Полная версия

Главная arrow Экология arrow Ключ к генетическому коду в структуре объединенных молекул воды

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

СТРУКТУРЫ ВОДЫ

Структура водного раствора определяется двумя факторами: структурой чистой воды как растворителя и свойствами растворенных веществ, ионы которых формируют свою собственную структуру. По существу вопрос о структуре раствора - это проблема понимания всех типов взаимодействия, осуществляемых в растворах между атомами, ионами и молекулами.

Жидкая вода, соответствующая формуле Н20 в естественных условиях не существует. Полностью соответствует формуле Н20 лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Многие ученые работают над решением трудной проблемы получения абсолютно чистой воды. Но пока получить такую воду не удалось. Вода, близкая по составу формуле Н20, находится только в нескольких лабораториях мира, как эталон.

Необычные (аномальные) свойства воды были загадкой для ученых.

Выяснилось, что они обусловлены тремя причинами:

  • -полярным характером молекул;
  • -наличием неподеленных электронных пар у атомов кислорода; -образованием водородных связей.

Итак, молекула воды (Н20) состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его - сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, - по одному ядру водорода.

Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором представлена на рисунке 4.2.

Строение молекулы воды

Рис.4.2. Строение молекулы воды

В пространстве молекула воды занимает некоторый объем, и покрыта электронной оболочкой. Если представить вид гипотетической модели молекулы в плоскости, то она похожа на Х-образную хромосому, в которой записана программа жизни живого существа. И это является показательным фактом того, что сама вода - это необходимый элемент всего живого. Здесь и проявляется взаимосвязь структур молекулы воды и генетического кода.

Если представить вид гипотетической модели молекулы воды в объеме (см. рис. 4.3), то она передает форму треугольной пирамиды, у которой 4 грани, а у каждой грани по 3 ребра. В геометрии треугольная пирамида называется тетраэдром. Такое строение свойственно кристаллам [48].

В молекуле воды ядра атомов водорода расположены несимметрично по отношению к ядру атома кислорода и электронам. Если атом кислорода находится в центре тетраэдра, центры масс двух атомов водорода будут в углах тетраэдра, а центры зарядов двух пар электронов займут два других угла (см. рис.4.3.). Таким образом, четыре электрона располагаются на возможно наибольшем расстоянии как от ядра атома кислорода, так и от ядер атомов водорода, при котором они еще притягиваются ядром атома кислорода. Другие шесть электронов молекулы воды (в молекуле воды, как известно, их десять) расположены так: четыре электрона находятся в положении, обеспечивающем химическую связь между ядрами атомов кислорода и водорода, а два других расположены вблизи ядра атома кислорода.

Объемная модель молекулы воды

Рис.4.3. Объемная модель молекулы воды

Итак, в соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды содержит пять электронных пар. Они образуют электронное облако. Облако неоднородно - в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения. У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически её можно представить в виде окружности с центром - ядром 02. Четыре внешних электрона групппируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически суммарные электронные орбитали этих пар можно представить в виде эллипсов, вытянутых от общего центра - ядра 02. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра - протоны, оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности. Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер) (см. рис. 4.4.).

Итак, молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично.

Расположение полюсов заряда

Рис.4.4. Расположение полюсов заряда

Полярность молекул воды, наличие в них частично не скомпенсированных электрических зарядов и порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» - ассоциаты.

В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой (Н20)х .

Непосредственной причиной образования ассоциатов и являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

х Н20 = (Н20)х.

Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдрическую структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоциатов.

Возможны и другие модели водной структуры. Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов. Изучение структуры жидкой воды еще незакончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире. Развитие этих представлений помогает понять многие аномальные свойства воды и особенности взаимодействия ее, как растворителя, с другими веществами.

Размер одной молекулы воды составляет 0,28 нм (нанометра). Угол Н-О-Н молекулы Н20 в газообразном и жидком виде колеблется от 104,5 до 109 .

Так как молекула воды асимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Молекулы воды имеют два полюса -положительный и отрицательный. Они, как магнит, создают молекулярные силовые поля. Такие молекулы и называют полярными, или диполями [49].

Итак, в отличие от других жидкостей вода обладает сильным электрическим моментом, составляющим её дипольную структуру.

Молекула воды «однобока» и имеет «уголковую» конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода таким образом, молекула воды имеет следующее строение: [50].

г«еп оделенные пары электронов

Рис. 4.5. Однобокая «уголковая» структура молекулы воды

Две поделенные электронные пары участвуют в образовании двух полярных ковалентных связей, а оставшиеся две неподеленные пары электронов тоже играют важную роль в свойствах воды. Все заместители у атома кислорода, включая неподеленные пары, стремятся расположиться как можно дальше друг от друга. Это приводит к тому, что молекула приобретает форму искаженного тетраэдра с атомом кислорода в центре. В четырех вершинах этого "тетраэдра" находятся два атома водорода и две неподеленные пары электронов. Но если смотреть только по центрам атомов, то получается, что молекула воды имеет угловое строение, причем угол Н-О-Н составляет примерно 105 градусов.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>