Konsep molekul (dan gagasan turunannya tentang struktur molekul suatu zat, struktur molekul itu sendiri) memungkinkan kita memahami sifat-sifat zat yang menciptakan dunia. Penelitian modern, seperti penelitian awal, fisika dan kimia bergantung dan didasarkan pada penemuan besar tentang struktur atom dan molekul materi. Molekul adalah “detail” tunggal dari semua zat, yang keberadaannya dikemukakan oleh Democritus. Oleh karena itu, struktur dan hubungannya dengan molekul lain (membentuk struktur dan komposisi tertentu)lah yang menentukan/menjelaskan segala perbedaan zat, jenis dan sifatnya.

Molekul itu sendiri, karena bukan merupakan komponen terkecil dari suatu zat (yaitu atom), mempunyai struktur dan sifat tertentu. Struktur suatu molekul ditentukan oleh jumlah atom tertentu yang termasuk di dalamnya dan sifat ikatan (kovalen) antar atom tersebut. Komposisi ini tetap tidak berubah meskipun zat tersebut diubah menjadi wujud lain (seperti, misalnya, yang terjadi pada air - ini akan dibahas nanti).

Struktur molekul suatu zat ditentukan oleh rumus yang memberikan informasi tentang atom dan jumlahnya. Selain itu, molekul-molekul yang menyusun suatu zat/benda tidak bersifat statis: molekul-molekul itu sendiri bersifat bergerak - atom-atomnya berputar, berinteraksi satu sama lain (menarik/menolak).

Ciri-ciri air, kondisinya

Komposisi suatu zat seperti air (serta rumus kimianya) sudah tidak asing lagi bagi semua orang. Masing-masing molekulnya terdiri dari tiga atom: atom oksigen, dilambangkan dengan huruf “O”, dan atom hidrogen – bahasa Latin “H”, berjumlah 2. Bentuk molekul air tidak simetris (mirip segitiga sama kaki).

Air, sebagai zat, molekul penyusunnya, bereaksi terhadap “situasi” eksternal, indikator lingkungan - suhu, tekanan. Tergantung pada yang terakhir, air dapat mengubah keadaannya, yang ada tiga:

1. Keadaan alami air yang paling umum adalah cair. Struktur molekul (dihidrol) dengan tatanan khusus di mana molekul tunggal mengisi (melalui ikatan hidrogen) rongga.
2. Suatu keadaan uap yang struktur molekulnya (hidrol) diwakili oleh molekul tunggal yang tidak membentuk ikatan hidrogen.
3. Bentuk padat (es itu sendiri) memiliki struktur molekul (trihidrol) dengan ikatan hidrogen yang kuat dan stabil.

Selain perbedaan-perbedaan tersebut, tentu saja cara “transisi” suatu zat dari satu wujud (cair) ke wujud lain juga berbeda. Transisi ini mengubah substansi dan memicu transfer energi (pelepasan/penyerapan). Diantaranya ada proses langsung - transformasi air cair menjadi uap (penguapan), menjadi es (pembekuan) dan proses sebaliknya - menjadi cairan dari uap (kondensasi), dari es (peleburan). Selain itu, keadaan air - uap dan es - dapat diubah menjadi satu sama lain: sublimasi - es menjadi uap, sublimasi - proses sebaliknya.

Kekhususan es sebagai keadaan air

Diketahui secara luas bahwa es membeku (berubah dari air) ketika suhu melewati batas bawah nol derajat. Meski begitu, fenomena yang bisa dimaklumi ini memiliki nuansa tersendiri. Misalnya, keadaan es tidak jelas; jenis dan modifikasinya berbeda. Mereka berbeda terutama dalam kondisi di mana mereka muncul - suhu, tekanan. Ada sebanyak lima belas modifikasi tersebut.

Es dalam berbagai jenisnya memiliki struktur molekul yang berbeda (molekulnya tidak dapat dibedakan dengan molekul air). Es alami dan alami, dalam terminologi ilmiah disebut es Ih, adalah zat yang berstruktur kristal. Artinya, setiap molekul dengan empat “tetangga” di sekitarnya (jarak antara semua sama) menciptakan bangun geometris, tetrahedron. Fase es lainnya memiliki struktur yang lebih kompleks, misalnya struktur es trigonal, kubik, atau monoklinik yang sangat teratur.

Perbedaan utama antara es dan air pada tingkat molekuler

Perbedaan pertama dan tidak berhubungan langsung dengan struktur molekul air dan es di antara keduanya adalah indikator kepadatan zat. Struktur kristal yang melekat pada es, ketika terbentuk, berkontribusi terhadap penurunan kepadatan secara simultan (dari hampir 1000 kg/m³ menjadi 916,7 kg/m³). Dan ini merangsang peningkatan volume sebesar 10%.


Perbedaan utama dalam struktur molekul keadaan agregat air (cair dan padat) adalah jumlah, jenis dan kekuatan ikatan hidrogen antar molekul. Dalam es (keadaan padat), mereka menyatukan lima molekul, dan ikatan hidrogennya sendiri menjadi lebih kuat.

Molekul air dan zat es itu sendiri, seperti disebutkan sebelumnya, adalah sama. Namun dalam molekul es, atom oksigen (untuk membuat “kisi” kristal suatu zat) membentuk ikatan hidrogen (dua) dengan molekul “tetangganya”.

Yang membedakan zat air dalam wujudnya yang berbeda-beda (agregat) bukan hanya struktur susunan molekulnya (struktur molekul), tetapi juga pergerakannya, gaya interkoneksi/tarik-menarik antar keduanya. Molekul air dalam keadaan cair tertarik agak lemah, sehingga menjamin fluiditas air. Dalam es padat, daya tarik molekul paling kuat, dan oleh karena itu aktivitas motoriknya rendah (ini memastikan keteguhan bentuk es).

Air adalah zat yang familiar dan tidak biasa. Hampir 3/4 permukaan planet kita ditempati oleh samudra dan lautan. Air sadah - salju dan es - menutupi 20% daratan. Iklim planet ini bergantung pada air. Ahli geofisika mengatakan demikian Bumi pasti sudah lama mendingin dan berubah menjadi bongkahan batu tak bernyawa jika bukan karena air. Ia memiliki kapasitas panas yang sangat tinggi. Saat dipanaskan, ia menyerap panas; menenangkan diri, dia memberikannya. Air di bumi menyerap dan mengembalikan banyak panas sehingga “meratakan” iklim. Dan yang melindungi bumi dari dinginnya kosmik adalah molekul air yang tersebar di atmosfer - di awan dan dalam bentuk uap.

Air adalah zat paling misterius di alam setelah DNA, memiliki sifat unik yang tidak hanya belum sepenuhnya dijelaskan, tetapi masih jauh dari diketahui semuanya. Semakin lama dipelajari, semakin banyak anomali dan misteri baru yang ditemukan di dalamnya. Sebagian besar anomali yang memungkinkan adanya kehidupan di Bumi dijelaskan oleh adanya ikatan hidrogen antar molekul air, yang jauh lebih kuat daripada gaya tarik van der Waals antar molekul zat lain, tetapi besarnya lebih lemah daripada ionik dan kovalen. ikatan antar atom dalam molekul. Ikatan hidrogen yang sama juga terdapat dalam molekul DNA.

Molekul air (H 2 16 O) terdiri dari dua atom hidrogen (H) dan satu atom oksigen (16 O).

Ternyata hampir seluruh variasi sifat air dan keanehan manifestasinya pada akhirnya ditentukan oleh sifat fisik atom-atom ini, cara mereka digabungkan menjadi sebuah molekul, dan pengelompokan molekul yang dihasilkan. Beras. Struktur molekul air

Molekul air H 2 O dibangun dalam bentuk segitiga: sudut antara dua ikatan oksigen-hidrogen adalah 104 derajat. Namun karena kedua atom hidrogen terletak pada sisi oksigen yang sama, muatan listrik di dalamnya tersebar. Molekul air bersifat polar, yang menjadi alasan terjadinya interaksi khusus antara molekul-molekulnya yang berbeda. Atom hidrogen dalam molekul H 2 O, yang memiliki muatan positif parsial, berinteraksi dengan elektron atom oksigen dari molekul tetangganya. Ikatan kimia ini disebut ikatan hidrogen. Ini menyatukan molekul H 2 O menjadi asosiasi unik dari struktur spasial; bidang di mana ikatan hidrogen berada tegak lurus terhadap bidang atom dari molekul H 2 O yang sama. Interaksi antara molekul air terutama menjelaskan suhu leleh dan titik didih yang sangat tinggi. Energi tambahan harus disuplai untuk melonggarkan dan kemudian menghancurkan ikatan hidrogen. Dan energi ini sangat signifikan. Inilah sebabnya mengapa kapasitas panas air sangat tinggi.

Molekul air mengandung dua ikatan kovalen polar H–O. Mereka terbentuk karena tumpang tindih dua awan p satu elektron dari atom oksigen dan awan S satu elektron dari dua atom hidrogen.

Sesuai dengan struktur elektronik atom hidrogen dan oksigen, molekul air memiliki empat pasangan elektron. Dua di antaranya terlibat dalam pembentukan ikatan kovalen dengan dua atom hidrogen, yaitu. mengikat. Dua pasangan elektron lainnya bebas – tidak terikat. Mereka membentuk awan elektron. Awannya heterogen - konsentrasi individu dan penghalusan dapat dibedakan di dalamnya.

Molekul air memiliki empat muatan polar: dua positif dan dua negatif. Muatan positif terkonsentrasi pada atom hidrogen, karena oksigen lebih elektronegatif daripada hidrogen. Kedua kutub negatif tersebut berasal dari dua pasangan elektron oksigen yang tidak terikat.

Kepadatan elektron berlebih tercipta pada inti oksigen. Pasangan elektron internal oksigen membingkai inti secara merata: secara skematis ia diwakili oleh lingkaran dengan pusat - inti O 2-. Keempat elektron terluar dikelompokkan menjadi dua pasangan elektron yang tertarik ke arah inti, tetapi sebagian tidak terkompensasi. Secara skematis, orbital elektron total dari pasangan ini ditunjukkan dalam bentuk elips yang memanjang dari pusat yang sama - inti O2-. Masing-masing sisa dua elektron pada oksigen berpasangan dengan satu elektron pada hidrogen. Uap ini juga tertarik ke inti oksigen. Oleh karena itu, inti hidrogen - proton - menjadi agak telanjang, dan kurangnya kerapatan elektron terlihat di sini.

Jadi, dalam molekul air terdapat empat kutub muatan: dua negatif (kelebihan kerapatan elektron di wilayah inti oksigen) dan dua positif (kurangnya kerapatan elektron di dua inti hidrogen). Untuk lebih jelasnya, kita dapat membayangkan bahwa kutub menempati simpul tetrahedron yang terdeformasi, yang di tengahnya terdapat inti oksigen.

Beras. Struktur molekul air: a – sudut antara ikatan O-H; b – lokasi tiang muatan; c – penampakan awan elektron molekul air.

Molekul air yang hampir berbentuk bola memiliki polaritas yang nyata, karena muatan listrik di dalamnya terletak secara asimetris. Setiap molekul air merupakan dipol mini dengan momen dipol tinggi 1,87 deBy. Debye adalah satuan dipol listrik di luar sistem 3,33564·10 30 C·m. Di bawah pengaruh dipol air, gaya interatomik atau antarmolekul pada permukaan zat yang direndam di dalamnya melemah 80 kali lipat. Dengan kata lain, air memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, tertinggi dari semua senyawa yang kita kenal.

Karena hal ini, air memanifestasikan dirinya sebagai pelarut universal. Padatan, cairan, dan gas tunduk pada aksi pelarutannya sampai tingkat tertentu.

Kapasitas kalor jenis air adalah yang tertinggi dari semua zat. Selain itu, kapasitas panasnya 2 kali lebih tinggi dari es, sedangkan untuk sebagian besar zat sederhana (misalnya logam), kapasitas panasnya praktis tidak berubah selama proses peleburan, dan untuk zat yang terbuat dari molekul poliatomik, biasanya menurun. selama pencairan.

Pemahaman tentang struktur molekul ini memungkinkan kita menjelaskan banyak sifat air, khususnya struktur es. Dalam kisi kristal es, setiap molekul dikelilingi oleh empat molekul lainnya. Pada gambar planar, hal ini dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Koneksi antar molekul dilakukan melalui atom hidrogen. Atom hidrogen yang bermuatan positif dari satu molekul air tertarik ke atom oksigen yang bermuatan negatif dari molekul air lainnya. Ikatan ini disebut ikatan hidrogen (ditandai dengan titik). Kekuatan ikatan hidrogen kira-kira 15-20 kali lebih lemah dibandingkan ikatan kovalen. Oleh karena itu, ikatan hidrogen mudah putus, seperti yang diamati, misalnya, selama penguapan air.

Beras. kiri - Ikatan hidrogen antar molekul air

Struktur air cair menyerupai es. Dalam air cair, molekul juga terhubung satu sama lain melalui ikatan hidrogen, namun struktur air kurang “kaku” dibandingkan es. Karena pergerakan termal molekul dalam air, beberapa ikatan hidrogen terputus dan yang lainnya terbentuk.

Beras. Kisi kristal es. Molekul air H 2 O (bola hitam) pada simpulnya disusun sedemikian rupa sehingga masing-masing memiliki empat “tetangga”.

Polaritas molekul air dan adanya muatan listrik yang tidak terkompensasi sebagian di dalamnya menimbulkan kecenderungan untuk mengelompokkan molekul menjadi “komunitas” besar - asosiasi. Ternyata hanya air dalam bentuk uap yang sepenuhnya sesuai dengan rumus H2O. Hal ini ditunjukkan dengan hasil penentuan massa molekul uap air. Dalam kisaran suhu dari 0 hingga 100°C, konsentrasi individu (molekul monomer) air cair tidak melebihi 1%. Semua molekul air lainnya digabungkan menjadi asosiasi dengan tingkat kerumitan yang berbeda-beda, dan komposisinya dijelaskan dengan rumus umum (H 2 O)x.

Penyebab langsung terbentuknya asosiasi adalah ikatan hidrogen antar molekul air. Mereka muncul antara inti hidrogen dari beberapa molekul dan “kondensasi” elektron dari inti oksigen molekul air lainnya. Benar, ikatan ini puluhan kali lebih lemah dibandingkan ikatan kimia intramolekul “standar”, dan pergerakan molekul biasa sudah cukup untuk menghancurkannya. Namun di bawah pengaruh getaran termal, sambungan baru jenis ini dengan mudah muncul. Kemunculan dan keruntuhan sekutu dapat dinyatakan dengan diagram berikut:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Karena orbital elektron pada setiap molekul air membentuk struktur tetrahedral, ikatan hidrogen dapat mengatur susunan molekul air menjadi ikatan terkoordinasi tetrahedral.

Sebagian besar peneliti menjelaskan anomali kapasitas panas air cair yang tinggi dengan fakta bahwa ketika es mencair, struktur kristalnya tidak segera runtuh. Dalam air cair, ikatan hidrogen antar molekul dipertahankan. Yang tersisa di dalamnya adalah pecahan es - kumpulan molekul air dalam jumlah besar atau kecil. Namun, tidak seperti es, setiap asosiasi tidak bertahan lama. Penghancuran beberapa dan pembentukan asosiasi lainnya terus terjadi. Pada setiap nilai suhu dalam air, keseimbangan dinamisnya sendiri terbentuk dalam proses ini. Dan ketika air dipanaskan, sebagian panasnya digunakan untuk memutus ikatan hidrogen pada asosiasi. Dalam hal ini, 0,26-0,5 eV dihabiskan untuk memutus setiap ikatan. Hal ini menjelaskan anomali kapasitas panas air yang tinggi dibandingkan dengan lelehan zat lain yang tidak membentuk ikatan hidrogen. Saat memanaskan lelehan tersebut, energi hanya dihabiskan untuk memberikan gerakan termal ke atom atau molekulnya. Ikatan hidrogen antar molekul air terputus sepenuhnya hanya ketika air berubah menjadi uap. Kebenaran sudut pandang ini juga ditunjukkan oleh fakta bahwa kapasitas panas spesifik uap air pada 100°C secara praktis sama dengan kapasitas panas spesifik es pada 0°C.

Gambar di bawah:

Elemen struktural dasar dari sebuah asosiasi adalah sebuah cluster: Beras. Cluster air hipotetis yang terpisah. Cluster individu membentuk asosiasi molekul air (H 2 O) x: Beras. Gugusan molekul air membentuk asosiasi.

Ada sudut pandang lain tentang sifat anomali kapasitas panas air yang tinggi. Profesor G.N. Zatsepina mencatat bahwa kapasitas panas molar air, sebesar 18 kal/(molgrad), sama persis dengan kapasitas panas molar teoritis suatu zat padat dengan kristal triatomik. Dan sesuai dengan hukum Dulong dan Petit, kapasitas panas atom semua benda kristal kimia sederhana (monoatomik) pada suhu cukup tinggi adalah sama dan sama dengan 6 calDmol o derajat). Dan untuk triatomik yang grammolnya mengandung 3 N situs kisi kristal, jumlahnya 3 kali lebih banyak. (Di sini N a adalah bilangan Avogadro).

Oleh karena itu, air seolah-olah merupakan benda kristal yang terdiri dari molekul triatomik H 2 0. Hal ini sesuai dengan gagasan umum tentang air sebagai campuran senyawa mirip kristal dengan campuran kecil molekul air H 2 O bebas. di antara mereka, yang jumlahnya meningkat seiring dengan peningkatan suhu. Dari sudut pandang ini, yang mengejutkan bukanlah tingginya kapasitas panas air cair, melainkan rendahnya kapasitas panas es padat. Penurunan kapasitas panas spesifik air selama pembekuan dijelaskan oleh tidak adanya getaran termal transversal atom-atom dalam kisi kristal kaku es, di mana setiap proton yang menyebabkan ikatan hidrogen hanya memiliki satu derajat kebebasan untuk getaran termal, bukan tiga.

Namun karena apa dan bagaimana perubahan besar dalam kapasitas panas air dapat terjadi tanpa adanya perubahan tekanan? Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita bertemu dengan hipotesis calon ilmu geologi dan mineralogi Yu.A.Kolyasnikov tentang struktur air.

Dia menunjukkan bahwa penemu ikatan hidrogen, J. Bernal dan R. Fowler, pada tahun 1932 membandingkan struktur air cair dengan struktur kristal kuarsa, dan asosiasi yang disebutkan di atas sebagian besar adalah tetramer 4H 2 0, yang di dalamnya terdapat empat molekul air dihubungkan menjadi tetrahedron kompak dengan dua belas ikatan hidrogen internal. Hasilnya adalah tetrahedron.

Pada saat yang sama, ikatan hidrogen dalam tetramer ini dapat membentuk rangkaian tangan kanan dan kiri, seperti halnya kristal kuarsa yang tersebar luas (Si0 2), yang juga memiliki struktur tetrahedral, hadir dalam bentuk kristal tangan kanan dan kiri. Karena setiap tetramer air juga memiliki empat ikatan hidrogen eksternal yang tidak terpakai (seperti satu molekul air), tetramer dapat dihubungkan melalui ikatan eksternal ini menjadi semacam rantai polimer, seperti molekul DNA. Dan karena hanya ada empat ikatan eksternal, dan 3 kali lebih banyak ikatan internal, hal ini memungkinkan tetramer berat dan kuat dalam air cair membengkokkan, memutar, dan bahkan memutus ikatan hidrogen eksternal yang dilemahkan oleh getaran termal. Ini menentukan fluiditas air.

Air, menurut Kolyasnikov, memiliki struktur ini hanya dalam wujud cair dan, mungkin, sebagian dalam wujud uap. Namun dalam es, yang struktur kristalnya telah dipelajari dengan baik, tetrahidrol dihubungkan satu sama lain melalui ikatan hidrogen langsung yang tidak fleksibel dan sama kuatnya ke dalam kerangka kerawang dengan rongga besar di dalamnya, yang membuat massa jenis es lebih kecil daripada massa jenis air. .

Beras. Struktur kristal es: molekul air terhubung dalam segi enam beraturan

Ketika es mencair, sebagian ikatan hidrogen di dalamnya melemah dan membengkok, yang menyebabkan restrukturisasi struktur menjadi tetramer yang dijelaskan di atas dan membuat air cair lebih padat daripada es. Pada suhu 4°C, keadaan terjadi ketika semua ikatan hidrogen antara tetramer dibengkokkan secara maksimal, yang menentukan kepadatan maksimum air pada suhu ini. Tidak ada tempat bagi koneksi untuk melangkah lebih jauh.

Pada suhu di atas 4°C, ikatan individu antar tetramer mulai putus, dan pada suhu 36-37°C, setengah dari ikatan hidrogen eksternal terputus. Ini menentukan minimum pada kurva kapasitas panas spesifik air versus suhu. Pada suhu 70°C, hampir semua ikatan antartetramer putus, dan bersama dengan tetramer bebas, hanya fragmen pendek rantai “polimer” yang tersisa di air. Akhirnya, ketika air mendidih, terjadi pemecahan terakhir dari tetramer tunggal menjadi molekul H 2 0 individu dan fakta bahwa kalor jenis penguapan air tepat 3 kali lebih besar dari jumlah kalor jenis es yang mencair dan pemanasan selanjutnya. air hingga 100 ° C membenarkan asumsi Kolyasnikov tentang hal itu. bahwa jumlah ikatan internal dalam tetramer adalah 3 kali lebih banyak daripada jumlah ikatan eksternal.

Struktur air heliks tetrahedral ini mungkin disebabkan oleh hubungan reologi kuno dengan kuarsa dan mineral silikon-oksigen lainnya yang mendominasi kerak bumi, dari kedalaman tempat air pernah muncul di Bumi. Sama seperti kristal kecil garam menyebabkan larutan di sekitarnya mengkristal menjadi kristal serupa dan bukan menjadi kristal lain, demikian pula kuarsa menyebabkan molekul air berbaris dalam struktur tetrahedral, yang paling menguntungkan secara energetik. Dan di zaman kita, di atmosfer bumi, uap air yang mengembun menjadi tetesan membentuk struktur seperti itu karena atmosfer selalu mengandung tetesan kecil air aerosol yang sudah memiliki struktur tersebut. Mereka adalah pusat kondensasi uap air di atmosfer. Di bawah ini adalah kemungkinan struktur rantai silikat berdasarkan tetrahedron, yang juga dapat terdiri dari tetrahedra air.

Beras. Tetrahedron silikon-oksigen biasa dasar SiO 4 4-.

Beras. Unit silikon-oksigen dasar-ortogroup SiO 4 4- dalam struktur Mg-piroksen enstatit (a) dan gugus diorto Si 2 O 7 6- dalam wollastonit Ca-piroksenoid (b).

Beras. Jenis gugus anionik silikon-oksigen pulau yang paling sederhana: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Beras. di bawah - Jenis gugus anionik rantai silikon-oksigen yang paling penting (menurut Belov): a-metagermanate, b - pyroxene, c - bathysite, d-wollastonite, d-vlasovite, e-melilite, f-rhodonite, z-pyroxmangite , i-metafosfat, k - fluoroberilat, l - barilit.

Beras. di bawah - Kondensasi anion silikon-oksigen piroksen menjadi amfibol dua baris sarang lebah (a), seperti amfibol tiga baris (b), bedak berlapis dan anion terkait (c).

Beras. di bawah - Jenis gugus silikon-oksigen berpita yang paling penting (menurut Belov): a - sillimanite, amphibole, xonotlite; b-epididimitis; β-ortoklas; g-narsarsukite; d-fenasit prismatik; e-euclase bertatahkan.

Beras. di sebelah kanan - Sebuah fragmen (paket dasar) dari struktur kristal berlapis KAl 2 muskovit (AlSi 3 O 10 XOH) 2, yang menggambarkan interlayering jaringan aluminium-silikon-oksigen dengan lapisan polihedral dari kation aluminium dan kalium besar, mengingatkan pada sebuah rantai DNA.

Model struktur air lainnya juga dimungkinkan. Molekul air yang terikat secara tetrahedral membentuk rantai khusus dengan komposisi yang cukup stabil. Para peneliti mengungkap mekanisme “organisasi internal” massa air yang semakin halus dan kompleks. Selain struktur seperti es, air cair, dan molekul monomer, elemen ketiga dari struktur juga dijelaskan - non-tetrahedral.

Bagian tertentu dari molekul air tidak terikat dalam kerangka tiga dimensi, tetapi dalam asosiasi cincin linier. Cincin-cincin tersebut, jika dikelompokkan, membentuk kompleks asosiasi yang lebih kompleks.

Jadi, air secara teoritis dapat membentuk rantai, seperti molekul DNA, seperti yang akan dibahas di bawah. Hal menarik lainnya tentang hipotesis ini adalah hipotesis ini menyiratkan kemungkinan yang sama antara keberadaan air di sisi kanan dan kiri. Namun para ahli biologi telah lama memperhatikan bahwa dalam jaringan dan struktur biologis hanya formasi tangan kiri atau tangan kanan yang diamati. Contohnya adalah molekul protein, yang dibuat hanya dari asam amino kidal dan hanya dipelintir dalam spiral kidal. Tapi gula di alam semuanya tidak kidal. Belum ada seorang pun yang mampu menjelaskan mengapa di alam yang hidup ada preferensi terhadap kelompok kiri dalam beberapa kasus dan ke kanan dalam kasus lain. Memang, di alam mati, molekul bertangan kanan dan bertangan kiri ditemukan dengan probabilitas yang sama.

Lebih dari seratus tahun yang lalu, naturalis Prancis terkenal Louis Pasteur menemukan bahwa senyawa organik pada tumbuhan dan hewan secara optik asimetris - senyawa tersebut memutar bidang polarisasi cahaya yang datang padanya.

Semua asam amino yang menyusun hewan dan tumbuhan memutar bidang polarisasi ke kiri, dan semua gula memutar ke kanan. Jika kita mensintesis senyawa dengan komposisi kimia yang sama, maka masing-masing senyawa tersebut akan mengandung jumlah molekul beraliran kiri dan kanan yang sama.

Sekarang mari kita bayangkan suatu medium dengan molekul kiri dan kanan telah berubah menjadi keadaan yang hanya memiliki molekul kiri atau kanan saja. Para ahli menyebut lingkungan seperti itu secara kiral (dari kata Yunani "cheira" - tangan) teratur. Reproduksi diri makhluk hidup (biopoiesis - sebagaimana didefinisikan oleh D. Bernal) hanya dapat muncul dan dipertahankan dalam lingkungan seperti itu.

Beras. Cermin simetri di alam

Nama lain untuk molekul enansiomer - "dextrorotatory" dan "levorotatory" - berasal dari kemampuannya untuk memutar bidang polarisasi cahaya ke arah yang berbeda. Jika cahaya terpolarisasi linier dilewatkan melalui larutan molekul-molekul tersebut, bidang polarisasinya akan berputar: searah jarum jam jika molekul-molekul dalam larutan berarah kanan, dan berlawanan arah jarum jam jika molekul-molekul dalam larutan berarah kiri. Dan dalam campuran bentuk D dan L dalam jumlah yang sama (disebut “rasemat”), cahaya akan mempertahankan polarisasi linier aslinya.

Sifat optik molekul kiral ini pertama kali ditemukan oleh Louis Pasteur pada tahun 1848.

Sangat mengherankan bahwa hampir semua protein alami hanya terdiri dari asam amino kidal. Fakta ini lebih mengejutkan karena sintesis asam amino di laboratorium menghasilkan jumlah molekul kanan dan kiri yang kira-kira sama. Ternyata tidak hanya asam amino yang memiliki ciri ini, tetapi juga banyak zat lain yang penting bagi sistem kehidupan, dan masing-masing memiliki tanda simetri cermin yang jelas di seluruh biosfer. Misalnya, gula, yang merupakan bagian dari banyak nukleotida, serta asam nukleat DNA dan RNA, diwakili dalam tubuh secara eksklusif oleh molekul D beraliran kanan. Meskipun sifat fisik dan kimia dari “antipoda cermin” adalah sama, aktivitas fisiologisnya dalam organisme berbeda: L-caxara tidak diserap, L-fenilalanin, tidak seperti molekul D yang tidak berbahaya, menyebabkan penyakit mental, dll.

Menurut gagasan modern tentang asal usul kehidupan di Bumi, pilihan jenis simetri cermin tertentu oleh molekul organik berfungsi sebagai prasyarat utama untuk kelangsungan hidup mereka dan reproduksi diri selanjutnya. Namun, pertanyaan tentang bagaimana dan mengapa seleksi evolusioner dari antipode cermin tertentu terjadi masih tetap menjadi salah satu misteri terbesar sains.

Bagaimana kondisi terjadinya bencana fase yang menyebabkan transisi kiral?

Yang terpenting adalah senyawa organik meleleh pada suhu 800-1000 0C di kerak bumi, dan senyawa di atasnya mendingin hingga mencapai suhu ruang, yaitu nol mutlak. Perbedaan suhu mencapai 1000 °C. Dalam kondisi seperti itu, molekul organik meleleh di bawah pengaruh suhu tinggi dan bahkan hancur total, dan bagian atasnya tetap dingin karena molekul organik dibekukan. Gas dan uap air yang keluar dari kerak bumi mengubah komposisi kimia senyawa organik. Gas-gas tersebut membawa panas, menyebabkan titik leleh lapisan organik bergerak naik dan turun, sehingga menciptakan gradien.

Pada tekanan atmosfer yang sangat rendah, air yang ada di permukaan bumi hanya berupa uap dan es. Ketika tekanan mencapai apa yang disebut titik tripel air (0,006 atmosfer), air untuk pertama kalinya dapat berbentuk cair.

Tentu saja, hanya secara eksperimental kita dapat membuktikan apa sebenarnya yang menyebabkan transisi kiral: alasan terestrial atau kosmik. Namun dengan satu atau lain cara, pada titik tertentu, molekul yang tersusun secara kiral (yaitu, asam amino levorotatori dan gula dekstrorotatori) ternyata lebih stabil dan peningkatan jumlahnya yang tak terhentikan dimulai - transisi kiral.

Kronik planet ini juga menceritakan bahwa pada saat itu tidak ada gunung atau depresi di Bumi. Kerak granit setengah cair menyajikan permukaan sehalus permukaan laut modern. Namun, di dalam dataran ini masih terdapat cekungan akibat distribusi massa yang tidak merata di bumi. Pengurangan ini memainkan peran yang sangat penting.

Faktanya adalah bahwa depresi dengan dasar datar yang lebarnya ratusan bahkan ribuan kilometer dan kedalamannya tidak lebih dari seratus meter mungkin menjadi tempat lahirnya kehidupan. Bagaimanapun, air yang terkumpul di permukaan planet mengalir ke dalamnya. Air mengencerkan senyawa organik kiral di lapisan abu. Komposisi kimia senyawa tersebut berangsur-angsur berubah, dan suhu menjadi stabil. Peralihan dari tak bernyawa ke hidup, yang dimulai dalam kondisi anhidrat, berlanjut di lingkungan perairan.

Apakah ini alur asal mula kehidupan? Kemungkinan besar ya. Di bagian geologi Isua (Greenland Barat), yang berusia 3,8 miliar tahun, ditemukan senyawa mirip bensin dan minyak dengan karakteristik rasio isotop C12/C13 karbon asal fotosintesis.

Jika sifat biologis senyawa karbon dari bagian Isua terkonfirmasi, maka ternyata seluruh periode asal usul kehidupan di Bumi - mulai dari munculnya bahan organik kiral hingga munculnya sel yang mampu melakukan fotosintesis dan reproduksi - adalah selesai hanya dalam seratus juta tahun. Dan molekul air serta DNA memainkan peran besar dalam proses ini.

Hal yang paling menakjubkan tentang struktur air adalah molekul air pada suhu negatif rendah dan tekanan tinggi di dalam nanotube dapat mengkristal menjadi bentuk heliks ganda, mengingatkan pada DNA. Hal ini dibuktikan dengan eksperimen komputer ilmuwan Amerika yang dipimpin oleh Xiao Cheng Zeng di Universitas Nebraska (AS).

DNA adalah untai ganda yang dipilin menjadi spiral. Setiap utas terdiri dari "batu bata" - nukleotida yang dihubungkan secara seri. Setiap nukleotida DNA mengandung satu dari empat basa nitrogen - guanin (G), adenin (A) (purin), timin (T) dan sitosin (C) (pirimidin), berikatan dengan deoksiribosa, yang terakhir, pada gilirannya, merupakan fosfat. grup terlampir. Nukleotida yang berdekatan dihubungkan satu sama lain dalam suatu rantai melalui ikatan fosfodiester yang dibentuk oleh gugus 3"-hidroksil (3"-OH) dan 5"-fosfat (5"-PO3). Properti ini menentukan adanya polaritas dalam DNA, yaitu. berlawanan arah, yaitu ujung 5" dan 3": ujung 5" pada satu benang sama dengan ujung 3" pada benang kedua. Urutan nukleotida memungkinkan Anda untuk “mengkodekan” informasi tentang berbagai jenis RNA, yang paling penting adalah pembawa pesan atau templat (mRNA), ribosom (rRNA) dan transportasi (tRNA). Semua jenis RNA ini disintesis pada cetakan DNA dengan menyalin urutan DNA ke dalam urutan RNA yang disintesis selama transkripsi dan mengambil bagian dalam proses kehidupan yang paling penting - transfer dan penyalinan informasi (terjemahan).

Struktur utama DNA adalah urutan linier nukleotida DNA dalam suatu rantai.

Struktur sekunder DNA terbentuk karena interaksi nukleotida (kebanyakan basa nitrogen) satu sama lain, ikatan hidrogen. Contoh klasik struktur sekunder DNA adalah heliks ganda DNA. Heliks ganda DNA adalah bentuk DNA yang paling umum di alam, terdiri dari dua rantai DNA polinukleotida. Pembangunan setiap rantai DNA baru dilakukan menurut prinsip saling melengkapi, yaitu. Setiap basa nitrogen dari satu rantai DNA berhubungan dengan basa yang ditentukan secara ketat dari rantai lain: pada pasangan komplementer, lawan A adalah T, dan lawan G adalah C, dan seterusnya.

Agar air dapat membentuk spiral seperti ini, dalam percobaan simulasi, air “ditempatkan” dalam tabung nano di bawah tekanan tinggi, bervariasi dalam percobaan yang berbeda dari 10 hingga 40.000 atmosfer. Setelah itu diatur suhunya menjadi -23°C. Margin dibandingkan dengan titik beku air disebabkan oleh fakta bahwa dengan meningkatnya tekanan, titik leleh air es menurun. Diameter nanotube berkisar antara 1,35 hingga 1,90 nm.

Beras. Pandangan umum tentang struktur air (gambar oleh New Scientist)

Molekul air terhubung satu sama lain melalui ikatan hidrogen, jarak antara atom oksigen dan hidrogen adalah 96 pm, dan antara dua hidrogen - 150 pm. Dalam keadaan padat, atom oksigen berpartisipasi dalam pembentukan dua ikatan hidrogen dengan molekul air yang berdekatan. Dalam hal ini, masing-masing molekul H 2 O bersentuhan satu sama lain dengan kutub yang berlawanan. Dengan demikian, lapisan terbentuk di mana setiap molekul dikaitkan dengan tiga molekul dari lapisannya dan satu dari molekul tetangganya. Akibatnya, struktur kristal es terdiri dari “tabung” heksagonal yang saling berhubungan seperti sarang lebah.

Beras. Dinding bagian dalam struktur air (gambar New Scientist)

Para ilmuwan berharap untuk melihat bahwa air dalam semua kasus membentuk struktur tabung tipis. Namun, model tersebut menunjukkan bahwa pada diameter tabung 1,35 nm dan tekanan 40.000 atmosfer, ikatan hidrogen tertekuk, sehingga membentuk heliks berdinding ganda. Dinding bagian dalam struktur ini adalah heliks empat kali lipat, dan dinding luarnya terdiri dari empat heliks ganda, mirip dengan struktur molekul DNA.

Fakta terakhir ini meninggalkan jejak tidak hanya pada evolusi gagasan kita tentang air, tetapi juga pada evolusi kehidupan awal dan molekul DNA itu sendiri. Jika kita berasumsi bahwa pada era asal mula kehidupan, batuan lempung kriolit berbentuk nanotube, maka timbul pertanyaan: dapatkah air yang diserap di dalamnya berfungsi sebagai dasar struktural (matriks) untuk sintesis DNA dan pembacaan informasi? Mungkin inilah sebabnya struktur heliks DNA mengulangi struktur heliks air dalam nanotube. Seperti yang dilaporkan majalah New Scientist, kini rekan asing kami harus memastikan keberadaan makromolekul air tersebut dalam kondisi eksperimental nyata menggunakan spektroskopi inframerah dan spektroskopi hamburan neutron.

Ph.D. O.V. Mosin

kristal es

Deskripsi alternatif

Fenomena atmosfer

Jenis curah hujan

Lukisan seniman musim dingin dengan satu cat

embun beku

Kondensat kristal dari kelembaban udara

fenomena cuaca

Rambut abu-abu di pohon

Biru, biru, bertumpu pada kabel (lagu)

Lapisan kristal es pada permukaan yang didinginkan

Lapisan tipis kristal es terbentuk akibat penguapan pada permukaan pendingin

Lapisan salju tipis di permukaan yang dingin

Kristal es terbentuk dari uap air di udara

. embun "mati rasa".

Merek kulkas Rusia

Lapisan salju tipis terbentuk akibat penguapan

Curah hujan atmosfer

Kentang sofa biru di kabel

. "dan bukan salju, bukan es, tetapi dengan perak dia akan menghilangkan pepohonan" (teka-teki)

Curah hujan putih

Beku pada kabel

Curah hujan di pepohonan

Menutupi pepohonan di musim dingin

Pohon pakaian musim dingin

embun salju

Kelembapan bersalju

Serangan musim dingin di pohon cemara

Curah hujan seputih salju

Renda es

Salju yg turun

Salju yg turun

Serangan musim dingin

. "keputihan" pada pohon

Curah hujan musim dingin

Menyelimuti pepohonan di musim dingin

Uap beku

Kentang sofa biru (lagu)

Uap beku

Pakaian musim dingin dari pepohonan

Pinggiran musim dingin berwarna putih

Biru-biru diletakkan di atas kabel

. "embun" di musim dingin

Embun salju

Curah hujan pada kabel

Di pepohonan di musim dingin

Blue berbaring di kabel

Lapisan salju tipis

Salju di cabang dan kabel

. “dan pohon cemara... berubah menjadi hijau”

Kentang sofa biru (lagu)

Pelapisan perak pada kayu

Curah hujan di musim dingin

Curah hujan biru di kabel (lagu)

Nama lain dari es

Pada dasarnya beku

. “Segera setelah Anda memasuki ambang pintu, di mana saja…”

Singkatnya, beku

Beku setelah malam yang dingin

. "tumpukan es"

Hampir salju

Pinggiran salju

embun beku

Hampir sama dengan es

Hampir turun salju di pagi hari

Bekukan pada kabel dalam lagu

Pinggiran musim dingin di semak-semak

uap beku

embun musim dingin

Selimut musim dingin dari semak-semak

. "rambut abu-abu" di dahan

. "bulu dingin"

Lapisan es tipis

Lapisan salju tipis

Musim dingin "rambut beruban"

Penutup semak musim dingin

Yang ada di kabel

Es di dahan

Embun beku di pepohonan

Perak musim dingin di pepohonan

Lukisan oleh Goncharova

Apa yang harus Anda sobek dari mobil di musim gugur

embun beku musim dingin

uap beku

Fenomena atmosfer

Lapisan tipis kristal es terbentuk akibat penguapan pada permukaan pendingin

. "Dan pohon cemara itu... berubah menjadi hijau"

. "Segera setelah Anda memasuki ambang pintu, di mana saja..."

. "tumpukan beku"

. "Bulu dingin"

. Embun "beku".

. "Embun" di musim dingin

. "Rambut abu-abu" di dahan

. "Biru biru... berbaring di atas kabel"

. "dan bukan salju, dan bukan es, tetapi dengan perak dia akan menghilangkan pepohonan" (teka-teki)

. "Putihnya" di pepohonan

Musim dingin "rambut beruban"

Uap beku, kelembapan di udara, yang mengendap pada benda yang lebih dingin dari udara dan membeku di atasnya, yang terjadi setelah cuaca beku yang parah. Dari pernapasan, embun beku menempel di janggut dan kerah. Di pepohonan, embun beku tebal, kurzha, termos. Embun beku pada buah, keringat kusam. Embun beku yang halus sampai ke ember. Embun beku besar, gundukan salju, tanah sangat beku, untuk produksi biji-bijian. Embun beku besar sepanjang musim dingin, musim panas yang sulit bagi kesehatan. Pada nabi Hagai dan Daniel ada embun beku, masa Natal yang hangat, dan bulan Desember. Pada Gregory dari Nikia Januari) embun beku di tumpukan jerami - untuk tahun basah. Sangat dingin, tertutup es; membeku; embun beku yang melimpah. Sangat dingin, sangat dingin, tetapi pada tingkat yang lebih rendah. Cabang-cabang pohon yang tertutup embun beku patah karena beratnya embun beku. Embun beku atau beku, beku, beku?, tertutup es. Sudut-sudut gubuk membeku dan membeku, berubah menjadi sangat dingin

embun beku

Biru-biru, diletakkan di atas kabel

. "Biru-biru...berbaring di atas kabel"

Kami sampaikan kepada Anda foto-foto kristal air alami dan air dari pipa air kota-kota terbesar di dunia.

Air alami

Kristal seperti perhiasan yang terbentuk dengan baik terbentuk dari air sungai, aliran sungai, dan gletser.

Kristal itu bersinar seperti matahari. Mata air ini berasal dari lelehan air di Puncak Yatsugatake, yang merupakan lambang keindahan alam.

Kristal di sebelah kiri terbentuk oleh air dari mata air yang terletak di tepi Danau Chuzendei. Klorinasi air atas permintaan otoritas setempat menyebabkan perubahan signifikan pada sifat-sifatnya, seperti yang ditunjukkan pada foto di sebelah kanan.

Kristal dari Fontana di Trevi di Italia ini unik dan menyerupai koin yang dibuang wisatawan ke air mancur.

Mata air Tasmania yang kaya berlian menghasilkan kristal yang terlihat seperti berlian kecil. Air tanah Selandia Baru yang ramah lingkungan juga membentuk kristal yang sangat indah.

Di Kutub Selatan, salju selama ribuan tahun telah memadat menjadi massa padat. Kristal air ini juga terlihat sangat keras. Air untuk kedua sampel ini diperoleh dari lapisan permukaan salju dan es, sehingga tidak sepenuhnya murni.

Ini adalah kristal dari air yang dikumpulkan di Swiss.

Keran air di kota-kota di seluruh dunia

Mendapatkan kristal Dari air keran, hal ini hanya mungkin dilakukan di sedikit kota di dunia. Tampaknya, intinya adalah pengolahan kimiawi air.

Kristal tidak terbentuk akibat pengolahan air dengan zat yang merusak kekuatan alami pemberi kehidupan.

Bahkan di Venesia, “kota di atas air”, air keran tidak dapat menghasilkan kristal. Air di Swiss Bern jauh lebih baik dalam hal ini.

Anehnya, air di beberapa kota di Amerika membentuk kristal yang indah. Hal ini mungkin disebabkan oleh tindakan perlindungan air.

Air Vancouver membentuk kristal yang relatif lengkap, mungkin karena melimpahnya limpasan dari Pegunungan Rocky. Air Sydney hanya mampu menghasilkan sejenis donat yang bengkok.

Ini adalah kristal dari dua kota di Amerika Selatan. Perairan Buenos Aires, Argentina, menghasilkan kristal yang bagus. Manaus terletak di Brasil, di tepi Sungai Amazon yang melimpah.

Fakta menarik tentang air:
- Tubuh manusia rata-rata 70% terdiri dari air.

Salah satu misteri terbesar air adalah fakta sederhana bahwa es mengapung di dalamnya. Ketika zat lain berubah dari cair menjadi padat, massa jenisnya meningkat dan zat tersebut menjadi lebih berat.

Jika air berperilaku seperti zat lainnya dan es tenggelam ke dasar, maka Anda dan saya mungkin tidak ada. Setiap kali suhu turun, dasar danau dan lautan akan berubah menjadi es padat dan semua makhluk hidup akan mati.

Air juga memiliki kemampuan unik untuk melarutkan zat lain dan mengeluarkannya. Bayangkan saja berapa banyak zat yang dapat larut dalam air dan betapa sulitnya mengembalikan air ke keadaan murni semula.

Menurut salah satu teori, air memiliki asal luar bumi dan itu dibawa ke planet kita dari luar angkasa melalui komet.

Keadaan tiga dimensi air cair sulit dipelajari, namun banyak yang telah dipelajari dengan menganalisis struktur kristal es. Empat atom oksigen bertetangga yang terikat hidrogen menempati simpul tetrahedron (tetra = empat, hedron = bidang). Energi rata-rata yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan tersebut dalam es diperkirakan sebesar 23 kJ/mol -1.

Kemampuan molekul air untuk membentuk sejumlah rantai hidrogen tertentu, serta kekuatan tertentu, menciptakan titik leleh yang luar biasa tinggi. Ketika meleleh, ia tertahan oleh air cair yang strukturnya tidak beraturan. Sebagian besar ikatan hidrogen terdistorsi. Untuk menghancurkan kisi kristal es yang terikat hidrogen membutuhkan energi dalam bentuk panas dalam jumlah besar.

Ciri-ciri penampakan es (Ih)

Banyak orang awam yang bertanya-tanya seperti apa es kisi kristal itu. Perlu dicatat bahwa kepadatan sebagian besar zat meningkat ketika dibekukan, ketika pergerakan molekul melambat dan kristal padat terbentuk. Massa jenis air juga meningkat seiring dengan pendinginan maksimumnya pada suhu 4°C (277K). Kemudian, ketika suhu turun di bawah nilai tersebut, ia memuai.

Peningkatan ini disebabkan oleh pembentukan kristal es terbuka yang terikat hidrogen dengan kisi-kisi dan kepadatan yang lebih rendah, di mana setiap molekul air terikat erat oleh unsur di atas dan empat nilai lainnya, dan masih bergerak cukup cepat untuk memiliki massa lebih banyak. Ketika tindakan ini terjadi, cairan membeku dari atas ke bawah. Hal ini mempunyai efek biologis yang penting, dimana lapisan es di kolam mengisolasi makhluk hidup dari suhu dingin yang ekstrim. Selain itu, dua sifat tambahan air terkait dengan karakteristik hidrogennya: kapasitas panas spesifik dan penguapan.

Penjelasan rinci tentang struktur

Kriteria pertama adalah jumlah yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram suatu zat sebesar 1°C. Menaikkan derajat air memerlukan porsi panas yang relatif besar karena setiap molekul terlibat dalam banyak ikatan hidrogen yang harus diputus agar energi kinetiknya meningkat. Omong-omong, banyaknya H 2 O dalam sel dan jaringan semua organisme multiseluler besar berarti fluktuasi suhu di dalam sel dapat diminimalkan. Fitur ini penting karena sebagian besar reaksi biokimia peka terhadap laju.

Juga jauh lebih tinggi dibandingkan banyak cairan lainnya. Untuk mengubah padatan ini menjadi gas diperlukan panas yang besar karena ikatan hidrogen harus diputus agar molekul air dapat saling terdislokasi dan memasuki fasa tersebut. Benda variabel adalah dipol permanen dan dapat berinteraksi dengan senyawa serupa lainnya serta senyawa yang terionisasi dan terlarut.

Zat lain yang disebutkan di atas hanya dapat bersentuhan jika terdapat polaritas. Senyawa inilah yang terlibat dalam struktur unsur-unsur ini. Selain itu, ia dapat menyelaraskan partikel-partikel yang terbentuk dari elektrolit, sehingga atom oksigen negatif dari molekul air berorientasi pada kation, dan ion positif serta atom hidrogen berorientasi pada anion.

Biasanya, kisi kristal molekuler dan kisi atom terbentuk. Artinya, jika yodium disusun sedemikian rupa sehingga terdapat I 2 di dalamnya, maka dalam karbon dioksida padat, yaitu dalam es kering, terdapat molekul CO 2 di simpul kisi kristal. Ketika berinteraksi dengan zat tersebut, es memiliki kisi kristal ionik. Grafit, misalnya, yang struktur atomnya berbahan dasar karbon, tidak mampu mengubahnya, seperti halnya intan.

Apa yang terjadi jika kristal garam meja dilarutkan dalam air: molekul polar tertarik ke unsur bermuatan dalam kristal, yang mengarah pada pembentukan partikel serupa natrium dan klorida di permukaannya, sebagai akibat dari dislokasi benda-benda ini satu sama lain, dan itu mulai larut. Dari sini kita dapat mengamati bahwa es mempunyai kisi kristal dengan ikatan ionik. Setiap Na+ yang terlarut menarik ujung negatif beberapa molekul air, sedangkan setiap Cl - yang terlarut menarik ujung positif. Cangkang yang mengelilingi setiap ion disebut escape scope dan biasanya mengandung beberapa lapisan partikel pelarut.

Variabel atau ion yang dikelilingi oleh unsur dikatakan tersulfasi. Ketika air menjadi pelarut, partikel-partikel tersebut menjadi terhidrasi. Jadi, setiap molekul polar cenderung dilarutkan oleh unsur-unsur benda cair. Pada es kering, jenis kisi kristal membentuk ikatan atom dalam keadaan agregat yang tidak berubah. Hal lain adalah es kristal (air beku). Senyawa organik ionik seperti karboksilase dan amina terprotonasi harus memiliki kelarutan dalam gugus hidroksil dan karbonil. Partikel yang terkandung dalam struktur tersebut berpindah antar molekul, dan sistem polarnya membentuk ikatan hidrogen dengan benda ini.

Tentu saja, jumlah gugus terakhir dalam suatu molekul mempengaruhi kelarutannya, yang juga bergantung pada reaksi berbagai struktur dalam unsur: misalnya, alkohol dengan satu, dua, dan tiga karbon dapat larut dalam air, tetapi hidrokarbon yang lebih besar dengan senyawa hidroksil tunggal jauh lebih encer dalam cairan.

Ih heksagonal bentuknya mirip dengan kisi kristal atom. Untuk es dan semua salju alami di Bumi, tampilannya persis seperti ini. Hal ini dibuktikan dengan simetri kisi kristal es yang tumbuh dari uap air (yaitu kepingan salju). Terletak pada kelompok ruang P 63/mm dengan 194; D 6 jam, kelas Laue 6/mm; mirip dengan β-, yang memiliki kelipatan 6 sumbu heliks (rotasi mengelilingi dan menggeser sepanjang sumbu tersebut). Ia memiliki struktur yang cukup terbuka dengan kepadatan rendah, dengan efisiensi yang rendah (~1/3) dibandingkan dengan struktur kubik sederhana (~1/2) atau kubik berpusat muka (~3/4).

Dibandingkan dengan es biasa, kisi kristal es kering, yang diikat oleh molekul CO 2, bersifat statis dan hanya berubah ketika atom membusuk.

Deskripsi kisi-kisi dan elemen penyusunnya

Kristal dapat dianggap sebagai pola kristal yang terdiri dari lembaran-lembaran yang ditumpuk satu sama lain. Ikatan hidrogen terjadi secara acak, karena proton dapat berpindah di antara molekul air (es) pada suhu di atas 5 K. Memang benar, ada kemungkinan bahwa proton berperilaku seperti cairan kuantum dalam aliran terowongan yang konstan. Hal ini diperkuat dengan hamburan neutron yang menunjukkan kepadatan hamburannya di tengah-tengah antara atom oksigen, yang menunjukkan lokalisasi dan gerakan terkoordinasi. Di sini kemiripan es dengan kisi kristal atom dan molekuler diamati.

Molekul-molekul tersebut memiliki susunan rantai hidrogen yang bertahap dalam kaitannya dengan ketiga tetangganya di bidang tersebut. Unsur keempat memiliki susunan ikatan hidrogen yang hilang. Terdapat sedikit penyimpangan dari simetri heksagonal sempurna, sebanyak 0,3% lebih pendek pada arah rantai ini. Semua molekul mengalami lingkungan molekul yang sama. Ada cukup ruang di dalam setiap “kotak” untuk menampung partikel air interstisial. Meskipun secara umum tidak dipertimbangkan, baru-baru ini mereka telah terdeteksi secara efektif melalui difraksi neutron dari kisi kristal es bubuk.

Perubahan zat

Benda heksagonal mempunyai titik tripel dengan air cair dan gas 0,01 °C, 612 Pa, unsur padat tiga -21,985 °C, 209,9 MPa, sebelas dan dua -199,8 °C, 70 MPa, dan -34 ,7 °C, 212,9 MPa . Konstanta dielektrik es heksagonal adalah 97,5.

Kurva leleh unsur ini diberikan oleh MPa. Persamaan keadaan tersedia, selain itu ada beberapa ketidaksetaraan sederhana yang menghubungkan perubahan sifat fisik dengan suhu es heksagonal dan suspensi berairnya. Kekerasan bervariasi menurut derajatnya, meningkat dari sekitar atau di bawah gipsum (≤2) pada 0°C, hingga tingkat feldspar (6 pada -80°C, perubahan kekerasan absolut yang sangat besar (>24 kali).

Kisi kristal es heksagonal membentuk pelat dan kolom heksagonal, dimana permukaan atas dan bawah merupakan bidang dasar (0 0 0 1) dengan entalpi 5,57 J cm -2, dan bidang samping ekuivalen lainnya disebut bagian prisma (1 0 -1 0) dengan 5,94 µJ cm -2. Permukaan sekunder (1 1 -2 0) dengan 6,90 μJ ˣ cm -2 dapat dibentuk sepanjang bidang yang dibentuk oleh sisi-sisi struktur.

Struktur ini menunjukkan penurunan konduktivitas termal yang tidak wajar dengan meningkatnya tekanan (seperti es kubik dan es amorf berdensitas rendah), tetapi berbeda dari kebanyakan kristal. Hal ini disebabkan oleh perubahan ikatan hidrogen, yang mengurangi kecepatan transversal suara dalam kisi kristal es dan air.

Ada metode yang menjelaskan cara menyiapkan sampel kristal besar dan permukaan es yang diinginkan. Diasumsikan bahwa ikatan hidrogen pada permukaan benda heksagonal yang diteliti akan lebih teratur dibandingkan di dalam sistem curah. Spektroskopi variasi osilasi frekuensi fase-kisi telah menunjukkan bahwa terdapat asimetri struktural antara dua lapisan teratas (L1 dan L2) dalam rantai H2O bawah permukaan dari permukaan dasar es heksagonal. Ikatan hidrogen yang diadopsi pada lapisan atas segi enam (L1 O ··· HO L2) lebih kuat dibandingkan dengan ikatan hidrogen yang diadopsi pada lapisan kedua hingga akumulasi atas (L1 OH ··· O L2). Tersedia struktur es heksagonal interaktif.

Fitur pengembangan

Jumlah minimum molekul air yang diperlukan untuk nukleasi es adalah sekitar 275 ± 25, sama dengan jumlah molekul ikosahedral lengkap yang berjumlah 280. Pembentukan terjadi dengan faktor 10 10 pada antarmuka udara-air, bukan pada air curah. Pertumbuhan kristal es bergantung pada tingkat pertumbuhan energi yang berbeda. Air harus dilindungi dari pembekuan selama kriopreservasi sampel biologis, makanan, dan organ.

Hal ini biasanya dicapai dengan laju pendinginan yang cepat, penggunaan sampel kecil dan kriokonservator, serta peningkatan tekanan untuk mengnukleasi es dan mencegah kerusakan sel. Energi bebas es/cairan meningkat dari ~30 mJ/m2 pada tekanan atmosfer menjadi 40 mJ/m2 pada 200 MPa, yang menunjukkan alasan mengapa efek ini terjadi.

Alternatifnya, mereka dapat tumbuh lebih cepat dari permukaan prisma (S2), pada permukaan danau yang beku atau terganggu secara acak. Pertumbuhan dari sisi-sisinya (1 1 -2 0) setidaknya sama, tetapi mengubahnya menjadi alas prisma. Data perkembangan kristal es telah dieksplorasi sepenuhnya. Tingkat pertumbuhan relatif elemen-elemen pada permukaan yang berbeda bergantung pada kemampuan untuk membentuk tingkat ko-hidrasi yang lebih besar. Suhu (rendah) air di sekitarnya menentukan tingkat percabangan kristal es. Pertumbuhan partikel dibatasi oleh laju difusi pada tingkat pendinginan berlebih yang rendah, yaitu.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Namun hal ini dibatasi oleh kinetika pembangunan pada tingkat penurunan yang lebih tinggi >4°C, yang mengarah pada pertumbuhan seperti jarum. Bentuk ini mirip dengan struktur es kering (memiliki kisi kristal dengan struktur heksagonal), perbedaan karakteristik perkembangan permukaan dan suhu air di sekitarnya (superdingin) yang terletak di balik bentuk datar kepingan salju.

Pembentukan es di atmosfer sangat mempengaruhi pembentukan dan sifat awan. Feldspar, yang ditemukan dalam debu gurun yang masuk ke atmosfer dalam jumlah jutaan ton per tahun, merupakan bahan formatif yang penting. Simulasi komputer menunjukkan bahwa hal ini disebabkan oleh nukleasi bidang kristal es prismatik pada bidang permukaan berenergi tinggi.

Beberapa elemen dan kisi lainnya

Zat terlarut (kecuali sejumlah kecil helium dan hidrogen, yang dapat memasuki celah) tidak dapat dimasukkan ke dalam struktur Ih pada tekanan atmosfer, tetapi dipaksa ke permukaan atau lapisan amorf di antara partikel-partikel badan mikrokristalin. Di lokasi kisi kristal es kering terdapat beberapa unsur lain: ion chaotropik, seperti NH 4 + dan Cl -, yang lebih mudah termasuk dalam pembekuan cairan dibandingkan ion kosmotropik lainnya, seperti Na + dan SO 4 2-, sehingga penghilangannya tidak mungkin dilakukan, karena mereka membentuk lapisan tipis dari sisa cairan di antara kristal. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya pengisian listrik pada permukaan akibat disosiasi air permukaan yang menyeimbangkan muatan yang tersisa (yang juga dapat mengakibatkan radiasi magnet) dan perubahan pH lapisan sisa cairan, misalnya NH 4 2 SO 4 menjadi lebih banyak. bersifat asam dan NaCl menjadi lebih basa.

Mereka tegak lurus dengan permukaan kisi kristal es, menunjukkan lapisan berikutnya yang menempel (dengan atom O-hitam). Mereka dicirikan oleh permukaan basal yang tumbuh perlahan (0 0 0 1), di mana hanya molekul air terisolasi yang menempel. Permukaan prisma yang berkembang pesat (1 0 -1 0), tempat pasangan partikel yang baru menempel dapat berikatan satu sama lain dengan hidrogen (satu ikatan/dua molekul unsur). Permukaan yang tumbuh paling cepat adalah (1 1 -2 0) (prismatik sekunder), dimana rantai partikel yang baru menempel dapat berinteraksi satu sama lain melalui ikatan hidrogen. Salah satu molekul rantai/elemennya berbentuk punggungan yang membelah dan mendorong transformasi menjadi dua sisi prisma.

Entropi titik nol

kBˣ Ln ( N

Ilmuwan dan karyanya di bidang ini

Dapat didefinisikan sebagai S 0 = kBˣ Ln ( N E0), dimana k B adalah konstanta Boltzmann, N E adalah banyaknya konfigurasi pada energi E, dan E0 adalah energi terendah. Nilai entropi es heksagonal pada nol kelvin tidak melanggar hukum ketiga termodinamika, “Entropi kristal ideal pada nol mutlak adalah tepat nol,” karena unsur-unsur dan partikel-partikel ini tidak ideal dan memiliki ikatan hidrogen yang tidak teratur.

Dalam tubuh ini, ikatan hidrogen terjadi secara acak dan berubah dengan cepat. Struktur-struktur ini tidak sepenuhnya sama dalam hal energi, namun mencakup sejumlah besar keadaan yang dekat secara energetik dan mematuhi “aturan es”. Entropi titik nol adalah kelainan yang akan tetap ada meskipun material dapat didinginkan hingga nol mutlak (0 K = -273,15 °C). Menimbulkan kebingungan eksperimental untuk es heksagonal 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Secara teoritis, entropi nol dari kristal es yang diketahui dapat dihitung dengan akurasi yang jauh lebih besar (mengabaikan cacat dan penyebaran tingkat energi) daripada menentukannya secara eksperimental.

Meskipun urutan proton dalam es curah tidak teratur, permukaannya mungkin lebih menyukai urutan partikel tersebut dalam bentuk pita atom H yang menjuntai dan pasangan elektron bebas O (entropi nol dengan ikatan hidrogen teratur). Ditemukan kelainan titik nol ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 dan lain-lain. Dari uraian di atas, jelas dan dapat dipahami jenis kisi kristal apa yang menjadi ciri khas es.