОМПОНЕНТОВ; ИНАЧЕ ВЕБ-САЙТ ОТВЕЧАЕТ ВАШИМ ПОТРЕБНОСТЯМ ИЛИ ОЖИДАНИЯМ.КОМПАНИЯ ОТКАЗЫВАЕТСЯ ОТ ВСЕХ ГАРАНТИЙ, ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ, ВКЛЮЧАЯ ЛЮБЫЕ ГАРАНТИИ КОММЕРЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ, ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ И НЕ НАРУШЕНИЯ.
НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ КОМПАНИЯ ИЛИ ЕЕ ЛИЦЕНЗИАРЫ ИЛИ ПОДРЯДЧИКИ НЕ НЕСЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА ЛЮБОЙ ВИД ЛЮБОГО ВИДА УЩЕРБА, ВЫЯВЛЕННОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ ИЛИ В СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАМИ ИЛИ НЕВОЗМОЖНОСТЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕБ-САЙТА, ​​СОДЕРЖИМОГО САЙТА, ЛЮБЫЕ УСЛУГИ, ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫЕ НА САЙТЕ ИЛИ ЧЕРЕЗ ВЕБ-САЙТ ИЛИ ЛЮБОЙ САЙТ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ПРЯМЫЙ, КОСВЕННЫЙ, СЛУЧАЙНЫЙ, СПЕЦИАЛЬНЫЙ, КОСВЕННЫЙ ИЛИ КАРАТЕЛЬНЫЙ УБЫТК, ВКЛЮЧАЯ, НО НЕ ОГРАНИЧИВАЯСЬ, ЛИЧНЫЕ ТРАВМЫ, ПОТЕРЯ ПРИБЫЛИ ИЛИ УБЫТКОВ , ВИРУСЫ, УДАЛЕНИЕ ФАЙЛОВ ИЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ СООБЩЕНИЙ, ИЛИ ОШИБКИ, УПУЩЕНИЯ ИЛИ ДРУГИЕ НЕТОЧНОСТИ НА ВЕБ-САЙТЕ ИЛИ СОДЕРЖАНИИ САЙТА ИЛИ УСЛУГ, НЕОБХОДИМО ЛИ КОМПАНИЯ ИЛИ НЕОБХОДИМО ЛИ ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ КОМПАНИИ ВОЗМОЖНОСТИ ЛЮБЫЕ ТАКИЕ УБЫТКИ, ЕСЛИ НЕ ЗАПРЕЩЕНЫ ПРИМЕНИМЫМ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВОМ.

Компенсация

Вы соглашаетесь возместить и обезопасить Компанию и ее должностных лиц, директоров, агентов, сотрудников и других лиц, участвующих в веб-сайте, от любых обязательств, расходов, убытков и издержек, включая разумные гонорары адвокатам, возникающих в результате любое нарушение вами настоящих Условий использования, использование вами Веб-сайта или любых продуктов, услуг или информации, полученных с Веб-сайта или через него, ваше подключение к Веб-сайту, любой контент, который вы отправляете на Веб-сайт через любые Функция сообщества или нарушение вами каких-либо прав другого лица.

Применимое право; Международное использование

Настоящие условия регулируются и толкуются в соответствии с законами штата Пенсильвания без учета каких-либо принципов коллизионного права. Вы соглашаетесь с тем, что любые судебные иски или иски, вытекающие из настоящих Условий использования или связанные с ними, будут подаваться исключительно в суды штата или федеральные суды, расположенные в Пенсильвании, и вы тем самым соглашаетесь и подчиняетесь личной юрисдикции таких судов для цели судебного разбирательства любого такого действия.
Настоящие Условия использования применимы к пользователям в США, Канаде и Пуэрто-Рико. Если вы заходите на веб-сайт из-за пределов США, Канады или Пуэрто-Рико, пожалуйста, посетите соответствующий международный веб-сайт, доступный по адресу www.vwr.com, для ознакомления с применимыми условиями. Если вы решите получить доступ к этому веб-сайту из-за пределов указанных юрисдикций, а не использовать доступные международные сайты, вы соглашаетесь с настоящими Условиями использования и тем, что такие условия будут регулироваться и толковаться в соответствии с законами США и штата. Пенсильвании и что мы не делаем никаких заявлений о том, что материалы или услуги на этом веб-сайте подходят или доступны для использования в этих других юрисдикциях.В любом случае все пользователи несут ответственность за соблюдение местных законов.

Общие условия

Настоящие Условия использования, в которые время от времени могут вноситься поправки, представляют собой полное соглашение и понимание между вами и нами, регулирующее использование вами Веб-сайта. Наша неспособность реализовать или обеспечить соблюдение какого-либо права или положения Условий использования не означает отказ от такого права или положения. Если какое-либо положение Условий использования будет признано судом компетентной юрисдикции недействительным, вы, тем не менее, соглашаетесь с тем, что суд должен попытаться реализовать намерения сторон, отраженные в этом положении и других положениях Условия использования остаются в силе.Ни ваши деловые отношения, ни поведение между вами и Компанией, ни какая-либо торговая практика не может считаться изменением настоящих Условий использования. Вы соглашаетесь с тем, что независимо от какого-либо закона или закона об обратном, любые претензии или основания для иска, вытекающие из или связанные с использованием Сайта или Условий использования, должны быть поданы в течение одного (1) года после такой претензии или причины. иска возникла или будет навсегда запрещена. Любые права, прямо не предоставленные в настоящем документе, сохраняются за Компанией.Мы можем прекратить ваш доступ или приостановить доступ любого пользователя ко всему сайту или его части без предварительного уведомления за любое поведение, которое мы, по нашему собственному усмотрению, считаем нарушением любого применимого законодательства или наносящим ущерб интересам другого пользователя. , стороннего поставщика, поставщика услуг или нас. Любые вопросы, касающиеся настоящих Условий использования, следует направлять по адресу [email protected]

Жалобы на нарушение авторских прав

Мы уважаем чужую интеллектуальную собственность и просим наших пользователей поступать так же.Если вы считаете, что ваша работа была скопирована и доступна на Сайте способом, который представляет собой нарушение авторских прав, вы можете уведомить нас, предоставив нашему агенту по авторским правам следующую информацию:

  • электронная или физическая подпись лица, уполномоченного действовать от имени правообладателя;

  • описание работы, защищенной авторским правом, в отношении которой были нарушены ваши претензии;

  • идентификация URL-адреса или другого конкретного места на Сайте, где находится материал, который, по вашему мнению, нарушает авторские права;

  • ваш адрес, номер телефона и адрес электронной почты;

  • ваше заявление о том, что вы добросовестно полагаете, что спорное использование не разрешено владельцем авторских прав, его агентом или законом; а также

  • ваше заявление, сделанное под страхом наказания за лжесвидетельство, о том, что приведенная выше информация в вашем уведомлении является точной и что вы являетесь владельцем авторских прав или уполномочены действовать от имени владельца авторских прав.

С нашим агентом для уведомления о жалобах на нарушение авторских прав на Сайте можно связаться по адресу: [email protected]

Наука на расстоянии


Особый случай воды


Молекула Воды 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 силы 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 движутся очень быстро. 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.

Таким образом, молекулярная вода представляет собой жидкость при комнатной температуре, и этот факт чрезвычайно важен для всего живого 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 . Сильно полярные 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 задерживает молекулу растворенного вещества в море молекул воды; легко диспергируется и растворяется.
Неравный обмен 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.) будут растворяться и растворяются в воде, большинство их молекул просто образуют границу, когда они вступают в контакт с водой, и остаются отдельными объектами.

Вещества, которые плохо растворяются в воде, называются водобоязненными или гидрофобными веществами.

Ученые создают высокоточную модель молекулярной воды с использованием машинного обучения

Моделирование молекулярной динамики на основе машинного обучения показывает, как частицы льда образуются и сливаются в переохлажденной воде, что приводит к образованию льда с дефектами.Это моделирование помогает ученым узнать о движении границы между ледяными зернами (желтый / зеленый / голубой) и беспорядке укладки, который возникает, когда шестиугольные (оранжевые) и кубические (синие) куски льда замерзают вместе. Эта информация важна для таких приложений, как моделирование климата и криогеника. Исследователи выполнили эти симуляции на Mira в Argonne Leadership Computing Facility и Carbon в Центре наноразмерных материалов; И ALCF, и CNM являются объектами для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.

Хотя вода считается одним из простейших веществ в мире, моделирование ее поведения на атомном или молекулярном уровне разочаровывает ученых на протяжении десятилетий. На сегодняшний день ни одна модель не смогла точно представить множество особых характеристик воды, включая тот факт, что она является самой плотной при температуре, немного превышающей ее точку плавления.

Новое исследование U.Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США (DOE) совершила прорыв в попытках математически представить поведение воды. Для этого аргоннские исследователи использовали машинное обучение для разработки новой недорогой в вычислительном отношении модели воды, которая более точно отражает термодинамические свойства воды, в том числе то, как вода превращается в лед в молекулярном масштабе.

В своем исследовании исследователи из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM) использовали рабочий процесс машинного обучения для оптимизации новой молекулярной модели воды.Они натренировали свою модель на обширных экспериментальных данных, чтобы создать высокоточную модель свойств воды в молекулярном масштабе. CNM — это учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

Оптимизация параметров модели воды долгое время была проблемой, и в настоящее время существует более 50 различных моделей воды, по словам аргонского нанонаучного Субраманиана Санкаранараянана, автора исследования.

«Мы пытаемся понять, как ориентироваться в пространстве сложных параметров для любой данной модели, чтобы уловить широкий спектр свойств воды, что чрезвычайно сложно», — пояснил Санкаранараянан.«Не существует модели, которая могла бы учитывать температуру плавления воды, ее максимум плотности и плотность льда одновременно».

Попытки создать квантово-механические или атомистические модели для описания поведения воды привели исследователей в замешательство, поскольку они требуют больших вычислительных ресурсов и все еще не могут воспроизвести многие свойства воды, зависящие от температуры. По словам Генри Чана, аргоннского исследователя и ведущего автора исследования, этого еще труднее добиться для простых моделей, таких как та, которая использовалась в этом исследовании.

Это многомиллионное моделирование зародышеобразования и роста льда в переохлажденной воде с использованием многомиллионных молекул в микросекундных временных масштабах выполняется с использованием машинно обученных крупнозернистых моделей. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория

. Для исследователей выбор использовать целые молекулы воды в качестве основной единицы в модели позволил им выполнить моделирование с низкими вычислительными затратами.

«Хотя традиционно эти простые модели вводят несколько приближений и часто страдают низкой точностью, машинное обучение позволяет нам создавать гораздо более точные модели, сохраняя при этом простоту», — сказал доцент Луисвильского университета Бадри Нараянан, соавтор книги изучение.

Тем не менее, даже при таких уменьшенных вычислительных затратах, некоторые физические свойства может быть трудно моделировать без крупномасштабных суперкомпьютеров. Команда использовала суперкомпьютер Mira в Argonne Leadership Computing Facility, исследовательском центре Министерства энергетики США, для моделирования до 8 миллионов молекул воды для изучения роста и образования границ раздела в поликристаллическом льду.

По словам соавтора и научного сотрудника CNM Мэтью Черукара, эта новая модель, названная «крупнозернистой», достигает точности наравне с моделями, которые включают описание на атомарном уровне. «Традиционно можно подумать, что введение этих приближений обычно приводит к гораздо худшей модели — той, которая эффективна, но не очень хорошо работает», — сказал он. «Прелесть в том, что эта молекулярная модель не имеет права быть такой же точной, как атомистические модели, но все же остается таковой.«

Чтобы достичь высокой точности крупнозернистой модели, исследователи обучили модель, используя информацию, полученную из почти миллиарда конфигураций атомного масштаба, включающих температурно-зависимые свойства, которые хорошо известны. «По сути, мы сказали нашей модели:« Смотри, вот что такое свойства », и попросили дать нам параметры, которые могли бы их воспроизвести», — сказал Чан.

Обучение модели включало то, что Чан назвал «иерархическим подходом», в котором каждая модель-кандидат подвергалась серии тестов или оценок, начиная с основных основных свойств, а затем переходя к более сложным.«Вы можете думать об этом как о попытке научить ребенка навыку», — сказал Чан. «Вы начинаете с чего-то фундаментального и продвигаетесь вверх, когда видите прогресс».

Исследователи также показали, что их подход может быть использован для улучшения работы других существующих атомистических и молекулярных моделей. «Мы смогли значительно улучшить характеристики существующих высококачественных моделей воды, используя наш иерархический подход. В принципе, мы должны иметь возможность пересмотреть все молекулярные модели и помочь каждой из них достичь максимальной производительности», — сказал Шанкаранараянан.

Статья, основанная на исследовании «Крупнозернистые модели машинного обучения для воды», появилась 22 января в онлайн-выпуске журнала Nature Communications . Среди других аргонских авторов были Крис Бенмор, Стивен Грей и Трой Лёффлер.


Новый подход к молекулярному моделированию может ускорить разработку новых органических материалов для электроники
Дополнительная информация: Генри Чан и др., Крупнозернистые модели машинного обучения для воды, Nature Communications (2019).DOI: 10.1038 / s41467-018-08222-6 Предоставлено Аргоннская национальная лаборатория

Ссылка : Ученые построили высокоточную молекулярную модель воды с помощью машинного обучения (4 апреля 2019 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *