Самая маленькая молекула: Какая самая маленькая молекула ?

Содержание

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле

https://ria.ru/20201028/titan-1581924489.html

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле — РИА Новости, 28.10.2020

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле

Астрономы обнаружили в атмосфере Титана циклопропенилиден — чрезвычайно редкую молекулу, состоящую из атомов углерода и водорода, которая не встречается ни на… РИА Новости, 28.10.2020

2020-10-28T14:12

2020-10-28T16:08

наука

наса

космос — риа наука

химия

биология

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/103106/82/1031068239_0:0:600:338_1920x0_80_0_0_7c39a4156d975cc36f8dc3e55d00fc5e.jpg

МОСКВА, 28 окт — РИА Новости. Астрономы обнаружили в атмосфере Титана циклопропенилиден — чрезвычайно редкую молекулу, состоящую из атомов углерода и водорода, которая не встречается ни на одной планете. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal.Титан, крупнейший спутник Сатурна, — единственное, за исключением Земли, небесное тело, на поверхности которого присутствует жидкость. Моря и озера Титана состоят из жидких углеводородов, и ученые предполагают, что там, вполне возможно, существует жизнь. Астрономы под руководством Конора Никсона (Conor Nixon) из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА использовали радиотелескоп ALMA, расположенный в чилийской пустыне Атакама, для поиска органических молекул в атмосфере Титана.В разреженных верхних слоях, высоко над поверхностью, они обнаружили спектр неизвестного соединения. Сравнив его с базой химических профилей, ученые определили, что это циклопропенилиден (C3h3) — чрезвычайно редкая молекула на основе углерода, полученная на Земле только в лабораторных условиях. Она не может долго существовать в атмосферных условиях, потому что очень легко реагирует с другими молекулами, образуя более сложные соединения. Циклопропенилиден никогда раньше не находили где-либо в Солнечной системе. Теоретически он может оставаться стабильным только в холодном межзвездном пространстве, где практически отсутствуют химические взаимодействия.Это соединение для ученых представляет особый интерес, поскольку его кольцевые молекулы, состоящие из трех атомов углерода, когда-то могли стать строительными блоками для более сложных органических молекул, которые однажды привели к возникновению жизни на Земле. Известно, что азотистые основания ДНК и РНК основаны на таких молекулярных кольцах.»Циклический характер циклопропенилидена открывает дополнительную ветвь химии, которая позволяет создавать биологически важные молекулы», — приводятся в пресс-релизе Центра космических полетов имени Годдарда НАСА слова одного из авторов статьи астробиолога Александра Телена (Alexander Thelen).Чем меньше молекула, тем больше у нее потенциал. Ученые предполагают, что реакции с участием мелких молекул с меньшим количеством связей, таких как циклопропенилиден, будут происходить быстрее, чем реакции с участием крупных и сложных молекул, что чисто статистически приведет к более разнообразным результатам. До этого считалось, что самая маленькая молекула углеводородного кольца — бензол (C6H6), который уже выявили ранее в атмосфере Титана. Авторы предполагают, что верхних слоях атмосфера этого спутника настолько разреженная, что в ней может сохраняться циклопропенилиден.»Титан уникален в нашей Солнечной системе. Он оказался сокровищницей новых молекул, — говорит руководитель исследования Конор Никсон. — Мы думаем о Титане как о реальной лаборатории, где можно увидеть химию, подобную той, что была на древней Земле, когда здесь зарождалась жизнь».Азот и метан на поверхности Титана распадаются под действием солнечного света, вызывая каскад химических реакций. Могут ли эти реакции привести к возникновению жизни — вопрос, на который ученые хотят найти ответ.

https://ria.ru/20201027/planeta-1581809538.html

https://ria.ru/20201026/luna-1581628545.html

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/103106/82/1031068239_0:0:600:450_1920x0_80_0_0_cfe8376b750aaf39162724f3103041ff.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

наса, космос — риа наука, химия, биология

Наука, НАСА, Космос — РИА Наука, Химия, биология

МОСКВА, 28 окт — РИА Новости. Астрономы обнаружили в атмосфере Титана циклопропенилиден — чрезвычайно редкую молекулу, состоящую из атомов углерода и водорода, которая не встречается ни на одной планете. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

Титан, крупнейший спутник Сатурна, — единственное, за исключением Земли, небесное тело, на поверхности которого присутствует жидкость. Моря и озера Титана состоят из жидких углеводородов, и ученые предполагают, что там, вполне возможно, существует жизнь.

Астрономы под руководством Конора Никсона (Conor Nixon) из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА использовали радиотелескоп ALMA, расположенный в чилийской пустыне Атакама, для поиска органических молекул в атмосфере Титана.

В разреженных верхних слоях, высоко над поверхностью, они обнаружили спектр неизвестного соединения. Сравнив его с базой химических профилей, ученые определили, что это циклопропенилиден (C₃H₂) — чрезвычайно редкая молекула на основе углерода, полученная на Земле только в лабораторных условиях. Она не может долго существовать в атмосферных условиях, потому что очень легко реагирует с другими молекулами, образуя более сложные соединения.

Циклопропенилиден никогда раньше не находили где-либо в Солнечной системе. Теоретически он может оставаться стабильным только в холодном межзвездном пространстве, где практически отсутствуют химические взаимодействия.

27 октября 2020, 18:13Наука

Астрономы нашли 17 кандидатов на роль Девятой планеты

Это соединение для ученых представляет особый интерес, поскольку его кольцевые молекулы, состоящие из трех атомов углерода, когда-то могли стать строительными блоками для более сложных органических молекул, которые однажды привели к возникновению жизни на Земле. Известно, что азотистые основания ДНК и РНК основаны на таких молекулярных кольцах.

«Циклический характер циклопропенилидена открывает дополнительную ветвь химии, которая позволяет создавать биологически важные молекулы», — приводятся в пресс-релизе Центра космических полетов имени Годдарда НАСА слова одного из авторов статьи астробиолога Александра Телена (Alexander Thelen).

Чем меньше молекула, тем больше у нее потенциал. Ученые предполагают, что реакции с участием мелких молекул с меньшим количеством связей, таких как циклопропенилиден, будут происходить быстрее, чем реакции с участием крупных и сложных молекул, что чисто статистически приведет к более разнообразным результатам.

До этого считалось, что самая маленькая молекула углеводородного кольца — бензол (C₆H₆), который уже выявили ранее в атмосфере Титана. Авторы предполагают, что верхних слоях атмосфера этого спутника настолько разреженная, что в ней может сохраняться циклопропенилиден.

«Титан уникален в нашей Солнечной системе. Он оказался сокровищницей новых молекул, — говорит руководитель исследования Конор Никсон. — Мы думаем о Титане как о реальной лаборатории, где можно увидеть химию, подобную той, что была на древней Земле, когда здесь зарождалась жизнь».

Азот и метан на поверхности Титана распадаются под действием солнечного света, вызывая каскад химических реакций. Могут ли эти реакции привести к возникновению жизни — вопрос, на который ученые хотят найти ответ.

26 октября 2020, 19:00Наука

NASA подтвердило наличие воды на солнечной стороне Луны

ЖИЗНЬ, МОЛЕКУЛА ВОДЫ И ЗОЛОТАЯ ПРОПОРЦИЯ

Соотношения золотой пропорции исследователи находят в морфологической структуре растений, птиц, животных, человека. Закономерности золотой пропорции обнаруживаются и в организации неживой природы. В данной статье на основании анализа молекулы воды в различных агрегатных состояниях высказана гипотеза, что ее структура в состоянии талой воды практически соответствует треугольнику золотой пропорции.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Теплоемкость воды достигает минимального значения при температуре около 37оС.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Илл. 1. Плотность воды при понижении температуры сначала возрастает, достигает максимума при 4оС и начинает уменьшаться.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В момент плавления объем свинца мгновенно увеличивается от 1 до 1,003, а объем воды скачком уменьшается от 1,1 до 1,0.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Вода имеет аномально высокие температуры кипения и замерзания по сравнению с другими трехатомными соединениями водорода.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В жидкой воде молекулы H2O могут объединяться в сложные образования — кластеры, по структуре напоминающие лед.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Схематичное изображение молекулы воды на плоскости.

Деление отрезка в крайнем и среднем отношении, или золотая пропорция. Отрезок разделен на две части так, что CB:AC = AC:AB.

«Золотой треугольник». Соотношение его сторон OA:AB = OB:AB ≈ 0,618,

Наука и жизнь // Иллюстрации

Таблица 1.

Таблица 2.

‹

›

Открыть в полном размере

Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле.
Леонардо да Винчи

Вода — одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen — от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду».

Дальнейшие исследования показали, что за незатейливой химической формулой Н₂О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух с лишним столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас ученые понимают, что вода остается трудным объектом для исследований, ее свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.

Загадочная магия воды. Почему жидкая вода имеет необычные свойства? Традиционный ответ может быть следующим: из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определенного поведения электронов в молекуле и т.п.

Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды? Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами. Кратко упомянем те из них, которые обуславливают существование жизни на Земле.

Вначале о трех особенностях тепловых свойств воды.

Первая особенность: вода — единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум.

Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37^оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38^оС (внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные).

Вторая особенность: теплоемкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, — по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта исключительная особенность воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью.

Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии.

Температура других теплокровных млекопитающих (32-39^оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед — растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

Все три особенности тепловых свойств воды позволяют человеку оптимальным образом существовать в условиях благоприятной среды.

Имеются особенности и в поведении объема воды. Плотность большинства веществ — жидкостей, кристаллов и газов — при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4^оС (точнее, до 3,98^оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4^оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4^оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0^оС.

Замерзание воды сопровождается скачкообразным(!) уменьшением плотности более чем на 8%, тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле.

Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Отметим еще некоторые особенности воды.

Внешне вода подвижна и податлива, и ее можно заключить в любой сосуд. Однако, проникая в трещины горных пород и расширяясь при замерзании, вода раскалывает скальные породы любой твердости, которые постепенно распадаются на все более мелкие частицы. Так начинается возврат окаменевших пород в жизненный цикл: на полях промерзание поверхностных слоев земли с ее органическими компонентами помогает образованию плодородной почвы.

Процесс включения твердых веществ в большой круговорот живой природы ускоряется чудесным свойством воды их растворять. Вода с растворенными компонентами твердых веществ становится средой питания и поставщиком микроэлементов, необходимых для жизни растений, животных и человека.

Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду — она всегда содержит растворенный материал сосуда. Вода абсолютно необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Она содержится в человеческой крови (79%) и способствует переносу по кровеносной системе в растворенном состоянии тысяч необходимых для жизни веществ. Вода содержится в лимфе (96%), которая разносит из кишечника питательные вещества по тканям живого организма (см. таблицу 1).

Перечисленные свойства и особая роль воды в обеспечении жизни на Земле не могут оставить равнодушным ни один пытливый ум, даже если он верит в счастливые случайности. «Начало всего есть вода», — справедливо отмечал Фалес из Милета в VI веке до н.э.

Жидкое чудо. Прекратим перечисление странных, но жизненно необходимых свойств воды, которых можно набрать еще с десяток, и переключим внимание на секреты необычного строения ее молекулы. Именно анализ строения молекулы воды позволяет понять ее исключительность в живой и неживой природе. Так что дорога к истине проходит через строение одиночной молекулы воды.

Прежде всего отметим, что молекула воды самая маленькая среди подобных трехатомных молекул (по отношению к гомологам, то есть водородным соединениям типа Н₂S, Н₂Se, Н₂Те, со свойствами которых традиционно сравнивают свойства воды). Такие молекулы при нормальных условиях образуют газы, а молекулы воды — жидкость. Почему?

Хаотичное сообщество газообразных молекул воды при конденсации, то есть при образовании жидкой фазы, формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы) (Н₂О)x. Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Возможности прямого наблюдения кластеров ограничены, и поэтому экспериментаторы компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями.

При комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 6. Это означает, что формула воды не просто Н₂О, а среднее между Н₆О₃ и Н₁₂О₆. Другими словами, вода — сложная жидкость, «составленная» из повторяющихся групп, содержащих от трех до шести одиночных молекул. Вследствие этого вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения по сравнению с гомологами. Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100^оС и закипать при температуре около +10^оС.

Если бы вода при испарении оставалась в виде Н₆О₃, Н₈О₄или Н₁₂О_6,то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода. В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно.

Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н₂О (обнаруженное в последнее время в паре незначительное количество димеров Н₄О₂ погоды не делает). Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для человека погодные условия.

На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков.

Восхитительная геометрия. Итак, какова же самая маленькая среди трехатомных
молекул? Молекула воды имеет симметричную V-образную форму, так как два небольших
атома водорода располагаются с одной стороны от сравнительно крупного атома
кислорода. Это сильно отличает молекулу воды от линейных молекул, например Н₂Ве,
в которой все атомы располагаются цепочкой. Именно такое странное расположение
атомов в молекуле воды и позволяет ей иметь множество необычных свойств.

Если внимательно рассмотреть геометрические параметры молекулы воды, то в ней обнаруживается определенная гармония. Чтобы увидеть ее, построим равнобедренный треугольник Н-О-Н с протонами в основании и кислородом в вершине. Такой треугольник схематично копирует структуру молекулы воды, проекция которой на плоскость условно изображена на рисунке.

Длины сторон этого треугольника и валентный угол между двумя связями О-Н изменяются при изменении агрегатного состояния воды. Приведем эти параметры (см. таблицу 2).

Прокомментируем данные, характеризующие различные состояния воды.

Параметры молекулы воды в парообразном состоянии получены на основе обработки спектров ее поглощения. Результаты неоднократно уточнялись, но по существу правильно оценивают длины связей и валентный угол в молекуле воды в состоянии пара.

Кристаллическая структура льда при нормальном давлении довольно рыхлая с причудливой паутиной связей между молекулами воды. Схематично кристаллическую решетку обычного льда можно построить из атомов кислорода, каждый из которых участвует с соседними атомами в четырех водородных связях, направленных приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Напомним, что водородной называется связь между атомами в одной молекуле или между соседними молекулами, которая осуществляется через атом водорода. Водородная связь играет чрезвычайно важную роль в структуре не только воды, но и большинства биологических молекул — углеводов, белков, нуклеиновых кислот и т. п.

Если кристаллический лед хорошо упорядочен по кислороду, то этого нельзя сказать про водород: в расположении ионов водорода (протонов) наблюдается сильный беспорядок. Их положение четко не определено, и поэтому лед можно считать разупорядоченным по водороду.

Лед обладает многими удивительными особенностями, из которых отметим две.

Во-первых, он всегда очень чист химически. В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Вообще говоря, любой растущий кристалл стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса — вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Во-вторых, лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью. Благодаря этому солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие этого, наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана.

Экспериментальное определение параметров одиночной молекулы воды в жидкой фазе до сих пор встречает непреодолимые трудности, поскольку жидкая вода — это смесь структурных элементов, то есть различных кластеров, находящихся в динамическом равновесии между собой. Полной ясности в отношении их взаимодействий до сих пор нет, а разделить такую смесь на отдельные компоненты невозможно: «простая» жидкость Н₂О не торопится раскрывать свои внутренние секреты.

Вернемся к рисунку, на котором в общих чертах представлена структура молекулы воды. В ней есть симметрия, которая играет основную роль в попытках всестороннего объяснения физического мира, и асимметрия, наделяющая эту молекулу возможностью движения и связью с золотой пропорцией. Поэтому кратко напомним о том, что в математике называют золотой пропорцией.

Золотая пропорция . Это понятие возникает при решении геометрической задачи о нахождении на отрезке АВ такой точки С, чтобы выполнялось соотношение СВ:АС = АС:АВ.

Решение этой задачи приводит к отношению СВ:АС = (-1+√5)/2, которое называют золотой пропорцией, а соответствующее геометрическое деление отрезка АВ точкой С называют золотым сечением. Если принять весь отрезок за единицу, то АС = 0,618033… и СВ = 0,381966….

Время показало, что золотая пропорция воплощает совершенные и гармоничные отношения двух величин. В геометрической интерпретации она приводит к соразмерному и привлекательному соотношению между двумя неравными отрезками.

Исследователи золотой пропорции с античных времен до наших дней всегда восхищались
и продолжают восхищаться ее свойствами, которые проявляются в строении различных
элементов физического и биологического мира. Золотая пропорция обнаруживается
везде, где соблюдены принципы гармонии.

Что же объединяет золотую пропорцию с молекулой воды? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим двумерный образ золотой пропорции в виде треугольника.

В золотом треугольнике отношение ОА:АВ = ОВ:АВ приблизительно равно 0,618,
угол α = 108,0^о. Для льда отношение длин связей О-Н к Н-Н равно 0,100:0,163
= 0,613 и угол α = 109,5^о, для пара — соответственно 0,631 и 104,5^о.
Не распознать в золотом треугольнике прообраз структуры молекулы воды просто
невозможно! Удивительно, что до сих пор так мало внимания обращали на возможность
подобной интерпретации ее строения.

И действительно, поместив в треугольнике АОВ в точки А и В атомы водорода, а в точку О — атом кислорода, получим в первом приближении молекулу жидкой воды, сконструированную на основе золотой пропорции. Подобная элегантность молекулы очаровывает и восхищает. Так что роль молекулы воды в природе и жизни не может быть правильно оценена без учета красоты ее формы.

Исключительная гармония. Убедимся, что молекула жидкой воды — единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.

В трехатомных молекулах-гомологах, близких по химическому составу к молекуле воды (Н₂S, H₂Se и Н₂Те), валентный угол приблизительно равен 90^о. Например, молекула Н₂S имеет следующие геометрические параметры:

длина связи S-Н, нм ……………………. 0,1345

длина связи Н-Н, нм ……………………… 0,1938

валентный угол Н-S-Н, град ………….. 92,2

Отношение длин связей S-Н к Н-Н равно 0,694, что далеко от золотой пропорции. Квантово-химические расчеты показывают, что если бы вода была подобна родственным ей веществам, то валентный угол у ее молекулы должен был быть приблизительно таким же, как у Н₂S, или больше максимум на 5^о.

Но вода, как выясняется, не любит подобия, она всегда герой другого романа. Если бы валентный угол у воды был порядка 90-95^о, о золотой пропорции пришлось бы забыть и вода оказалась бы в одном содружестве с другими водородными соединениями.

Но вода уникальна, ее молекула обладает практически выверенными эстетическими качествами, и поэтому ее свойства необходимо иногда интерпретировать, выходя за рамки традиционной научной парадигмы. И тогда некоторые загадки воды смогут быть объяснены таким «ненаучным» понятием, как гармония.

На приведенные рассуждения можно возразить: экспериментальные измерения геометрических параметров молекулы воды имеют определенную погрешность, и поэтому соотношение золотой пропорции может строго не выполняться. Но даже если в экспериментальные измерения внести еще большую погрешность, молекула воды все равно останется единственным из трехатомных веществ, имеющим практически «золотые» гармоничные пропорции.

В связи с этим обратим внимание на загадку талой воды, которая, по широко распространенному мнению, обладает отличным от обычной воды физиологическим воздействием.

Удивительная талая вода. Она рождается при таянии льда и сохраняет температуру 0^оС, пока весь лед не растает. Специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде, так как при плавлении кристалла разрушается только 15% всех водородных связей. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки.

Таким образом, талая вода отличается от обычной изобилием многомолекулярных кластеров, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 минут, вязкость — через 3-6 суток. Биологическая активность талой воды спадает, по одним данным, приблизительно за 12-16 часов, по другим — за сутки.

Итак, физико-химические свойства талой воды самопроизвольно меняются во времени, приближаясь к свойствам обычной воды: она постепенно как бы «забывает» о том, что еще недавно была льдом.

Лед и пар — различные агрегатные состояния воды, и поэтому логично предположить, что в жидкой промежуточной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в диапазоне между значениями в твердой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5^о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5^о.

Значит, для обычной жидкой воды валентный угол вполне может иметь некоторое среднее значение между 109,5^{и 104,5^о, то есть примерно 107,0^о. Но так как талая вода по своей внутренней структуре близка ко льду, то и валентный угол ее молекулы должен быть ближе к 109,5^о, скорее всего, около 108,0^о.}

Сказанное выше можно сформулировать в виде гипотезы: в силу того, что талая вода значительно более структурирована, чем обычная вода, ее молекула с большой долей вероятности имеет структуру, максимально приближенную к гармоничному треугольнику золотой пропорции с валентным углом, близким к 108^о, и с отношением длин связей примерно 0,618-0,619.

Экспериментального подтверждения этой гипотезы у авторов нет, как нет и какой-либо теории ее обоснования. Есть только догадка, высказанная на этих страницах, которая может, естественно, оспариваться.

Таинственная сила талой воды. Человеку с незапамятных времен известны удивительные свойства талой воды. Давно замечено, что вблизи тающих родников растительность альпийских лугов всегда пышнее, а у кромки тающего льда в арктических морях бурно цветет жизнь. Полив талой водой повышает урожайность сельскохозяйственных культур, ускоряет прорастание семян. При употреблении талой воды устойчиво повышаются привесы в животноводстве, ускоряется развитие цыплят. Известно, с какой жадностью животные пьют весной талую воду, а птицы буквально купаются в первых лужицах подтаявшего снега.

Талая вода, в отличие от обычной, по своей структуре очень похожа на жидкость, содержащуюся в клетках растительных и живых организмов. Именно поэтому для человека более подходит «ледяная» структура талой воды, в которой молекулы объединены в ажурные кластеры. Это уникальное свойство талой воды способствует ее легкому усвоению организмом, она биологически активна. Вот почему так полезны овощи и фрукты — они доставляют в организм воду, имеющую аналогичную структуру.

При питье талой воды происходит подпитка организма самым гармоничным из всех веществ на Земле. Она улучшает обмен веществ и усиливает кровообращение, снижает количество холестерина в крови и успокаивает боли в сердце, повышает адаптационные возможности организма и способствует продлению жизни. Глоток чистейшей талой воды тонизирует лучше пастеризованного сока, в ней есть заряд энергии, бодрости и легкости.

Один из авторов этой работы постоянно пьет талую с плавающими льдинками воду и считает, что именно поэтому за три года ни разу не простудился. Талая вода освежает и молодит кожу, которая перестает нуждаться в кремах и лосьонах.

Теоретическое изучение свойств талой воды находится пока на уровне гипотез. Нет общепринятого мнения о причинах, вызывающих необычные эффекты при ее применении. Есть определенные проблемы и с доказательной стороной биологической активности талой воды. Исследования в этом направлении вызывают порой жаркие дискуссии. Сложность проблемы, отсутствие ясности — все это должно не отпугивать, а притягивать и способствовать появлению новых идей, гипотез, теорий. Таков зачастую тернистый путь развития науки.

Подчеркнем: приведенная гипотеза не претендует на расшифровку загадки талой воды. Она лишь позволяет выйти за рамки традиционного мышления и посмотреть на взаимную любовь жизни и воды с необычной стороны — со стороны гармонии и красоты, со стороны особых свойств талой воды, добавляющих ее изящной молекуле черты, которыми не обладают другие молекулы.

ЛИТЕРАТУРА

Ауэрбах Ф. Семь аномалий воды. — СПб., 1919.

Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы. — Новосибирск: Наука, 1982.

Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. — М.: МГУ, 1998.

Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. — М.: Знание, 1987.

Белянин В. С., Романова Е. Золотая пропорция. Новый взгляд // Наука и жизнь, 2003, № 6.

Вода: структура, состояние, сольватизация. Достижения последних лет.
— М.: Наука, 2003.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. Плотность льда почти на 10% меньше, чем у воды, а удельный объем на столько же больше. Поэтому лед плавает, а вода, замерзая в трещинах горных пород, раскалывает их.

1.5: Мельчайшие частицы, атомы и молекулы

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 31210

Ким Кобл, Кевин Маклин и Линн Комински
Университет штата Сан-Франциско, Университет штата Чико и Университет штата Сонома

Цели обучения

Вы узнаете, что материя состоит из атомов, которые состоят из частиц

Что вы думаете \(\PageIndex{1}\): частицы и атомы

Трое студентов готовятся к предстоящему экзамену.

Джуэ : Меня смущают все эти разные частицы. Атомы состоят из электронов и протонов, верно?
Кейко : Нет, электроны и протоны составляют атомы — атомы больше, чем электроны или протоны.
Лурдес : Верно. Нейтроны тоже входят в состав атомов.

Наши тела, воздух, которым мы дышим, планеты и звезды состоят из атомов. Атом состоит из плотного центрального ядра, состоящего из протонов и нейтронов, которое окружено электронным облаком. Поскольку электронное облако намного больше ядра, большая часть атома представляет собой пустое пространство. Атом примерно 10 ^⁻10 м, а ядро размером 10 ^⁻15 м в 100 000 раз меньше. Чтобы представить это в перспективе, если бы ядро было половиной длины поля для американского футбола, размер атома был бы примерно равен расстоянию через континентальную часть Соединенных Штатов.

Тип атома или химического элемента зависит от количества содержащихся в нем протонов — это называется его атомным номером. Изменение этого числа означало бы изменение элемента, и для этого потребовалась бы ядерная реакция. На рис. 1.27 показана Периодическая таблица элементов. В нем собраны все известные элементы, и эта версия дает символ для каждого элемента и его атомный номер (количество протонов) и атомную массу (количество протонов плюс нейтроны, усредненное по различным формам каждого атома, называемым изотопами — см. ниже). Масса атома почти полностью зависит от количества протонов и нейтронов; электроны настолько легче, что их вклад в массу ничтожен. В этой таблице показаны все известные элементы, в том числе многие знакомые вам элементы, такие как углерод (С), кислород (О) и железо (Fe), а также некоторые, которые могут быть менее знакомы, поскольку встречаются в природе реже. например, литий (Li) и бериллий (Be).

Рисунок 1.27: Периодическая таблица элементов. Буквы обозначают атомный символ, цифра вверху обозначает атомный номер, а цифра внизу обозначает атомную массу. Предоставлено: NASA/SSU/Aurore Simonnet. В интересах экономии места мы не включили атомные номера 58–71 и 90–103.

Атомный номер атома определяет его химические свойства, потому что каждый протон соединен с электроном, вращающимся вокруг ядра, а внешние электроны атома определяют химический состав атома. Поскольку положительный электрический заряд протона имеет ту же силу, что и отрицательный электрический заряд электрона, общий заряд атома равен нулю. В некоторых случаях атом может терять часть своих электронов или, реже, приобретать дополнительные электроны. В любом случае атом будет иметь суммарный электрический заряд и тогда будет называться ионом.

Два атома с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов известны как изотопы одного и того же элемента. Например, наиболее распространенная форма водорода имеет только один протон в качестве ядра (атомный номер 1, массовое число 1). Изотоп водорода, имеющий в ядре один протон и один нейтрон, называется дейтерием (атомный номер 1, массовое число 2). Оба этих изотопа водорода имеют один электрон, вращающийся вокруг ядра (чей отрицательный электрический заряд уравновешивает положительный заряд протона). В качестве другого примера гелий обычно имеет два протона и два нейтрона (атомный номер 2, массовое число 4), но есть изотоп гелия, который имеет два протона и один нейтрон (атомный номер 2, массовое число 3). Оба этих изотопа гелия имеют по два электрона. Изотопы элемента часто сокращаются названием или символом элемента и массовым числом. Например, изотоп гелия с одним нейтроном обозначается аббревиатурой гелий-3 или 9.0058 3 Он; более распространенная форма гелия, используемая в гелиевых шарах, обозначается аббревиатурой гелий-4 или ⁴ He. На рис. 1.27 представленное массовое число представляет собой средневзвешенное значение для всех различных изотопов этого вида. По этой причине показанные массовые числа не являются целыми числами.

Хотя мы часто думаем об атомах как о строительных блоках материи, сами они состоят из субатомных частиц протонов, нейтронов и электронов. Как оказалось, существует ряд более фундаментальных, или элементарных, частиц, из которых состоит вся материя во Вселенной. Протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Существует шесть типов кварков. Двумя наиболее распространенными типами являются верхний кварк (u) и нижний кварк (d). Протоны состоят из двух верхних и одного нижнего кварков (uud), а нейтроны состоят из одного верхнего и двух нижних кварков (ddu), как показано на рис. 1.28. Существуют сотни частиц, не составляющих химических элементов, которые можно построить из других комбинаций двух или трех кварков.

Каждая фундаментальная частица также имеет соответствующую частицу или античастицу антивещества. Античастицы похожи на частицы, за исключением того, что их заряды меняются местами. Так, например, антипротон имеет ту же массу, что и протон, но имеет отрицательный электрический заряд вместо положительного. Кроме того, антипротон будет состоять из соответствующих групп антикварков, то есть из двух анти-верхних кварков и одного антинижнего кварка. Соответствующая схема составила бы антинейтрон.

Рисунок 1. 28: Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков. Вокруг ядра находится большое облако вращающихся электронов. Предоставлено: NASA/SSU/Aurore Simonnet.

В отличие от протонов и нейтронов, которые состоят из более мелких частиц, электрон сам по себе является элементарной частицей. Электроны являются частью класса частиц, известных как лептоны. Как и в случае с кварками, существует шесть типов лептонов (и шесть соответствующих антилептонов). Нейтрино — еще один пример лептонов. Нейтрино имеют такую маленькую массу и так слабо взаимодействуют с материей, что, несмотря на то, что миллиарды их проходят через ваше тело каждый день — столько же поднимается из-под земли после полного прохождения через Землю, сколько спускается с неба, прежде чем пройти через вас. и Земля — что ты их никогда не заметишь.

Третий и последний класс фундаментальных частиц состоит из полевых бозонов, передающих четыре фундаментальные силы природы. Этими четырьмя силами являются: электромагнитная сила, которая удерживает электроны связанными с ядром и тем самым определяет структуру атомов; сильное ядерное взаимодействие, удерживающее вместе ядро и содержащиеся в нем частицы; слабое ядерное взаимодействие, важное при радиоактивном распаде и других взаимодействиях; и гравитация, которая доминирует в астрономических масштабах. Например, частица, связанная с электромагнитной силой, — это фотон или частица света. Для сильного ядерного взаимодействия обмен глюонами удерживает кварки вместе, образуя более крупные частицы. Если все это звучит очень сложно, так оно и есть. Но не волнуйтесь. Мы еще вернемся к этим концепциям в последующих главах, когда будем обсуждать условия, существовавшие в начале Вселенной. Надеюсь, с дальнейшим изучением все это станет менее запутанным.

Три класса элементарных частиц: кварки, лептоны и полевые бозоны представлены на рис. 1.29.

Рисунок 1.29: Три класса элементарных субатомных частиц составляют строительные блоки Вселенной: кварки, лептоны и полевые бозоны. Предоставлено: NASA/SSU/Aurore Simonnet.

Молекулы представляют собой структуры, которые содержат два или более атомов, связанных друг с другом за счет общих электронов между ними. Это разделение называется химической связью. Атомы любой конкретной молекулы имеют определенный рисунок или структурное расположение, определяемое этими связями. Молекулы могут иметь все тот же атом или комбинацию разных атомов. Например, кислород (O ₂ ) состоит из двух атомов кислорода, а вода (H ₂ O) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Размер молекулы зависит от количества связанных атомов и расстояния между этими атомами. Большинство молекул настолько малы, что измеряются в таких единицах, как нанометры или микрометры, но размеры могут варьироваться от 10 ^-10 м для молекулярного водорода, самой маленькой молекулы, до 5 см в случае нити ДНК человека (если он был раскручен). ДНК является одним из примеров довольно большой молекулы, присутствующей в клетках, строительных блоках жизни. Есть около 10 ¹⁴ клеток в организме человека: типичный размер человеческой клетки составляет 10 ^-5 мкм.

Таблица 1.7 Размеры частиц и других строительных блоков
ОБЪЕКТ	РАЗМЕР
Кварки	< 10 ^⁻18 м
Лептоны (включая электроны)	< 10 ^⁻18 м
Протоны	10 ^⁻15 м
Нейтроны	10 ^⁻15 м
Атомное ядро	10 ^⁻15 до 10 ^⁻14 м
Атом	10 ^⁻10 м
Молекула	Типовой ~10 ^⁻6 м, диапазон 10 ^⁻10 м – 0,05 м
Сотовый	Типовой 10 ^⁻5 м

Эта страница под названием 1. 5: The Smallest Stuff- Particles, Atoms, and Molecules распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0, ее авторами, ремиксами и/или кураторами являются Ким Кобл, Кевин Маклин и Линн Комински.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
Ким Кобл, Кевин Маклин, Джанель Бейли, Энн Метевье, Кэролайн Перута и Линн Комински
Экран CSS
Космология
Лицензия
CC BY-NC-SA
Версия лицензии
4,0
Показать оглавление
нет
Теги

Потрясающее изображение самой маленькой пятикольцевой конструкции

Олимпийский радикал АФМ Лаплас отфильтрован. Черная полоса соответствует 0,5 нм. Авторы и права: IBM Research — Цюрих, Уорикский университет, Королевское химическое общество.

Ученые создали и изобразили наименьшую из возможных пятикольцевую структуру примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса и вы, вероятно, узнаете ее форму.

Сотрудничество между Королевским химическим обществом (RSC), Уорикским университетом и IBM Research Цюрих позволил ученым воплотить в жизнь одну молекулу на картинке, используя сочетание искусной синтетической химии и современных технологий. художественные приемы изображения.

Два года назад ученые решили создать и визуализировать олимпицен, пятикольцевая структура которого была введена в ChemSpider, бесплатную химическую онлайн-базу данных RSC, содержащую более 26 миллионов записей.

Радикально обработанное АСМ-изображение олимписена. Авторы и права: IBM Research — Цюрих, Уорикский университет, Королевское химическое общество.

«Когда я рисовал на совещании по планированию, мне пришло в голову, что молекулярная структура с тремя шестиугольными кольцами над двумя другими может стать интересным синтетическим вызовом», — сказал профессор Грэм Ричардс, CBE, член Совета RSC.

«Мне интересно: может ли кто-нибудь на самом деле сделать это и создать изображение реальной молекулы?»

Химики из Уорикского университета, д-р Дэвид Фокс и Аниш Мистри, использовали хитроумную синтетическую органическую химию — набор инструментов современного разработчика молекул — для создания олимпицена.

«Помимо научной задачи, связанной с созданием олимпицена в лаборатории, есть ряд серьезных практических причин для работы с подобными молекулами», — сказал доктор Фокс.

«Это соединение связано с однослойным графитом, также известным как графен, и является одним из ряда родственных соединений, потенциально обладающих интересными электронными и оптическими свойствами.

«Например, эти типы молекул могут иметь большой потенциал для нового поколения солнечных элементов и высокотехнологичных источников света, таких как светодиоды».

Первое представление о структуре молекулы было получено доктором Джованни Костантини и Беном Моретоном из Уорвика с помощью сканирующей туннельной микроскопии. его анатомия на атомном уровне.0032

Чтобы по-настоящему воплотить олимпицен в жизнь, Группа физики наноразмерных систем исследовательского центра IBM Research Цюрих в Швейцарии проанализировала химическую структуру олимпицена с беспрецедентным разрешением, используя сложную технику, известную как бесконтактная атомно-силовая микроскопия. Используя эту технику, ученые IBM изобразили одну молекулу олимпицена шириной всего 1,2 нанометра, что примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса.

Авторы и права: IBM Research — Цюрих, Уорикский университет, Королевское химическое общество.

«Ключом к достижению атомарного разрешения была атомарно острая и четкая вершина наконечника, а также очень высокая стабильность системы», — объясняет ученый из IBM доктор Лео Гросс.