O conceito de molécula (e suas ideias derivadas sobre a estrutura molecular da matéria, a estrutura da própria molécula) nos permite compreender as propriedades das substâncias que criam o mundo. A pesquisa física e química moderna, assim como a antiga, depende e é baseada em uma descoberta grandiosa sobre a estrutura atômica e molecular da matéria. Uma molécula é um “detalhe” único de todas as substâncias, cuja existência foi sugerida por Demócrito. Portanto, é a sua estrutura e relação com outras moléculas (formando uma determinada estrutura e composição) que determina/explica todas as diferenças entre as substâncias, seu tipo e propriedades.

A própria molécula, não sendo o menor componente de uma substância (que é um átomo), possui certa estrutura e propriedades. A estrutura de uma molécula é determinada pelo número de certos átomos incluídos nela e pela natureza da ligação (covalente) entre eles. Essa composição permanece inalterada, mesmo que a substância passe para outro estado (como, por exemplo, acontece com a água - isso será discutido mais adiante).

A estrutura molecular de uma substância é fixada por uma fórmula que fornece informações sobre os átomos e seu número. Além disso, as moléculas que compõem uma substância/corpo não são estáticas: elas próprias são móveis – os átomos giram, interagindo entre si (atraem/repelem).

Características da água, sua condição

A composição de uma substância como a água (bem como sua fórmula química) é familiar a todos. Cada uma de suas moléculas é composta por três átomos: um átomo de oxigênio, denotado pela letra “O”, e átomos de hidrogênio – o latim “H”, na quantidade de 2. A forma da molécula de água não é simétrica (semelhante a um triângulo isósceles).

A água, como substância, suas moléculas constituintes, reage à “situação” externa, aos indicadores ambientais - temperatura, pressão. Dependendo deste último, a água pode mudar de estado, dos quais existem três:

1. O estado natural mais comum da água é o líquido. Estrutura molecular (diidrol) de ordem peculiar na qual moléculas individuais preenchem (por ligações de hidrogênio) os vazios.
2. Estado de vapor em que a estrutura molecular (hidrol) é representada por moléculas únicas entre as quais não são formadas ligações de hidrogênio.
3. O estado sólido (o próprio gelo) possui uma estrutura molecular (triidrol) com ligações de hidrogênio fortes e estáveis.

Além dessas diferenças, naturalmente, também diferem os métodos de “transição” de uma substância de um estado (líquido) para outro. Estas transições transformam a substância e provocam a transferência de energia (liberação/absorção). Entre eles estão os processos diretos - a transformação da água líquida em vapor (evaporação), em gelo (congelamento) e os processos inversos - em líquido a partir do vapor (condensação), do gelo (derretimento). Além disso, os estados da água - vapor e gelo - podem ser transformados entre si: sublimação - gelo em vapor, sublimação - o processo inverso.

Especificidade do gelo como estado da água

É amplamente conhecido que o gelo congela (transforma-se em água) quando a temperatura ultrapassa o limite descendente de zero graus. Embora esse fenômeno compreensível tenha suas próprias nuances. Por exemplo, o estado do gelo é ambíguo, seus tipos e modificações são diferentes; Eles diferem principalmente nas condições em que surgem - temperatura, pressão. Existem até quinze dessas modificações.

O gelo em seus diferentes tipos tem uma estrutura molecular diferente (as moléculas são indistinguíveis das moléculas de água). O gelo natural e natural, na terminologia científica denominado gelo Ih, é uma substância com estrutura cristalina. Ou seja, cada molécula com quatro “vizinhos” circundantes (a distância entre todos é igual) cria uma figura geométrica, um tetraedro. Outras fases do gelo têm uma estrutura mais complexa, por exemplo, a estrutura altamente ordenada do gelo trigonal, cúbico ou monoclínico.

As principais diferenças entre gelo e água em nível molecular

A primeira diferença entre eles, que não está diretamente relacionada à estrutura molecular da água e do gelo, é o indicador de densidade da substância. A estrutura cristalina inerente ao gelo, quando formada, contribui para uma diminuição simultânea da densidade (de quase 1000 kg/m³ para 916,7 kg/m³). E isso estimula um aumento de volume em 10%.


A principal diferença na estrutura molecular desses estados agregados da água (líquido e sólido) é número, tipo e força das ligações de hidrogênio entre moléculas. No gelo (estado sólido), eles unem cinco moléculas e as próprias ligações de hidrogênio são mais fortes.

As próprias moléculas de água e de gelo, como mencionado anteriormente, são as mesmas. Mas nas moléculas de gelo, o átomo de oxigênio (para criar uma “rede” cristalina da substância) forma ligações de hidrogênio (duas) com moléculas “vizinhas”.

O que distingue a substância da água nos seus diferentes estados (agregado) não é apenas a estrutura do arranjo das moléculas (estrutura molecular), mas também o seu movimento, a força de interligação/atração entre elas. As moléculas de água no estado líquido são atraídas fracamente, garantindo a fluidez da água. No gelo sólido, a atração das moléculas é mais forte e, portanto, sua atividade motora é baixa (garante a constância da forma do gelo).

A água é uma substância familiar e incomum. Quase 3/4 da superfície do nosso planeta é ocupada por oceanos e mares. A água dura - neve e gelo - cobre 20% da terra. O clima do planeta depende da água. Os geofísicos dizem que A terra já teria esfriado há muito tempo e se transformado em um pedaço de pedra sem vida, se não fosse pela água. Tem uma capacidade térmica muito elevada. Quando aquecido, absorve calor; esfriando, ele entrega. A água da Terra absorve e devolve muito calor e, assim, “equilibra” o clima. E o que protege a Terra do frio cósmico são aquelas moléculas de água que ficam espalhadas na atmosfera – nas nuvens e na forma de vapor.

A água é a substância mais misteriosa da natureza depois do DNA, possuindo propriedades únicas que não apenas ainda não foram totalmente explicadas, mas estão longe de ser todas conhecidas. Quanto mais tempo é estudado, mais novas anomalias e mistérios são encontrados nele. A maioria dessas anomalias que tornam a vida possível na Terra são explicadas pela presença de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água, que são muito mais fortes do que as forças de atração de van der Waals entre moléculas de outras substâncias, mas uma ordem de magnitude mais fraca do que as forças iônicas e covalentes. ligações entre átomos em moléculas. As mesmas ligações de hidrogênio também estão presentes na molécula de DNA.

Uma molécula de água (H 2 16 O) consiste em dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio (16 O).

Acontece que quase toda a variedade de propriedades da água e a incomum de sua manifestação são determinadas, em última análise, pela natureza física desses átomos, pela forma como são combinados em uma molécula e pelo agrupamento das moléculas resultantes. Arroz. Estrutura de uma molécula de água

A molécula de água H 2 O é construída na forma de um triângulo: o ângulo entre as duas ligações oxigênio-hidrogênio é de 104 graus. Mas como ambos os átomos de hidrogênio estão localizados no mesmo lado do oxigênio, as cargas elétricas nele contidas são dispersas. A molécula de água é polar, razão pela qual existe uma interação especial entre suas diferentes moléculas. Os átomos de hidrogênio na molécula de H 2 O, tendo carga parcial positiva, interagem com os elétrons dos átomos de oxigênio das moléculas vizinhas. Essa ligação química é chamada de ligação de hidrogênio. Ele une moléculas de H 2 O em associados únicos de estrutura espacial; o plano no qual as ligações de hidrogênio estão localizadas é perpendicular ao plano dos átomos da mesma molécula de H 2 O. A interação entre as moléculas de água explica principalmente as temperaturas anormalmente altas de sua fusão e ebulição. Energia adicional deve ser fornecida para afrouxar e depois destruir as ligações de hidrogênio. E esta energia é muito significativa. É por isso que a capacidade térmica da água é tão alta.

Uma molécula de água contém duas ligações covalentes polares H – O. Eles são formados devido à sobreposição de duas nuvens p de um elétron de um átomo de oxigênio e nuvens S de um elétron de dois átomos de hidrogênio.

De acordo com a estrutura eletrônica dos átomos de hidrogênio e oxigênio, uma molécula de água possui quatro pares de elétrons. Dois deles estão envolvidos na formação de ligações covalentes com dois átomos de hidrogênio, ou seja, são vinculativos. Os outros dois pares de elétrons são livres - não ligantes. Eles formam uma nuvem de elétrons. A nuvem é heterogênea - concentrações e rarefações individuais podem ser distinguidas nela.

Uma molécula de água tem quatro cargas polares: duas são positivas e duas são negativas. As cargas positivas estão concentradas nos átomos de hidrogênio, uma vez que o oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio. Os dois pólos negativos vêm de dois pares de elétrons de oxigênio não ligados.

Um excesso de densidade eletrônica é criado no núcleo de oxigênio. O par de elétrons interno do oxigênio enquadra uniformemente o núcleo: esquematicamente é representado por um círculo com o centro - o núcleo O 2-. Os quatro elétrons externos são agrupados em dois pares de elétrons que gravitam em direção ao núcleo, mas são parcialmente não compensados. Esquematicamente, os orbitais eletrônicos totais desses pares são mostrados na forma de elipses alongadas a partir de um centro comum - o núcleo O 2-. Cada um dos dois elétrons restantes no oxigênio emparelha com um elétron no hidrogênio. Esses vapores também gravitam em direção ao núcleo de oxigênio. Portanto, os núcleos de hidrogênio - prótons - revelam-se um tanto nus, e aqui é observada uma falta de densidade de elétrons.

Assim, em uma molécula de água existem quatro pólos de carga: dois negativos (excesso de densidade eletrônica na região do núcleo de oxigênio) e dois positivos (falta de densidade eletrônica nos dois núcleos de hidrogênio). Para maior clareza, podemos imaginar que os pólos ocupam os vértices de um tetraedro deformado, no centro do qual existe um núcleo de oxigênio.

Arroz. Estrutura de uma molécula de água: a – ângulo entre as ligações O-H; b – localização dos postes de carga; c – aparecimento da nuvem eletrônica de uma molécula de água.

A molécula de água quase esférica tem uma polaridade visivelmente pronunciada, uma vez que as cargas elétricas nela estão localizadas de forma assimétrica. Cada molécula de água é um dipolo em miniatura com um momento dipolar alto de 1,87 deBy. Debye é uma unidade fora do sistema de dipolo elétrico 3,33564·10 30 C·m. Sob a influência de dipolos de água, as forças interatômicas ou intermoleculares na superfície de uma substância nela imersa são enfraquecidas em 80 vezes. Em outras palavras, a água tem uma constante dielétrica elevada, a mais alta de todos os compostos que conhecemos.

Em grande parte devido a isso, a água se manifesta como um solvente universal. Sólidos, líquidos e gases estão sujeitos à sua ação dissolvente em um grau ou outro.

A capacidade térmica específica da água é a mais alta de todas as substâncias. Além disso, é 2 vezes maior que a do gelo, enquanto para a maioria das substâncias simples (por exemplo, metais) a capacidade térmica praticamente não muda durante o processo de fusão, e para substâncias feitas de moléculas poliatômicas ela, via de regra, diminui durante a fusão.

Tal compreensão da estrutura da molécula permite explicar muitas propriedades da água, em particular a estrutura do gelo. Na estrutura do cristal de gelo, cada molécula é cercada por outras quatro. Em uma imagem plana, isso pode ser representado da seguinte forma:

A ligação entre as moléculas é realizada através de um átomo de hidrogênio. O átomo de hidrogênio carregado positivamente de uma molécula de água é atraído pelo átomo de oxigênio carregado negativamente de outra molécula de água. Essa ligação é chamada de ligação de hidrogênio (é designada por pontos). A força de uma ligação de hidrogênio é aproximadamente 15-20 vezes mais fraca que uma ligação covalente. Portanto, a ligação de hidrogênio é facilmente quebrada, o que é observado, por exemplo, durante a evaporação da água.

Arroz. esquerda - Ligações de hidrogênio entre moléculas de água

A estrutura da água líquida se assemelha à do gelo. Na água líquida, as moléculas também estão conectadas entre si através de ligações de hidrogênio, mas a estrutura da água é menos “rígida” que a do gelo. Devido ao movimento térmico das moléculas na água, algumas ligações de hidrogênio são quebradas e outras são formadas.

Arroz. Estrutura cristalina de gelo. As moléculas de água H 2 O (bolas pretas) em seus nós estão localizadas de forma que cada uma tenha quatro “vizinhos”.

A polaridade das moléculas de água e a presença nelas de cargas elétricas parcialmente descompensadas dão origem a uma tendência de agrupar as moléculas em grandes “comunidades” - associadas. Acontece que apenas a água no estado de vapor corresponde totalmente à fórmula H2O. Isso foi demonstrado pelos resultados da determinação da massa molecular do vapor d'água. Na faixa de temperatura de 0 a 100°C, a concentração de indivíduos (moléculas monoméricas) de água líquida não excede 1%. Todas as outras moléculas de água são combinadas em associados de vários graus de complexidade, e sua composição é descrita pela fórmula geral (H 2 O)x.

A causa imediata da formação de associados são as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. Eles surgem entre os núcleos de hidrogênio de algumas moléculas e as “condensações” eletrônicas dos núcleos de oxigênio de outras moléculas de água. É verdade que estas ligações são dezenas de vezes mais fracas do que as ligações químicas intramoleculares “padrão”, e os movimentos moleculares normais são suficientes para destruí-las. Mas sob a influência de vibrações térmicas, novas conexões desse tipo surgem com a mesma facilidade. O surgimento e o declínio dos associados podem ser expressos pelo seguinte diagrama:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Como os orbitais de elétrons em cada molécula de água formam uma estrutura tetraédrica, as ligações de hidrogênio podem organizar o arranjo das moléculas de água em associados coordenados tetraédricos.

A maioria dos pesquisadores explica a capacidade térmica anormalmente elevada da água líquida pelo fato de que, quando o gelo derrete, sua estrutura cristalina não entra em colapso imediatamente. Na água líquida, as ligações de hidrogênio entre as moléculas são preservadas. O que resta nele são fragmentos de gelo – associados a um grande ou menor número de moléculas de água. No entanto, ao contrário do gelo, cada associado não existe por muito tempo. A destruição de alguns e a formação de outros associados ocorre constantemente. A cada valor de temperatura na água, seu próprio equilíbrio dinâmico é estabelecido neste processo. E quando a água é aquecida, parte do calor é gasta na quebra das ligações de hidrogênio nos associados. Nesse caso, 0,26-0,5 eV são gastos na quebra de cada ligação. Isto explica a capacidade térmica anormalmente elevada da água em comparação com os fundidos de outras substâncias que não formam ligações de hidrogénio. Ao aquecer esses fundidos, a energia é gasta apenas na transmissão de movimentos térmicos aos seus átomos ou moléculas. As ligações de hidrogênio entre as moléculas de água são completamente quebradas somente quando a água se transforma em vapor. A correção deste ponto de vista também é indicada pelo fato de que a capacidade térmica específica do vapor de água a 100°C praticamente coincide com a capacidade térmica específica do gelo a 0°C.

Foto abaixo:

O elemento estrutural elementar de um associado é um cluster: Arroz. Um aglomerado de água hipotético separado. Aglomerados individuais formam associados de moléculas de água (H 2 O) x: Arroz. Aglomerados de moléculas de água formam associados.

Há outro ponto de vista sobre a natureza da capacidade térmica anormalmente alta da água. O professor G.N. Zatsepina observou que a capacidade térmica molar da água, no valor de 18 cal/(molgrado), é exatamente igual à capacidade térmica molar teórica de um sólido com cristais triatômicos. E de acordo com a lei de Dulong e Petit, as capacidades térmicas atômicas de todos os corpos cristalinos quimicamente simples (monoatômicos) a uma temperatura suficientemente alta são as mesmas e iguais a 6 calDmol o deg). E para os triatômicos, cujo gramamol contém 3 N a sítios da rede cristalina, é 3 vezes mais. (Aqui N a é o número de Avogadro).

Segue-se que a água é, por assim dizer, um corpo cristalino que consiste em moléculas triatômicas de H 2 0. Isso corresponde à ideia comum de água como uma mistura de associados semelhantes a cristais com uma pequena mistura de moléculas de água livres de H 2 O. entre eles, cujo número aumenta com o aumento da temperatura. Deste ponto de vista, o que surpreende não é a alta capacidade calorífica da água líquida, mas a baixa capacidade calorífica do gelo sólido. A diminuição da capacidade térmica específica da água durante o congelamento é explicada pela ausência de vibrações térmicas transversais dos átomos na estrutura cristalina rígida do gelo, onde cada próton que causa uma ligação de hidrogênio tem apenas um grau de liberdade para vibrações térmicas em vez de três.

Mas por que e como podem ocorrer mudanças tão grandes na capacidade calorífica da água sem mudanças correspondentes na pressão? Para responder a esta pergunta, vamos nos encontrar com a hipótese do candidato às ciências geológicas e mineralógicas Yu. A. Kolyasnikov sobre a estrutura da água.

Ele ressalta que os descobridores das ligações de hidrogênio, J. Bernal e R. Fowler, em 1932 compararam a estrutura da água líquida com a estrutura cristalina do quartzo, e os associados mencionados acima são principalmente tetrâmeros 4H 2 0, nos quais existem quatro moléculas de água estão conectadas em um tetraedro compacto com doze ligações de hidrogênio internas. Como resultado, um tetraedro é formado.

Ao mesmo tempo, as ligações de hidrogênio nesses tetrâmeros podem formar sequências destras e canhotas, assim como os cristais de quartzo generalizado (Si0 2), que também possuem uma estrutura tetraédrica, vêm em formas cristalinas destras e canhotas. Como cada tetrâmero de água também possui quatro ligações de hidrogênio externas não utilizadas (como uma molécula de água), os tetrâmeros podem ser conectados por essas ligações externas em uma espécie de cadeia polimérica, como uma molécula de DNA. E como existem apenas quatro ligações externas e 3 vezes mais ligações internas, isso permite que tetrâmeros pesados ​​e fortes na água líquida dobrem, girem e até mesmo quebrem essas ligações externas de hidrogênio enfraquecidas por vibrações térmicas. Isso determina a fluidez da água.

A água, segundo Kolyasnikov, possui essa estrutura apenas no estado líquido e, possivelmente, parcialmente no estado de vapor. Mas no gelo, cuja estrutura cristalina foi bem estudada, os tetrahidróis são conectados uns aos outros por ligações diretas de hidrogênio inflexíveis e igualmente fortes em uma estrutura aberta com grandes vazios, o que torna a densidade do gelo menor que a densidade da água .

Arroz. Estrutura cristalina do gelo: as moléculas de água estão conectadas em hexágonos regulares

Quando o gelo derrete, algumas das ligações de hidrogênio enfraquecem e dobram, o que leva a uma reestruturação da estrutura nos tetrâmeros descritos acima e torna a água líquida mais densa que o gelo. A 4°C, ocorre um estado em que todas as ligações de hidrogénio entre tetrâmeros são dobradas ao máximo, o que determina a densidade máxima da água a esta temperatura. Não há nenhum lugar para as conexões irem mais longe.

A temperaturas acima de 4°C, as ligações individuais entre tetrâmeros começam a quebrar, e a 36-37°C, metade das ligações de hidrogénio externas são quebradas. Isso determina o mínimo na curva da capacidade térmica específica da água em função da temperatura. A uma temperatura de 70°C, quase todas as ligações intertetrâmeros são quebradas e, junto com os tetrâmeros livres, apenas pequenos fragmentos de cadeias “poliméricas” deles permanecem na água. Finalmente, quando a água ferve, ocorre a ruptura final dos agora tetrâmeros únicos em moléculas individuais de H 2 0 e o fato de que o calor específico de evaporação da água é exatamente 3 vezes maior que a soma dos calores específicos do derretimento do gelo e subsequente aquecimento. de água a 100 ° C confirma a suposição de Kolyasnikov sobre isso. que o número de ligações internas em um tetrâmero é 3 vezes maior que o número de ligações externas.

Esta estrutura helicoidal tetraédrica da água pode ser devida à sua antiga ligação reológica com o quartzo e outros minerais silício-oxigênio que predominam na crosta terrestre, de cujas profundezas a água apareceu na Terra. Assim como um pequeno cristal de sal faz com que a solução que o rodeia se cristalize em cristais semelhantes e não em outros, o quartzo fez com que as moléculas de água se alinhassem em estruturas tetraédricas, que são energeticamente mais favoráveis. E em nossa época, na atmosfera terrestre, o vapor d'água, condensando-se em gotículas, forma essa estrutura porque a atmosfera sempre contém minúsculas gotículas de água em aerossol que já possuem essa estrutura. São centros de condensação do vapor d'água na atmosfera. Abaixo estão possíveis estruturas de cadeia de silicato baseadas no tetraedro, que também podem ser compostas por tetraedros de água.

Arroz. Tetraedro regular elementar de silício-oxigênio SiO 4 4-.

Arroz. Unidades elementares de silício-oxigênio-ortogrupos SiO 4 4- na estrutura da enstatita Mg-piroxênio (a) e grupos diorto Si 2 O 7 6- na volastonita Ca-piroxenóide (b).

Arroz. Os tipos mais simples de grupos aniônicos ilha silício-oxigênio: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Arroz. abaixo - Os tipos mais importantes de grupos aniônicos da cadeia silício-oxigênio (de acordo com Belov): a-metagermanato, b - piroxênio, c - batisita, d-wollastonita, d-vlasovita, e-melilita, f-rodonita, z-piroxmangita , i-metafosfato, k - fluoroberilato, l - barilita.

Arroz. abaixo - Condensação de ânions piroxênio silício-oxigênio em anfibólio de duas fileiras em favo de mel (a), semelhante a anfibólio de três fileiras (b), talco em camadas e ânions relacionados (c).

Arroz. abaixo - Os tipos mais importantes de grupos bandados silício-oxigênio (de acordo com Belov): a - silimanita, anfibólio, xonotlita; b-epididimite; β-ortoclásio; g-narsarsukita; d-fenacite prismático; e-euclásio incrustado.

Arroz. à direita - Um fragmento (pacote elementar) da estrutura cristalina em camadas da muscovita KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, ilustrando a intercalação de redes de alumínio-silício-oxigênio com camadas poliédricas de grandes cátions de alumínio e potássio, reminiscentes de uma cadeia de DNA.

Outros modelos de estrutura hídrica também são possíveis. Moléculas de água ligadas tetraedricamente formam cadeias peculiares de composição bastante estável. Os investigadores estão a descobrir mecanismos cada vez mais subtis e complexos de “organização interna” da massa de água. Além da estrutura semelhante ao gelo, água líquida e moléculas de monômero, um terceiro elemento da estrutura também é descrito - não tetraédrico.

Uma certa parte das moléculas de água não está associada em estruturas tridimensionais, mas em associações lineares de anéis. Os anéis, quando agrupados, formam complexos de associados ainda mais complexos.

Assim, a água pode teoricamente formar cadeias, como uma molécula de DNA, como será discutido a seguir. Outra coisa interessante sobre esta hipótese é que ela implica a probabilidade igual da existência de água para destros e canhotos. Mas os biólogos há muito notaram que apenas formações canhotas ou destras são observadas em tecidos e estruturas biológicas. Um exemplo disso são as moléculas de proteína, construídas apenas a partir de aminoácidos canhotos e torcidas apenas em uma espiral canhota. Mas os açúcares na natureza são todos destros. Ninguém ainda foi capaz de explicar por que na natureza viva existe tal preferência pela esquerda em alguns casos e pela direita em outros. Na verdade, na natureza inanimada, tanto moléculas destras quanto canhotas são encontradas com igual probabilidade.

Há mais de cem anos, o famoso naturalista francês Louis Pasteur descobriu que os compostos orgânicos em plantas e animais são opticamente assimétricos - eles giram o plano de polarização da luz que incide sobre eles.

Todos os aminoácidos que constituem os animais e as plantas giram o plano de polarização para a esquerda e todos os açúcares giram para a direita. Se sintetizarmos compostos com a mesma composição química, cada um deles conterá um número igual de moléculas canhotas e destras.

Agora vamos imaginar que um meio com moléculas à esquerda e à direita passou para um estado com apenas moléculas à esquerda ou apenas à direita. Os especialistas chamam esse ambiente de quiralmente (da palavra grega “cheira” - mão) ordenado. A auto-reprodução dos seres vivos (biopoiese - conforme definida por D. Bernal) poderia surgir e ser mantida apenas em tal ambiente.

Arroz. Simetria de espelho na natureza

Outro nome para moléculas de enantiômeros - "dextrógiras" e "levógiras" - vem de sua capacidade de girar o plano de polarização da luz em diferentes direções. Se a luz polarizada linearmente passar por uma solução de tais moléculas, o plano de sua polarização gira: no sentido horário se as moléculas na solução forem destras e no sentido anti-horário se as moléculas na solução forem canhotas. E em uma mistura de quantidades iguais de formas D e L (chamadas de “racemate”), a luz manterá sua polarização linear original.

Esta propriedade óptica das moléculas quirais foi descoberta pela primeira vez por Louis Pasteur em 1848.

É curioso que quase todas as proteínas naturais consistam apenas de aminoácidos canhotos. Este fato é ainda mais surpreendente porque a síntese de aminoácidos em condições de laboratório produz aproximadamente o mesmo número de moléculas destras e canhotas. Acontece que não apenas os aminoácidos possuem esse recurso, mas também muitas outras substâncias importantes para os sistemas vivos, e cada uma tem um sinal estritamente definido de simetria espelhada em toda a biosfera. Por exemplo, os açúcares que fazem parte de muitos nucleotídeos, bem como os ácidos nucléicos DNA e RNA, são representados no corpo exclusivamente por moléculas D destras. Embora as propriedades físicas e químicas dos “antípodas-espelho” sejam as mesmas, sua atividade fisiológica nos organismos é diferente: o L-caxara não é absorvido, a L-fenilalanina, ao contrário de suas inofensivas moléculas D, causa doenças mentais, etc.

De acordo com as ideias modernas sobre a origem da vida na Terra, a escolha de um certo tipo de simetria espelhada pelas moléculas orgânicas serviu como principal pré-requisito para sua sobrevivência e posterior auto-reprodução. No entanto, a questão de como e por que ocorreu a seleção evolutiva de um ou outro antípoda espelhado ainda permanece um dos maiores mistérios da ciência.

Como surgiram as condições para a catástrofe de fase que causou a transição quiral?

O mais importante foi que os compostos orgânicos derreteram a 800-1000 0C na crosta terrestre, e os superiores esfriaram até a temperatura do espaço, ou seja, o zero absoluto. A diferença de temperatura atingiu 1000 °C. Sob tais condições, as moléculas orgânicas derreteram sob a influência da alta temperatura e foram completamente destruídas, e o topo permaneceu frio enquanto as moléculas orgânicas congelavam. Gases e vapor d'água que vazaram da crosta terrestre alteraram a composição química dos compostos orgânicos. Os gases carregavam calor com eles, fazendo com que a linha de fusão da camada orgânica se movesse para cima e para baixo, criando um gradiente.

Em pressões atmosféricas muito baixas, a água estava na superfície da Terra apenas na forma de vapor e gelo. Quando a pressão atingiu o chamado ponto triplo da água (0,006 atmosferas), a água pôde pela primeira vez existir na forma de líquido.

É claro que só experimentalmente se pode provar o que exatamente causou a transição quiral: razões terrestres ou cósmicas. Mas de uma forma ou de outra, em algum momento, as moléculas ordenadas quiralmente (ou seja, aminoácidos levógiro e açúcares dextrógiro) revelaram-se mais estáveis ​​​​e começou um aumento imparável no seu número - uma transição quiral.

A crônica do planeta também conta que naquela época não existiam montanhas ou depressões na Terra. A crosta granítica semifundida apresentava uma superfície tão lisa quanto o nível do oceano moderno. No entanto, dentro desta planície ainda existiam depressões devido à distribuição desigual de massas dentro da Terra. Estas reduções desempenharam um papel extremamente importante.

O fato é que depressões de fundo plano com centenas e até milhares de quilômetros de diâmetro e não mais de cem metros de profundidade provavelmente se tornaram o berço da vida. Afinal, a água que se acumulou na superfície do planeta fluiu para eles. A água diluiu os compostos orgânicos quirais na camada de cinzas. A composição química do composto mudou gradualmente e a temperatura estabilizou. A transição do inanimado para o vivo, que começou em condições anidras, continuou no ambiente aquático.

É este o enredo da origem da vida? Provavelmente sim. Na seção geológica de Isua (Groenlândia Ocidental), com 3,8 bilhões de anos, foram encontrados compostos semelhantes à gasolina e ao petróleo com a razão isotópica C12/C13 característica do carbono de origem fotossintética.

Se a natureza biológica dos compostos de carbono da seção Isua for confirmada, verifica-se que todo o período da origem da vida na Terra - desde o surgimento da matéria orgânica quiral até o surgimento de uma célula capaz de fotossíntese e reprodução - foi concluído em apenas cem milhões de anos. E as moléculas de água e o DNA desempenharam um papel importante nesse processo.

A coisa mais surpreendente sobre a estrutura da água é que as moléculas de água em baixas temperaturas negativas e altas pressões dentro dos nanotubos podem cristalizar em uma forma de dupla hélice, que lembra o DNA. Isso foi comprovado por experimentos computacionais de cientistas americanos liderados por Xiao Cheng Zeng, da Universidade de Nebraska (EUA).

O DNA é uma fita dupla torcida em espiral. Cada thread consiste em “tijolos” - nucleotídeos conectados em série. Cada nucleotídeo do DNA contém uma das quatro bases nitrogenadas - guanina (G), adenina (A) (purinas), timina (T) e citosina (C) (pirimidinas), associadas à desoxirribose, a esta última, por sua vez, um fosfato grupo está anexado. Os nucleotídeos vizinhos são conectados entre si em uma cadeia por uma ligação fosfodiéster formada por grupos 3"-hidroxila (3"-OH) e 5"-fosfato (5"-PO3). Esta propriedade determina a presença de polaridade no DNA, ou seja, direções opostas, ou seja, extremidades de 5" e 3": a extremidade de 5" de um fio corresponde à extremidade de 3" do segundo fio. A sequência de nucleotídeos permite “codificar” informações sobre vários tipos de RNA, sendo os mais importantes o mensageiro ou molde (mRNA), o ribossômico (rRNA) e o de transporte (tRNA). Todos esses tipos de RNA são sintetizados em um modelo de DNA, copiando uma sequência de DNA em uma sequência de RNA sintetizada durante a transcrição e participam do processo mais importante da vida - a transferência e cópia de informações (tradução).

A estrutura primária do DNA é a sequência linear de nucleotídeos do DNA em uma cadeia.

A estrutura secundária do DNA é formada devido às interações dos nucleotídeos (principalmente bases nitrogenadas) entre si, ligações de hidrogênio. Um exemplo clássico de estrutura secundária do DNA é a dupla hélice do DNA. A dupla hélice do DNA é a forma mais comum de DNA na natureza, consistindo em duas cadeias polinucleotídicas de DNA. A construção de cada nova cadeia de DNA é realizada de acordo com o princípio da complementaridade, ou seja, Cada base nitrogenada de uma cadeia de DNA corresponde a uma base estritamente definida de outra cadeia: em um par complementar, o oposto A é T, e o oposto G é C, etc.

Para que a água formasse uma espiral como essa, no experimento simulado ela foi “colocada” em nanotubos sob alta pressão, variando em diferentes experimentos de 10 a 40 mil atmosferas. Após isso, foi ajustada a temperatura, que teve valor de -23°C. A margem em relação ao ponto de congelamento da água foi feita devido ao fato de que com o aumento da pressão o ponto de fusão do gelo da água diminui. O diâmetro dos nanotubos variou de 1,35 a 1,90 nm.

Arroz. Visão geral da estrutura da água (imagem da New Scientist)

As moléculas de água são interconectadas por meio de ligações de hidrogênio, a distância entre os átomos de oxigênio e hidrogênio é de 96 pm, e entre dois hidrogênios é de 150 pm. No estado sólido, o átomo de oxigênio participa da formação de duas ligações de hidrogênio com moléculas de água vizinhas. Nesse caso, moléculas individuais de H 2 O entram em contato umas com as outras com pólos opostos. Assim, formam-se camadas nas quais cada molécula está associada a três moléculas de sua camada e uma da vizinha. Como resultado, a estrutura cristalina do gelo consiste em “tubos” hexagonais interligados como um favo de mel.

Arroz. Parede interna de uma estrutura de água (imagem da New Scientist)

Os cientistas esperavam ver que a água em todos os casos forma uma estrutura tubular fina. No entanto, o modelo mostrou que com um diâmetro de tubo de 1,35 nm e uma pressão de 40.000 atmosferas, as ligações de hidrogênio foram dobradas, levando à formação de uma hélice de parede dupla. A parede interna desta estrutura é uma hélice quádrupla, e a parede externa consiste em quatro hélices duplas, semelhantes à estrutura da molécula de DNA.

Este último facto deixa uma marca não só na evolução das nossas ideias sobre a água, mas também na evolução do início da vida e da própria molécula de ADN. Se assumirmos que na era da origem da vida as rochas argilosas criolitas tinham o formato de nanotubos, surge a pergunta: a água nelas absorvida poderia servir de base estrutural (matriz) para a síntese de DNA e leitura de informações? Talvez seja por isso que a estrutura helicoidal do DNA repete a estrutura helicoidal da água nos nanotubos. Como relata a revista New Scientist, agora nossos colegas estrangeiros terão que confirmar a existência de tais macromoléculas de água sob condições experimentais reais usando espectroscopia infravermelha e espectroscopia de espalhamento de nêutrons.

Ph.D. O.V. Mosin

cristais de gelo

Descrições alternativas

Fenômeno atmosférico

Tipo de precipitação

Artista de inverno pintando com uma tinta

geada

Condensado cristalino de umidade do ar

fenômeno climático

Cabelos grisalhos na árvore

Azul, azul, deitado nos fios (música)

Camada de cristais de gelo em uma superfície resfriada

Uma fina camada de cristais de gelo formada devido à evaporação em uma superfície de resfriamento

Fina camada de neve em uma superfície de resfriamento

Cristais de gelo formados a partir do vapor de água no ar

. orvalho "entorpecido"

Marca de geladeira russa

Fina camada de neve formada devido à evaporação

Precipitação atmosférica

Viciado em televisão azul em fios

. “e não neve, nem gelo, mas com prata ele removerá as árvores” (enigma)

Precipitação branca

Geada nos fios

Precipitação nas árvores

Cobre as árvores no inverno

Árvore de roupas de inverno

orvalho da neve

Umidade nevada

Ataque de inverno em abetos

Precipitação branca como a neve

Geada de renda

Queda de neve

Queda de neve

Ataque de inverno

. "brancura" nas árvores

Precipitação de inverno

Envolve as árvores no inverno

Vapores congelados

Viciado em televisão azul (música)

Vapor congelado

Traje de inverno de árvores

Franja branca de inverno

Azul-azul colocado nos fios

. "orvalho" no inverno

Orvalho da neve

Precipitação nos fios

Nas árvores no inverno

Azul deitado nos fios

Camada fina de neve

Neve em galhos e fios

. “e o abeto... fica verde”

Viciado em televisão azul (música)

Chapeamento de prata sobre madeira

Precipitação no inverno

Precipitação azul nos fios (música)

Outro nome para geada

Geada essencialmente

. “Assim que você entra no limiar, em todos os lugares...”

Geada em poucas palavras

Geada depois de uma noite fria

. "pilha de gelo"

Quase neve

Franja de neve

orvalho congelado

Quase o mesmo que geada

Quase neve pela manhã

Geada nos fios da música

Franja de inverno em arbustos

vapor congelado

orvalho de inverno

Cobertor de arbustos de inverno

. "cabelos grisalhos" nos galhos

. "penugem gelada"

Fina camada de gelo

Fina camada de neve

Inverno "cabelos grisalhos"

Cobertura de inverno de arbustos

Aquele que estava nos fios

Gelo nos galhos

Geada nas árvores

Prata de inverno nas árvores

Pintura de Goncharova

O que você tem que arrancar do carro no outono

geada de inverno

vapor congelado

Fenômeno atmosférico

Uma fina camada de cristais de gelo formada devido à evaporação em uma superfície de resfriamento

. "E o abeto... fica verde"

. “Assim que você entra no limiar, em todos os lugares…”

. "Pilha gelada"

. "Fofo gelado"

. Orvalho "congelado"

. "Orvalho" no inverno

. "Cabelos grisalhos" nos galhos

. "Azul azul... deite-se nos fios"

. “e não neve, nem gelo, mas com prata ele removerá as árvores” (enigma)

. "Brancura" nas árvores

Inverno "cabelos grisalhos"

Vapores congelados, umidade do ar, que se deposita em objetos mais frios que o ar e congela neles, o que acontece após fortes geadas. Ao respirar, o gelo se instala na barba e no colarinho. Nas árvores, geada espessa, kurzha, frasco. Geada nas frutas, embotamento suado. Geada fofa no balde. Grandes geadas, montes de neve, solo profundamente congelado, para produção de grãos. Grandes geadas durante todo o inverno, verão difícil para a saúde. No profeta Ageu e Daniel há geada, quente época de Natal e dezembro. Em Gregório de Nikia (janeiro) geada nos palheiros - para um ano chuvoso. Gelado, coberto de gelo; fosco; geada abundante. Gelado, gelado, mas em menor grau. A geada cobriu galhos de árvores quebrados pelo peso da geada. Geada ou geada, geada, geada?, ficam cobertos de geada. Os cantos da cabana estão congelados e gelados, ficando gelados

orvalho congelado

Azul-azul, colocado nos fios

. "Azul-azul... deite-se nos fios"

Chamamos a sua atenção fotografias de cristais naturais de água e água de encanamentos das maiores cidades do mundo.

Água natural

Cristais bem formados, semelhantes a joias, são formados a partir da água de rios, riachos e geleiras.

O cristal brilha como o sol. Esta fonte é alimentada pela água derretida dos Picos Yatsugatake, o epítome da beleza natural.

O cristal à esquerda é formado pela água de uma nascente localizada às margens do Lago Chuzendei. A cloração da água a pedido das autoridades locais provocou uma alteração significativa nas suas propriedades, conforme mostra a foto à direita.

O cristal da Fontana di Trevi, na Itália, é único e lembra as moedas que os turistas jogam na fonte.

A água da nascente da Tasmânia, rica em diamantes, produz cristais que se parecem com pequenos diamantes. As águas subterrâneas da Nova Zelândia ecologicamente limpa também formam belos cristais.

No Pólo Sul, milhares de anos de neve compactaram-se numa massa sólida. O cristal desta água também parece muito duro. A água para ambas as amostras foi obtida de camadas superficiais de neve e gelo, por isso não é totalmente pura.

São cristais de água coletada na Suíça.

Água encanada em cidades ao redor do mundo

Pegar cristais A partir da água da torneira isso só é possível em poucas cidades do mundo. A questão toda, aparentemente, está no tratamento químico da água.

Os cristais não são formados como resultado do tratamento da água com substâncias que prejudicam o seu poder natural de dar vida.

Mesmo em Veneza, a “cidade sobre a água”, a água da torneira não produz cristais. A água da Berna Suíça é muito melhor nesse sentido.

Surpreendentemente, a água de algumas cidades americanas forma lindos cristais. Isto pode ser o resultado de medidas de proteção da água.

A água de Vancouver formou cristais relativamente completos, talvez devido ao escoamento abundante das Montanhas Rochosas. A água de Sydney só conseguiu produzir uma espécie de donut torto.

São cristais de duas cidades da América do Sul. A água de Buenos Aires, Argentina, produziu bons cristais. Manaus está localizada no Brasil, às margens do abundante rio Amazonas.

Fatos interessantes sobre a água:
- O corpo humano é composto em média por 70% de água.

Um dos maiores mistérios da água é o simples fato de o gelo flutuar nela. Quando qualquer outra substância passa de líquida para sólida, sua densidade aumenta e a substância torna-se comparativamente mais pesada.

Se a água se comportasse como todas as outras substâncias e o gelo afundasse, então você e eu poderíamos não existir. Cada vez que a temperatura caía, o fundo dos lagos e oceanos se transformava em gelo sólido e todos os seres vivos morriam.

A água também tem a capacidade única de dissolver outras substâncias e expulsá-las. Pense em quantas substâncias podem se dissolver na água e como é difícil devolver a água ao seu estado puro original.

De acordo com uma teoria, a água tem origem extraterrestre e foi trazido do espaço para o nosso planeta em cometas.

O estado tridimensional da água líquida é difícil de estudar, mas muito foi aprendido através da análise da estrutura dos cristais de gelo. Quatro átomos de oxigênio vizinhos ligados por ligações de hidrogênio ocupam os vértices de um tetraedro (tetra = quatro, edro = plano). A energia média necessária para quebrar tal ligação no gelo é estimada em 23 kJ/mol -1.

A capacidade das moléculas de água para formar um determinado número de cadeias de hidrogénio, bem como a força especificada, cria um ponto de fusão invulgarmente elevado. Quando derrete, é retido por água líquida, cuja estrutura é irregular. A maioria das ligações de hidrogênio está distorcida. Para destruir a estrutura cristalina do gelo ligada por hidrogênio, é necessária uma grande quantidade de energia na forma de calor.

Características da aparência do gelo (Ih)

Muitas pessoas comuns estão se perguntando que tipo de estrutura cristalina o gelo possui. Deve-se notar que a densidade da maioria das substâncias aumenta com o congelamento, quando os movimentos moleculares ficam mais lentos e se formam cristais densamente compactados. A densidade da água também aumenta à medida que ela esfria até seu máximo de 4°C (277K). Então, quando a temperatura cai abaixo desse valor, ela se expande.

Esse aumento se deve à formação de um cristal de gelo aberto ligado a hidrogênio com sua rede e menor densidade, no qual cada molécula de água está fortemente ligada ao elemento acima e a quatro outros valores, e ainda se move rápido o suficiente para ter mais massa. À medida que esta ação ocorre, o líquido congela de cima para baixo. Isto tem efeitos biológicos importantes, por meio dos quais uma camada de gelo em um lago isola os seres vivos do frio extremo. Além disso, duas propriedades adicionais da água estão relacionadas às suas características de hidrogênio: capacidade térmica específica e evaporação.

Descrição detalhada das estruturas

O primeiro critério é a quantidade necessária para elevar a temperatura de 1 grama de uma substância em 1°C. Aumentar os graus da água requer uma porção relativamente grande de calor porque cada molécula está envolvida em numerosas ligações de hidrogênio que devem ser quebradas para que a energia cinética aumente. A propósito, a abundância de H 2 O nas células e tecidos de todos os grandes organismos multicelulares significa que as flutuações de temperatura dentro das células são minimizadas. Esta característica é crítica porque a maioria das reações bioquímicas são sensíveis à taxa.

Também significativamente maior do que muitos outros líquidos. Para converter este sólido em gás é necessária uma grande quantidade de calor porque as ligações de hidrogênio devem ser quebradas para que as moléculas de água possam se deslocar umas das outras e entrar na referida fase. Os corpos variáveis ​​são dipolos permanentes e podem interagir com outros compostos semelhantes e aqueles que estão ionizados e dissolvidos.

Outras substâncias listadas acima só podem entrar em contato se houver polaridade. É este composto que está envolvido na estrutura desses elementos. Além disso, pode alinhar-se em torno dessas partículas formadas a partir de eletrólitos, de modo que os átomos negativos de oxigênio das moléculas de água sejam orientados para os cátions, e os íons positivos e os átomos de hidrogênio sejam orientados para os ânions.

Via de regra, formam-se redes cristalinas moleculares e atômicas. Ou seja, se o iodo estiver estruturado de tal forma que I 2 esteja presente nele, então no dióxido de carbono sólido, ou seja, no gelo seco, existem moléculas de CO 2 nos nós da rede cristalina. Ao interagir com tais substâncias, o gelo possui uma rede cristalina iônica. A grafite, por exemplo, por ter estrutura atômica baseada no carbono, não é capaz de alterá-la, assim como o diamante.

O que acontece quando um cristal de sal de cozinha se dissolve na água: moléculas polares são atraídas pelos elementos carregados do cristal, o que leva à formação de partículas semelhantes de sódio e cloreto em sua superfície, como resultado, esses corpos se deslocam uns dos outros, e começa a se dissolver. A partir disso podemos observar que o gelo possui uma rede cristalina com ligação iônica. Cada Na+ dissolvido atrai as extremidades negativas de várias moléculas de água, enquanto cada Cl - dissolvido atrai as extremidades positivas. A camada que envolve cada íon é chamada de esfera de escape e geralmente contém várias camadas de partículas de solvente.

As variáveis ​​​​ou íons rodeados por elementos são considerados sulfatados. Quando a água é o solvente, essas partículas ficam hidratadas. Assim, qualquer molécula polar tende a ser solvatada por elementos do corpo líquido. No gelo seco, o tipo de rede cristalina forma ligações atômicas no estado agregado que permanecem inalteradas. O gelo cristalino (água congelada) é outra questão. Compostos orgânicos iônicos, como carboxilases e aminas protonadas, devem ter solubilidade em grupos hidroxila e carbonila. As partículas contidas em tais estruturas movem-se entre as moléculas e seus sistemas polares formam ligações de hidrogênio com este corpo.

É claro que o número destes últimos grupos numa molécula afecta a sua solubilidade, que também depende da reacção das várias estruturas do elemento: por exemplo, álcoois de um, dois e três carbonos são miscíveis em água, mas hidrocarbonetos maiores com compostos hidroxila únicos são muito menos diluídos em líquidos.

O hexagonal Ih tem formato semelhante à rede cristalina atômica. Para o gelo e toda a neve natural da Terra, é exatamente assim. Isso é evidenciado pela simetria da estrutura do cristal de gelo que cresce a partir do vapor d'água (ou seja, flocos de neve). Localizado no grupo espacial P 63/mm com 194; D 6h, classe Laue 6/mm; semelhante a β-, que possui um eixo helicoidal múltiplo de 6 (rotação e cisalhamento ao longo dele). Possui uma estrutura bastante aberta com baixa densidade, onde a eficiência é baixa (~1/3) em comparação com estruturas cúbicas simples (~1/2) ou cúbicas de face centrada (~3/4).

Comparada ao gelo comum, a estrutura cristalina do gelo seco, ligada por moléculas de CO 2, é estática e muda apenas quando os átomos se decompõem.

Descrição das redes e seus elementos constituintes

Os cristais podem ser considerados padrões cristalinos que consistem em folhas empilhadas umas sobre as outras. A ligação de hidrogênio é ordenada quando na realidade é aleatória, uma vez que os prótons podem se mover entre moléculas de água (gelo) em temperaturas acima de cerca de 5 K. Na verdade, é provável que os prótons se comportem como um fluido quântico em um fluxo constante de tunelamento. Isto é reforçado pela dispersão de nêutrons mostrando sua densidade de dispersão a meio caminho entre os átomos de oxigênio, indicando localização e movimento coordenado. Aqui é observada a semelhança do gelo com uma rede cristalina molecular atômica.

As moléculas têm um arranjo escalonado da cadeia de hidrogênio em relação aos seus três vizinhos no plano. O quarto elemento tem um arranjo de ligação de hidrogênio eclipsado. Há um ligeiro desvio da simetria hexagonal perfeita, até 0,3% menor na direção desta cadeia. Todas as moléculas experimentam o mesmo ambiente molecular. Há espaço suficiente dentro de cada “caixa” para reter partículas intersticiais de água. Embora geralmente não sejam considerados, eles foram recentemente detectados com eficácia por difração de nêutrons da rede de cristal de gelo em pó.

Mudança de substâncias

O corpo hexagonal possui pontos triplos com água líquida e gasosa 0,01 °C, 612 Pa, elementos sólidos três -21,985 °C, 209,9 MPa, onze e dois -199,8 °C, 70 MPa e -34,7 °C, 212,9 MPa . A constante dielétrica do gelo hexagonal é 97,5.

A curva de fusão deste elemento é dada por MPa. Estão disponíveis equações de estado, além de algumas desigualdades simples que relacionam a mudança nas propriedades físicas com a temperatura do gelo hexagonal e suas suspensões aquosas. A dureza varia com os graus, aumentando de cerca ou abaixo do gesso (≤2) a 0°C, até níveis de feldspato (6 a -80°C, uma mudança anormalmente grande na dureza absoluta (>24 vezes).

A rede cristalina hexagonal do gelo forma placas e colunas hexagonais, onde as faces superior e inferior são os planos basais (0 0 0 1) com entalpia de 5,57 μJ cm -2, e os demais planos laterais equivalentes são chamados de partes do prisma (1 0 -1 0) com 5,94 µJ cm -2. Superfícies secundárias (1 1 -2 0) com 6,90 μJ ˣ cm -2 podem ser formadas ao longo dos planos formados pelas laterais das estruturas.

Esta estrutura mostra uma diminuição anômala na condutividade térmica com o aumento da pressão (como gelo cúbico e amorfo de baixa densidade), mas difere da maioria dos cristais. Isso se deve a uma mudança nas ligações de hidrogênio, que reduz a velocidade transversal do som na rede cristalina do gelo e da água.

Existem métodos que descrevem como preparar grandes amostras de cristais e qualquer superfície de gelo desejada. Supõe-se que a ligação de hidrogênio na superfície do corpo hexagonal em estudo será mais ordenada do que dentro do sistema a granel. A espectroscopia variacional de oscilação de frequência de rede de fase mostrou que há uma assimetria estrutural entre as duas camadas superiores (L1 e L2) na cadeia HO ​​subterrânea da superfície basal do gelo hexagonal. As ligações de hidrogênio adotadas nas camadas superiores dos hexágonos (L1 O ··· HO L2) são mais fortes que aquelas adotadas na segunda camada à acumulação superior (L1 OH ··· O L2). Estruturas de gelo hexagonais interativas disponíveis.

Características de desenvolvimento

O número mínimo de moléculas de água necessárias para a nucleação do gelo é aproximadamente 275 ± 25, o mesmo que para um aglomerado icosaédrico completo de 280. A formação ocorre por um fator de 10 10 na interface ar-água, e não na água a granel. O crescimento dos cristais de gelo depende de diferentes taxas de crescimento de diferentes energias. A água deve ser protegida do congelamento durante a criopreservação de amostras biológicas, alimentos e órgãos.

Isto normalmente é conseguido por meio de taxas de resfriamento rápidas, o uso de pequenas amostras e um crioconservador e o aumento da pressão para nuclear o gelo e evitar danos às células. A energia livre do gelo/líquido aumenta de ~30 mJ/m2 à pressão atmosférica para 40 mJ/m2 a 200 MPa, indicando a razão pela qual este efeito ocorre.

Alternativamente, eles podem crescer mais rapidamente a partir de superfícies de prismas (S2), em superfícies perturbadas aleatoriamente de lagos congelados ou perturbados. O crescimento das faces (1 1 -2 0) é pelo menos o mesmo, mas as transforma nas bases de um prisma. Os dados de desenvolvimento de cristais de gelo foram totalmente explorados. As taxas relativas de crescimento de elementos de diferentes faces dependem da capacidade de formar um maior grau de co-hidratação. A (baixa) temperatura da água circundante determina o grau de ramificação do cristal de gelo. O crescimento das partículas é limitado pela taxa de difusão em baixos graus de super-resfriamento, ou seja,<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Mas é limitado pela cinética de desenvolvimento em níveis mais elevados de redução de graus >4°C, o que leva a um crescimento semelhante a uma agulha. Esta forma é semelhante à estrutura do gelo seco (possui uma estrutura cristalina com estrutura hexagonal), diferentes características de desenvolvimento da superfície e da temperatura da água circundante (super-resfriada) que fica por trás das formas planas dos flocos de neve.

A formação de gelo na atmosfera influencia profundamente a formação e as propriedades das nuvens. Os feldspatos, encontrados na poeira do deserto que entra na atmosfera em milhões de toneladas por ano, são formadores importantes. Simulações de computador mostraram que isso se deve à nucleação de planos de cristais de gelo prismáticos em planos superficiais de alta energia.

Alguns outros elementos e redes

Os solutos (exceto uma quantidade muito pequena de hélio e hidrogênio, que pode entrar nos interstícios) não podem ser incorporados à estrutura Ih à pressão atmosférica, mas são forçados para a superfície ou para uma camada amorfa entre as partículas do corpo microcristalino. Nos locais da rede cristalina do gelo seco existem alguns outros elementos: íons caotrópicos, como NH 4 + e Cl -, que são incluídos no congelamento do líquido mais facilmente do que outros cosmotrópicos, como Na + e SO 4 2-, portanto sua remoção é impossível, pelo fato de formarem uma fina película do líquido remanescente entre os cristais. Isto pode levar à carga elétrica da superfície devido à dissociação da água superficial, equilibrando as cargas restantes (o que também pode resultar em radiação magnética) e uma mudança no pH dos filmes líquidos residuais, por exemplo NH 4 2 SO 4 tornando-se mais ácido e o NaCl tornando-se mais alcalino.

Eles são perpendiculares às faces da estrutura do cristal de gelo, mostrando a próxima camada anexada (com átomos O-pretos). Eles são caracterizados por uma superfície basal de crescimento lento (0 0 0 1), onde apenas moléculas de água isoladas estão ligadas. Uma superfície de crescimento rápido (1 0 -1 0) de um prisma, onde pares de partículas recém-ligadas podem se ligar entre si com hidrogênio (uma ligação/duas moléculas do elemento). A face de crescimento mais rápido é (1 1 -2 0) (prismática secundária), onde cadeias de partículas recém-fixadas podem interagir umas com as outras por ligações de hidrogênio. Uma de suas moléculas de cadeia/elemento é uma forma que forma cristas que se dividem e estimulam a transformação nos dois lados do prisma.

Entropia de ponto zero

k Bˣ Ln ( N

Cientistas e seus trabalhos neste campo

Pode ser definido como S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), onde k B é a constante de Boltzmann, N E é o número de configurações na energia E e E0 é a energia mais baixa. Este valor para a entropia do gelo hexagonal a zero Kelvin não viola a terceira lei da termodinâmica, “A entropia de um cristal ideal no zero absoluto é exatamente zero”, uma vez que estes elementos e partículas não são ideais e têm ligações de hidrogénio desordenadas.

Neste corpo, as ligações de hidrogênio são aleatórias e mudam rapidamente. Estas estruturas não são exactamente iguais em energia, mas estendem-se a um grande número de estados energeticamente próximos e obedecem às “regras do gelo”. A entropia do ponto zero é a desordem que permaneceria mesmo se o material pudesse ser resfriado ao zero absoluto (0 K = -273,15 °C). Dá origem a confusão experimental para gelo hexagonal 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoricamente, seria possível calcular a entropia zero de cristais de gelo conhecidos com muito maior precisão (negligenciando defeitos e dispersão do nível de energia) do que determiná-la experimentalmente.

Embora a ordem dos prótons no gelo a granel não seja ordenada, a superfície provavelmente prefere a ordem das referidas partículas na forma de bandas de átomos de H pendentes e pares solitários de O (entropia zero com ligações de hidrogênio ordenadas). Foi encontrada a desordem do ponto zero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 e outros. De tudo o que foi dito acima, fica claro e compreensível quais tipos de redes cristalinas são características do gelo.