मिश्रित और पर्णपाती वनों की मिट्टी। मिश्रित वन: प्राकृतिक क्षेत्र की विशेषताएं और विशेषताएं, भौगोलिक स्थिति, जलवायु और मिश्रित वनों की मिट्टी
आदतन खोज
जल संरचना
पीएच.डी. ओ.वी. मोसिन
पानी का अणु एक छोटा द्विध्रुव होता है जिसमें ध्रुवों पर धनात्मक और ऋणात्मक आवेश होते हैं। चूंकि ऑक्सीजन नाभिक का द्रव्यमान और आवेश हाइड्रोजन नाभिक से अधिक होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन बादल ऑक्सीजन नाभिक की ओर सिकुड़ता है। इस मामले में, हाइड्रोजन नाभिक उजागर होते हैं। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन बादल में एक असमान घनत्व होता है। हाइड्रोजन नाभिक के पास इलेक्ट्रॉन घनत्व की कमी होती है, और अणु के विपरीत दिशा में, ऑक्सीजन नाभिक के पास, इलेक्ट्रॉन घनत्व की अधिकता होती है। यह वह संरचना है जो पानी के अणु की ध्रुवीयता को निर्धारित करती है। यदि आप धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के उपकेंद्रों को सीधी रेखाओं से जोड़ते हैं, तो आपको एक त्रि-आयामी ज्यामितीय आकृति मिलती है - एक नियमित टेट्राहेड्रोन।
पानी के अणु की संरचना (दाईं ओर आकृति)
हाइड्रोजन बांड की उपस्थिति के कारण, प्रत्येक पानी का अणु 4 पड़ोसी अणुओं के साथ एक हाइड्रोजन बॉन्ड बनाता है, जो बर्फ के अणु में एक ओपनवर्क मेष फ्रेम बनाता है। हालांकि, इसकी तरल अवस्था में, पानी एक अव्यवस्थित तरल है; ये हाइड्रोजन बंध स्वतःस्फूर्त, अल्पकालिक होते हैं, जल्दी टूट जाते हैं और फिर से बन जाते हैं। यह सब पानी की संरचना में विषमता की ओर जाता है।
पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड (नीचे बाईं ओर चित्र)
तथ्य यह है कि पानी इसकी संरचना में विषम है, बहुत पहले स्थापित किया गया था। यह लंबे समय से ज्ञात है कि बर्फ पानी की सतह पर तैरती है, अर्थात क्रिस्टलीय बर्फ का घनत्व तरल के घनत्व से कम होता है।
लगभग सभी अन्य पदार्थों में, क्रिस्टल तरल चरण की तुलना में सघन होता है। इसके अलावा, पिघलने के बाद भी, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, पानी का घनत्व बढ़ता रहता है और अधिकतम 4°C तक पहुँच जाता है। कम ज्ञात पानी की संपीड्यता की विसंगति है: जब गलनांक से 40C तक गर्म किया जाता है, तो यह घट जाती है और फिर बढ़ जाती है। पानी की गर्मी क्षमता भी तापमान पर गैर-एकरूपता पर निर्भर करती है।
इसके अलावा, 30C से नीचे के तापमान पर, वायुमंडलीय से 0.2 GPa तक दबाव में वृद्धि के साथ, पानी की चिपचिपाहट कम हो जाती है, और आत्म-प्रसार गुणांक - एक पैरामीटर जो एक दूसरे के सापेक्ष पानी के अणुओं की गति को निर्धारित करता है - बढ़ जाता है।
अन्य तरल पदार्थों के लिए, निर्भरता व्युत्क्रम होती है, और ऐसा लगभग कभी नहीं होता है कि कुछ महत्वपूर्ण पैरामीटर गैर-एकरूपता से व्यवहार करते हैं, अर्थात। पहले बढ़ा, और तापमान या दबाव के महत्वपूर्ण मूल्य को पार करने के बाद कम हो गया। एक धारणा थी कि वास्तव में पानी एक तरल नहीं है, बल्कि दो घटकों का मिश्रण है जो गुणों में भिन्न होते हैं, जैसे घनत्व और चिपचिपाहट, और, परिणामस्वरूप, संरचना में। इस तरह के विचार 19वीं शताब्दी के अंत में उभरने लगे, जब पानी की विसंगतियों पर बहुत सारा डेटा जमा हो गया था।
यह विचार कि पानी में दो घटक होते हैं, पहली बार 1884 में व्हिटिंग द्वारा प्रस्तावित किया गया था। 1935 में प्रकाशित मोनोग्राफ "द नेचर ऑफ वॉटर। हेवी वाटर" में ई.एफ. फ्रिट्समैन द्वारा इसके लेखकत्व का हवाला दिया गया है। 1891 में, डब्ल्यू। रेंगटेन ने पानी की दो अवस्थाओं की अवधारणा पेश की, जो घनत्व में भिन्न हैं। इसके बाद, कई रचनाएँ सामने आईं जिनमें पानी को विभिन्न संरचना (हाइड्रोल) के सहयोगियों के मिश्रण के रूप में माना गया।
जब 1920 के दशक में बर्फ की संरचना का निर्धारण किया गया, तो यह पता चला कि क्रिस्टलीय अवस्था में पानी के अणु एक त्रि-आयामी निरंतर ग्रिड बनाते हैं, जिसमें प्रत्येक अणु में चार निकटतम पड़ोसी होते हैं जो एक नियमित टेट्राहेड्रोन के शीर्ष पर स्थित होते हैं। 1933 में, जे। बर्नाल और पी। फाउलर ने सुझाव दिया कि तरल पानी में एक समान ग्रिड मौजूद है। चूंकि पानी बर्फ से अधिक सघन होता है, इसलिए उनका मानना था कि इसमें अणुओं को उसी तरह व्यवस्थित नहीं किया जाता है जैसे कि बर्फ में, खनिज ट्राइडीमाइट में सिलिकॉन परमाणुओं की तरह, लेकिन सिलिका, क्वार्ट्ज के सघन संशोधन में सिलिकॉन परमाणुओं की तरह। 0 से 4 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने पर पानी के घनत्व में वृद्धि को कम तापमान पर ट्राइडीमाइट घटक की उपस्थिति से समझाया गया था। इस प्रकार, बर्नाल फाउलर मॉडल ने दो-संरचना के तत्व को बनाए रखा, लेकिन उनकी मुख्य उपलब्धि एक निरंतर टेट्राहेड्रल नेटवर्क का विचार है। तब आई। लैंगमुइर का प्रसिद्ध सूत्र प्रकट हुआ: "महासागर एक बड़ा अणु है।" मॉडल के अत्यधिक ठोसकरण ने एकीकृत ग्रिड सिद्धांत के समर्थकों को नहीं जोड़ा।
1951 तक जे. पोपल ने एक सतत ग्रिड मॉडल बनाया जो बर्नाल फाउलर के मॉडल जितना विशिष्ट नहीं था। पोपल ने पानी को एक यादृच्छिक टेट्राहेड्रल नेटवर्क के रूप में कल्पना की, अणुओं के बीच के बंधन जिसमें घुमावदार होते हैं और अलग-अलग लंबाई होती है। पोपल का मॉडल बांड के झुकने से पिघलने के दौरान पानी के घनत्व की व्याख्या करता है। जब 1960 और 1970 के दशक में बर्फ II और IX की संरचना की पहली परिभाषा सामने आई, तो यह स्पष्ट हो गया कि बांड के झुकने से संरचना संघनन कैसे हो सकता है। पोपल का मॉडल तापमान और दबाव के साथ-साथ दो-राज्य मॉडल पर पानी के गुणों की निर्भरता की गैर-एकरूपता की व्याख्या नहीं कर सका। इसलिए, दो राज्यों के विचार को कई वैज्ञानिकों द्वारा लंबे समय तक साझा किया गया था।
लेकिन 20वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में हाइड्रोल की संरचना और संरचना के बारे में उतना ही कल्पना करना असंभव था जितना उन्होंने सदी की शुरुआत में किया था। यह पहले से ही ज्ञात था कि बर्फ और क्रिस्टलीय हाइड्रेट कैसे व्यवस्थित होते हैं, और वे हाइड्रोजन बंधन के बारे में बहुत कुछ जानते थे। सातत्य मॉडल (पोपला मॉडल) के अलावा, मिश्रित मॉडल के दो समूह उभरे हैं: क्लस्टर और क्लैथ्रेट। पहले समूह में, पानी हाइड्रोजन बंधों से जुड़े अणुओं के समूहों के रूप में दिखाई दिया, जो ऐसे अणुओं के समुद्र में तैरते हैं जो ऐसे बंधनों में भाग नहीं लेते हैं। दूसरे समूह के मॉडल ने पानी को हाइड्रोजन बांड के एक सतत नेटवर्क (आमतौर पर इस संदर्भ में एक ढांचा कहा जाता है) के रूप में माना है जिसमें रिक्तियां होती हैं; उनमें अणु होते हैं जो ढांचे के अणुओं के साथ बंधन नहीं बनाते हैं। प्रसिद्ध विसंगतियों सहित पानी के सभी गुणों की व्याख्या करने के लिए क्लस्टर मॉडल के दो माइक्रोफ़ेज़ या ढांचे के गुणों और क्लैथ्रेट मॉडल में इसके रिक्त स्थान को भरने की डिग्री के ऐसे गुणों और सांद्रता को चुनना मुश्किल नहीं था।
क्लस्टर मॉडल में, सबसे खास था जी. नेमेथी और एच. शेरागी का मॉडल: अनबाउंड अणुओं के समुद्र में तैरते बाध्य अणुओं के समूहों को दर्शाने वाले उनके चित्रों को कई मोनोग्राफ में शामिल किया गया है।
क्लैथ्रेट प्रकार का पहला मॉडल 1946 में O.Ya.Samoilov द्वारा प्रस्तावित किया गया था: हेक्सागोनल बर्फ के समान हाइड्रोजन बांड का एक नेटवर्क पानी में संरक्षित होता है, जिसके गुहा आंशिक रूप से मोनोमेरिक अणुओं से भरे होते हैं। एल. पॉलिंग ने 1959 में एक और संस्करण बनाया, यह सुझाव देते हुए कि कुछ क्रिस्टलीय हाइड्रेट्स में निहित बांडों का नेटवर्क संरचना के आधार के रूप में काम कर सकता है।
1960 के दशक के उत्तरार्ध और 1970 के दशक की शुरुआत के दौरान, इन सभी विचारों का अभिसरण देखा गया। क्लस्टर मॉडल के वेरिएंट दिखाई दिए, जिसमें दोनों माइक्रोफ़ेज़ में अणु हाइड्रोजन बांड द्वारा जुड़े हुए हैं। क्लैथ्रेट मॉडल के समर्थकों ने शून्य और ढांचे के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड के गठन की अनुमति देना शुरू कर दिया। अर्थात्, वास्तव में, इन मॉडलों के लेखक पानी को हाइड्रोजन बांडों के निरंतर नेटवर्क के रूप में मानते हैं। और हम बात कर रहे हैं कि यह ग्रिड कितना अमानवीय है (उदाहरण के लिए, घनत्व में)। पानी के अणुओं से रहित पानी के अणुओं के समुद्र में तैरने वाले हाइड्रोजन-बंधुआ समूहों के रूप में पानी के विचार को अस्सी के दशक की शुरुआत में समाप्त कर दिया गया था, जब जी। स्टेनली ने जल मॉडल के लिए रिसाव सिद्धांत को लागू किया, जो चरण का वर्णन करता है। पानी का संक्रमण।
1999 में, प्रसिद्ध रूसी जल शोधकर्ता एस.वी. ज़ेनिन ने क्लस्टर सिद्धांत पर रूसी विज्ञान अकादमी के जैव चिकित्सा समस्याओं के संस्थान में अपनी डॉक्टरेट थीसिस का बचाव किया, जो अनुसंधान के इस क्षेत्र को बढ़ावा देने में एक महत्वपूर्ण कदम था, जिसकी जटिलता इस तथ्य से बढ़ी है कि वे हैं तीन विज्ञानों का प्रतिच्छेदन: भौतिकी, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान। तीन भौतिक रासायनिक विधियों द्वारा प्राप्त आंकड़ों के आधार पर: रेफ्रेक्टोमेट्री (एस.वी. जेनिन, बी.वी. टायगलोव, 1994), उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एस.वी. जेनिन एट अल।, 1998) और प्रोटॉन चुंबकीय अनुनाद (सी.वी. जेनिन, 1993) का निर्माण और निर्माण किया गया। पानी के अणुओं (संरचित पानी) के मुख्य स्थिर संरचनात्मक गठन का एक ज्यामितीय मॉडल साबित हुआ, और फिर (एस.वी. जेनिन, 2004) इन संरचनाओं के एक चरण विपरीत माइक्रोस्कोप का उपयोग करके एक छवि प्राप्त की गई थी।
यह अब विज्ञान द्वारा सिद्ध किया गया है कि पानी के भौतिक गुणों की ख़ासियत और पानी के अणु में पड़ोसी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच कई अल्पकालिक हाइड्रोजन बांड विशेष सहयोगी संरचनाओं (क्लस्टर) के गठन के लिए अनुकूल अवसर पैदा करते हैं जो अनुभव करते हैं, स्टोर करते हैं और विभिन्न प्रकार की सूचनाओं का संचार करते हैं।
इस तरह के पानी की संरचनात्मक इकाई क्लैथ्रेट से युक्त एक समूह है, जिसकी प्रकृति लंबी दूरी की कूलम्ब बलों द्वारा निर्धारित की जाती है। समूहों की संरचना इन पानी के अणुओं के साथ हुई बातचीत के बारे में जानकारी को कूटबद्ध करती है। पानी के समूहों में, ऑक्सीजन परमाणुओं और हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच सहसंयोजक और हाइड्रोजन बांडों के बीच बातचीत के कारण, प्रोटॉन प्रवासन (Н+) रिले तंत्र के अनुसार हो सकता है, जिससे क्लस्टर के भीतर प्रोटॉन निरूपण हो सकता है।
पानी, विभिन्न प्रकार के कई समूहों से मिलकर, एक पदानुक्रमित स्थानिक लिक्विड क्रिस्टल संरचना बनाता है जो भारी मात्रा में जानकारी को देख और संग्रहीत कर सकता है।
चित्र (वी.एल. वोइकोव) एक उदाहरण के रूप में कई सरल क्लस्टर संरचनाओं के आरेख दिखाता है।
जल समूहों की कुछ संभावित संरचनाएं
सूचना वाहक विभिन्न प्रकृति के भौतिक क्षेत्र हो सकते हैं। इस प्रकार, विद्युत चुम्बकीय, ध्वनिक और अन्य क्षेत्रों का उपयोग करके विभिन्न प्रकृति की वस्तुओं के साथ पानी की लिक्विड क्रिस्टल संरचना की दूरस्थ सूचना बातचीत की संभावना स्थापित की गई थी। एक व्यक्ति एक प्रभावशाली वस्तु भी हो सकता है।
पानी अति-कमजोर और कमजोर प्रत्यावर्ती विद्युत चुम्बकीय विकिरण का स्रोत है। कम से कम अराजक विद्युत चुम्बकीय विकिरण संरचित जल द्वारा निर्मित होता है। इस मामले में, संबंधित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का प्रेरण हो सकता है, जो जैविक वस्तुओं की संरचनात्मक और सूचनात्मक विशेषताओं को बदलता है।
हाल के वर्षों में, सुपरकूल्ड पानी के गुणों पर महत्वपूर्ण आंकड़े प्राप्त हुए हैं। कम तापमान पर पानी का अध्ययन करना बहुत दिलचस्प है, क्योंकि यह अन्य तरल पदार्थों की तुलना में अधिक सुपरकूल्ड हो सकता है। पानी का क्रिस्टलीकरण, एक नियम के रूप में, कुछ विषमताओं पर या तो बर्तन की दीवारों पर या ठोस अशुद्धियों के तैरते कणों पर शुरू होता है। इसलिए, उस तापमान का पता लगाना आसान नहीं है जिस पर सुपरकूल्ड पानी स्वतः ही क्रिस्टलीकृत हो जाएगा। लेकिन वैज्ञानिक ऐसा करने में कामयाब रहे, और अब तथाकथित सजातीय न्यूक्लिएशन का तापमान, जब बर्फ के क्रिस्टल का निर्माण पूरे आयतन में एक साथ होता है, 0.3 GPa तक के दबाव के लिए जाना जाता है, अर्थात बर्फ के अस्तित्व के क्षेत्रों पर कब्जा करना द्वितीय.
वायुमंडलीय दबाव से I और II को अलग करने वाली सीमा तक, यह तापमान 231 से 180 K तक गिर जाता है, और फिर थोड़ा बढ़कर 190 K हो जाता है। इस महत्वपूर्ण तापमान के नीचे, सैद्धांतिक रूप से तरल पानी असंभव है।
बर्फ की संरचना (दाईं ओर चित्र)
हालांकि, इस तापमान के साथ एक रहस्य जुड़ा हुआ है। अस्सी के दशक के मध्य में, अनाकार बर्फ, उच्च घनत्व वाली बर्फ का एक नया संशोधन खोजा गया, और इससे दो राज्यों के मिश्रण के रूप में पानी के विचार को पुनर्जीवित करने में मदद मिली। प्रोटोटाइप के रूप में, क्रिस्टलीय संरचनाओं पर नहीं, बल्कि विभिन्न घनत्वों के अनाकार बर्फ की संरचनाओं पर विचार किया गया था। सबसे सुगम रूप में, इस अवधारणा को ईजी पोनियातोव्स्की और वी.वी. सिनित्सिन द्वारा तैयार किया गया था, जिन्होंने 1999 में लिखा था: "पानी को दो घटकों का एक नियमित समाधान माना जाता है, स्थानीय विन्यास जिसमें अनाकार के संशोधनों के लघु-श्रेणी के क्रम के अनुरूप होते हैं। बर्फ।" इसके अलावा, न्यूट्रॉन विवर्तन विधियों का उपयोग करके उच्च दबाव पर सुपरकूल्ड पानी में शॉर्ट-रेंज ऑर्डर का अध्ययन करके, वैज्ञानिक इन संरचनाओं के अनुरूप घटकों को खोजने में सक्षम थे।
अनाकार बर्फ के बहुरूपता के परिणामस्वरूप, काल्पनिक निम्न-तापमान महत्वपूर्ण बिंदु से नीचे के तापमान पर पानी को दो अमिश्रणीय घटकों में अलग करने के बारे में भी धारणाएं थीं। दुर्भाग्य से, शोधकर्ताओं के अनुसार, 0.017 GPa के दबाव पर यह तापमान न्यूक्लियेशन तापमान से 230 K नीचे है, इसलिए कोई भी अभी तक तरल पानी के स्तरीकरण का निरीक्षण नहीं कर पाया है। इस प्रकार, दो-राज्य मॉडल के पुनरुद्धार ने तरल पानी में हाइड्रोजन बांड के नेटवर्क की असमानता पर सवाल उठाया। इस विषमता को समझना कंप्यूटर सिमुलेशन की मदद से ही संभव है।
पानी की क्रिस्टल संरचना के बारे में बोलते हुए, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि बर्फ के 14 संशोधन ज्ञात हैं,जिनमें से अधिकांश प्रकृति में नहीं पाए जाते हैं, जिसमें पानी के अणु दोनों अपनी वैयक्तिकता बनाए रखते हैं और हाइड्रोजन बांड से जुड़े होते हैं। दूसरी ओर, क्लैथ्रेट हाइड्रेट्स में हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क के कई प्रकार हैं। इन नेटवर्कों की ऊर्जा (उच्च दबाव वाले आइस और क्लैथ्रेट हाइड्रेट्स) क्यूबिक और हेक्सागोनल आइस की ऊर्जा से बहुत अधिक नहीं हैं। इसलिए, ऐसी संरचनाओं के टुकड़े तरल पानी में भी दिखाई दे सकते हैं। अनगिनत अलग-अलग गैर-आवधिक टुकड़ों को डिजाइन करना संभव है, अणु जिनमें चार निकटतम पड़ोसी हैं जो लगभग टेट्राहेड्रोन के कोने के साथ स्थित हैं, लेकिन उनकी संरचना बर्फ के ज्ञात संशोधनों की संरचनाओं के अनुरूप नहीं है। कई गणनाओं से पता चला है कि ऐसे टुकड़ों में अणुओं की अंतःक्रियात्मक ऊर्जा एक दूसरे के करीब होगी, और यह कहने का कोई कारण नहीं है कि तरल पानी में कुछ संरचना प्रबल होनी चाहिए।
पानी के संरचनात्मक अध्ययन का अध्ययन विभिन्न तरीकों से किया जा सकता है;प्रोटॉन चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्स-रे विवर्तन, आदि। उदाहरण के लिए, एक्स-रे और न्यूट्रॉन के विवर्तन का कई बार अध्ययन किया गया है। हालाँकि, ये प्रयोग संरचना के बारे में विस्तृत जानकारी नहीं दे सकते हैं। घनत्व में भिन्नता वाली असमानताओं को छोटे कोणों के एक्स-रे और न्यूट्रॉन के बिखरने से देखा जा सकता है, लेकिन ऐसी विषमताएं बड़ी होनी चाहिए, जिसमें सैकड़ों पानी के अणु हों। उन्हें देखना और प्रकाश के प्रकीर्णन की जांच करना संभव होगा। हालांकि, पानी एक असाधारण स्पष्ट तरल है। विवर्तन प्रयोगों का एकमात्र परिणाम रेडियल वितरण फलन है, यानी ऑक्सीजन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन-हाइड्रोजन के परमाणुओं के बीच की दूरी। उनसे यह देखा जा सकता है कि पानी के अणुओं की व्यवस्था में कोई लंबी दूरी का क्रम नहीं है। ये कार्य अधिकांश अन्य तरल पदार्थों की तुलना में पानी के लिए बहुत तेजी से क्षय होते हैं। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान के करीब तापमान पर ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच की दूरी का वितरण केवल तीन मैक्सिमा देता है, 2.8, 4.5 और 6.7 पर। पहला अधिकतम निकटतम पड़ोसियों की दूरी से मेल खाता है, और इसका मूल्य लगभग हाइड्रोजन बांड की लंबाई के बराबर है। दूसरा अधिकतम टेट्राहेड्रोन की औसत किनारे की लंबाई के करीब है: याद रखें कि हेक्सागोनल बर्फ में पानी के अणु केंद्रीय अणु के चारों ओर घिरे टेट्राहेड्रोन के शीर्ष पर स्थित होते हैं। और तीसरा अधिकतम, बहुत कमजोर रूप से व्यक्त किया गया, हाइड्रोजन ग्रिड में तीसरे और अधिक दूर के पड़ोसियों की दूरी से मेल खाता है। यह अधिकतम अपने आप में बहुत उज्ज्वल नहीं है, और आगे की चोटियों के बारे में बात करने की कोई आवश्यकता नहीं है। इन वितरणों से अधिक विस्तृत जानकारी प्राप्त करने का प्रयास किया गया है। इसलिए 1969 में, I.S. Andrianov और I.Z. फिशर ने आठवें पड़ोसी तक की दूरी पाई, जबकि यह पांचवें पड़ोसी के लिए 3 और छठे से 3.1 निकला। यह पानी के अणुओं के दूर के वातावरण पर डेटा बनाने की अनुमति देता है।
संरचना का अध्ययन करने का एक अन्य तरीका - पानी के क्रिस्टल पर न्यूट्रॉन विवर्तन ठीक उसी तरह से किया जाता है जैसे एक्स-रे विवर्तन। हालांकि, इस तथ्य के कारण कि विभिन्न परमाणुओं के लिए न्यूट्रॉन बिखरने की लंबाई इतनी भिन्न नहीं होती है, आइसोमोर्फिक प्रतिस्थापन विधि अस्वीकार्य हो जाती है। व्यवहार में, आमतौर पर एक क्रिस्टल के साथ काम करता है जिसकी आणविक संरचना पहले से ही अन्य तरीकों से लगभग स्थापित हो चुकी है। इस क्रिस्टल के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन तीव्रता को तब मापा जाता है। इन परिणामों के आधार पर, एक फूरियर रूपांतरण किया जाता है, जिसके दौरान मापा न्यूट्रॉन तीव्रता और चरणों का उपयोग किया जाता है, गणना गैर-हाइड्रोजन परमाणुओं को ध्यान में रखते हुए की जाती है, अर्थात। ऑक्सीजन परमाणु जिनकी संरचना मॉडल में स्थिति ज्ञात है। फिर, इस तरह से प्राप्त फूरियर मानचित्र पर, हाइड्रोजन और ड्यूटेरियम परमाणुओं को इलेक्ट्रॉन घनत्व मानचित्र की तुलना में बहुत अधिक भार के साथ दर्शाया जाता है, क्योंकि न्यूट्रॉन के प्रकीर्णन में इन परमाणुओं का योगदान बहुत बड़ा है। इस घनत्व मानचित्र से, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन परमाणुओं (ऋणात्मक घनत्व) और ड्यूटेरियम परमाणुओं (सकारात्मक घनत्व) की स्थिति निर्धारित कर सकते हैं।
इस पद्धति का एक रूपांतर संभव है, जिसमें यह तथ्य शामिल है कि पानी में बनने वाले क्रिस्टल को माप से पहले भारी पानी में रखा जाता है। इस मामले में, न्यूट्रॉन विवर्तन न केवल यह निर्धारित करना संभव बनाता है कि हाइड्रोजन परमाणु कहाँ स्थित हैं, बल्कि उनमें से उन लोगों को भी प्रकट करता है जिन्हें ड्यूटेरियम के लिए आदान-प्रदान किया जा सकता है, जो आइसोटोप (एच-डी) एक्सचेंज के अध्ययन में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। ऐसी जानकारी संरचना की स्थापना की शुद्धता की पुष्टि करने में मदद करती है।
अन्य विधियां भी पानी के अणुओं की गतिशीलता का अध्ययन करना संभव बनाती हैं। ये अर्ध-लोचदार न्यूट्रॉन बिखरने, अल्ट्राफास्ट आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी और एनएमआर या लेबल वाले ड्यूटेरियम परमाणुओं का उपयोग करके पानी के प्रसार के अध्ययन पर प्रयोग हैं। एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी की विधि इस तथ्य पर आधारित है कि हाइड्रोजन परमाणु के नाभिक में एक चुंबकीय क्षण-स्पिन होता है, जो चुंबकीय क्षेत्र, स्थिर और परिवर्तनशील के साथ संपर्क करता है। एनएमआर स्पेक्ट्रम से, कोई उस वातावरण का न्याय कर सकता है जिसमें ये परमाणु और नाभिक स्थित हैं, इस प्रकार अणु की संरचना के बारे में जानकारी प्राप्त करते हैं।
पानी के क्रिस्टल में न्यूट्रॉन के अर्ध-लोचदार प्रकीर्णन पर प्रयोगों के परिणामस्वरूप, सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर, स्व-प्रसार गुणांक, विभिन्न दबावों और तापमानों पर मापा गया था। न्यूट्रॉन के अर्ध-लोचदार प्रकीर्णन से स्व-प्रसार गुणांक का न्याय करने के लिए, आणविक गति की प्रकृति के बारे में एक धारणा बनाना आवश्यक है। यदि वे Ya.I. Frenkel (एक प्रसिद्ध रूसी सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी, "काइनेटिक थ्योरी ऑफ़ लिक्विड्स" के लेखक - कई भाषाओं में अनुवादित एक क्लासिक पुस्तक) के मॉडल के अनुसार चलते हैं, जिसे "जंप-वेटिंग" भी कहा जाता है। मॉडल, तो एक अणु के बसे हुए जीवन (कूद के बीच का समय) का समय 3.2 पिकोसेकंड है। फेमटोसेकंड लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी के नवीनतम तरीकों ने टूटे हुए हाइड्रोजन बॉन्ड के जीवनकाल का अनुमान लगाना संभव बना दिया है: एक प्रोटॉन को एक साथी खोजने में 200 एफएस लगते हैं। हालांकि, ये सभी औसत हैं। पानी के अणुओं की गति की संरचना और प्रकृति के विवरण का अध्ययन केवल कंप्यूटर सिमुलेशन की मदद से संभव है, जिसे कभी-कभी संख्यात्मक प्रयोग कहा जाता है।
कंप्यूटर सिमुलेशन के परिणामों के अनुसार पानी की संरचना कैसी दिखती है (डॉक्टर ऑफ केमिकल साइंसेज जीजी मालेनकोव के आंकड़ों के अनुसार)। सामान्य अव्यवस्थित संरचना को दो प्रकार के क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है (अंधेरे और हल्के गेंदों द्वारा दिखाया गया है), जो उनकी संरचना में भिन्न होते हैं, उदाहरण के लिए, वोरोनोई पॉलीहेड्रॉन (ए) की मात्रा में, निकटतम पर्यावरण की टेट्राहेड्रलिटी की डिग्री ( बी), संभावित ऊर्जा का मूल्य (सी), और प्रत्येक अणु (डी) में चार हाइड्रोजन बांड की उपस्थिति में भी। हालांकि, ये क्षेत्र सचमुच एक पल में, कुछ पिकोसेकंड के बाद, अपना स्थान बदल देंगे।
सिमुलेशन इस तरह किया जाता है। बर्फ की संरचना को लिया जाता है और पिघलने तक गर्म किया जाता है। फिर, कुछ समय बाद पानी अपने क्रिस्टलीय मूल को भूल जाता है, तत्काल फोटोमाइक्रोग्राफ लिया जाता है।
पानी की संरचना का विश्लेषण करने के लिए, तीन मापदंडों का चयन किया जाता है:
- नियमित टेट्राहेड्रोन के कोने से अणु के स्थानीय वातावरण के विचलन की डिग्री;
-अणुओं की संभावित ऊर्जा;
तथाकथित वोरोनोई पॉलीहेड्रॉन का आयतन है।
इस पॉलीहेड्रॉन को बनाने के लिए, व्यक्ति दिए गए अणु से निकटतम तक एक किनारे लेता है, इसे आधे में विभाजित करता है, और इस बिंदु के माध्यम से किनारे पर लंबवत एक विमान खींचता है। यह प्रति अणु का आयतन है। एक बहुफलक का आयतन घनत्व, चतुष्फलकीयता, हाइड्रोजन बंधों के विरूपण की डिग्री, ऊर्जा, अणुओं के विन्यास की स्थिरता की डिग्री है। इनमें से प्रत्येक पैरामीटर के निकट मान वाले अणु एक साथ अलग-अलग समूहों में समूहित होते हैं। कम और उच्च घनत्व दोनों क्षेत्रों में अलग-अलग ऊर्जा मूल्य होते हैं, लेकिन उनके समान मूल्य भी हो सकते हैं। प्रयोगों से पता चला है कि विभिन्न संरचनाओं, समूहों वाले क्षेत्र अनायास और स्वतः ही क्षय हो जाते हैं। पानी की पूरी संरचना रहती है और लगातार बदल रही है, और जिस समय के दौरान ये परिवर्तन होते हैं वह बहुत छोटा होता है। शोधकर्ताओं ने अणुओं की गतिविधियों का अनुसरण किया और पाया कि वे लगभग 0.5 पीएस की आवृत्ति और 1 एंगस्ट्रॉम के आयाम के साथ अनियमित दोलन करते हैं। एंगस्ट्रॉम में दुर्लभ धीमी छलांग, जो पिछले पिकोसेकंड में भी देखी गई थी। सामान्य तौर पर, 30 पीएस में एक अणु 8-10 एंगस्ट्रॉम को स्थानांतरित कर सकता है। स्थानीय पर्यावरण का जीवनकाल भी छोटा होता है। वोरोनोई पॉलीहेड्रॉन की मात्रा के करीबी मूल्यों वाले अणुओं से बना क्षेत्र 0.5 पीएस में क्षय हो सकता है, और कई पिकोसेकंड तक रह सकता है। लेकिन हाइड्रोजन बांड के जीवनकाल का वितरण बहुत बड़ा है। लेकिन इस बार 40 पीएस से अधिक नहीं है, और औसत मूल्य कई पीएस है।
अंत में, इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि पानी की क्लस्टर संरचना के सिद्धांत में कई नुकसान हैं।उदाहरण के लिए, ज़ेनिन का सुझाव है कि पानी का मुख्य संरचनात्मक तत्व 57 अणुओं का एक समूह है जो चार डोडेकाहेड्रोन के संलयन से बनता है। उनके आम चेहरे हैं, और उनके केंद्र एक नियमित चतुष्फलक बनाते हैं। तथ्य यह है कि पानी के अणु एक पंचकोणीय डोडेकाहेड्रोन के शीर्ष पर स्थित हो सकते हैं, यह लंबे समय से ज्ञात है; ऐसा डोडेकाहेड्रॉन गैस हाइड्रेट्स का आधार है। इसलिए, इस धारणा में कोई आश्चर्य की बात नहीं है कि ऐसी संरचनाएं पानी में मौजूद हैं, हालांकि यह पहले ही कहा जा चुका है कि कोई विशेष संरचना लंबे समय तक प्रभावी और मौजूद नहीं हो सकती है। इसलिए, यह अजीब है कि इस तत्व को मुख्य माना जाता है और ठीक 57 अणु इसमें प्रवेश करते हैं। गेंदों से, उदाहरण के लिए, समान संरचनाओं को इकट्ठा करना संभव है जिसमें एक दूसरे से सटे डोडेकाहेड्रोन होते हैं और इसमें 200 अणु होते हैं। दूसरी ओर, ज़ेनिन का दावा है कि पानी के त्रि-आयामी पोलीमराइज़ेशन की प्रक्रिया 57 अणुओं पर रुक जाती है। उनकी राय में, बड़े सहयोगी नहीं होने चाहिए। हालांकि, अगर ऐसा होता, तो हेक्सागोनल बर्फ के क्रिस्टल, जिनमें हाइड्रोजन बांड द्वारा एक साथ बंधे हुए अणुओं की एक बड़ी संख्या होती है, जल वाष्प से नहीं निकल सकते। यह बिल्कुल भी स्पष्ट नहीं है कि जेनिन क्लस्टर की वृद्धि 57 अणुओं पर क्यों रुकी। अंतर्विरोधों से बचने के लिए, ज़ेनिन गुच्छों को अधिक जटिल संरचनाओं में पैक करता है - लगभग एक हज़ार अणुओं के rhombohedrons - और प्रारंभिक क्लस्टर एक दूसरे के साथ हाइड्रोजन बांड नहीं बनाते हैं। क्यों? उनकी सतह पर अणु अंदर से कैसे भिन्न होते हैं? जेनिन के अनुसार, समचतुर्भुजों की सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूहों का पैटर्न पानी की स्मृति प्रदान करता है। नतीजतन, इन बड़े परिसरों में पानी के अणु कठोर रूप से स्थिर होते हैं, और परिसर स्वयं ठोस होते हैं। ऐसा पानी नहीं बहेगा, और इसका गलनांक, जो आणविक भार से संबंधित है, काफी अधिक होना चाहिए।
ज़ेनिन मॉडल पानी के किन गुणों की व्याख्या करता है? चूंकि मॉडल टेट्राहेड्रल संरचनाओं पर आधारित है, इसलिए यह कमोबेश एक्स-रे और न्यूट्रॉन विवर्तन डेटा के अनुरूप हो सकता है। हालांकि, यह संभावना नहीं है कि मॉडल पिघलने के दौरान घनत्व में कमी की व्याख्या कर सकता है - डोडेकाहेड्रॉन की पैकिंग बर्फ से कम घनी होती है। लेकिन गतिशील गुणों वाले मॉडल से सहमत होना सबसे कठिन है - तरलता, आत्म-प्रसार गुणांक का एक बड़ा मूल्य, लघु सहसंबंध और ढांकता हुआ विश्राम समय, जिसे पिकोसेकंड में मापा जाता है।
पीएच.डी. ओ.वी. मोसिन
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में और। स्लेसारेव. अनुसंधान प्रगति रिपोर्ट
जल गुण
पानी पानी क्यों है?
पदार्थों की असीम भीड़ में, पानी, अपने भौतिक और रासायनिक गुणों के साथ, एक बहुत ही विशेष, असाधारण स्थान रखता है। और इसे शाब्दिक रूप से लिया जाना चाहिए।
पानी के लगभग सभी भौतिक और रासायनिक गुण प्रकृति में अपवाद हैं। वह वास्तव में दुनिया का सबसे आश्चर्यजनक पदार्थ है। पानी न केवल अणु के समस्थानिक रूपों की विविधता से अद्भुत है, और न केवल उन आशाओं से जो भविष्य के लिए ऊर्जा के एक अटूट स्रोत के रूप में इससे जुड़ी हैं। इसके अलावा, यह आश्चर्यजनक है और इसकी - सबसे आम गुण।
पानी का अणु कैसे बनता है?
पानी का एक अणु कैसे बनता है, यह अब ठीक-ठीक ज्ञात हो गया है। यह इस तरह बनाया गया है।
हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं के नाभिकों की पारस्परिक व्यवस्था और उनके बीच की दूरी का अच्छी तरह से अध्ययन और मापन किया गया है। यह पता चला कि पानी का अणु अरेखीय है। परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन गोले के साथ, एक पानी का अणु, यदि आप इसे "पक्ष से" देखते हैं, तो इसे इस तरह चित्रित किया जा सकता है:
अर्थात्, ज्यामितीय रूप से, एक अणु में आवेशों की पारस्परिक व्यवस्था को एक साधारण चतुष्फलक के रूप में दर्शाया जा सकता है। किसी भी समस्थानिक संरचना वाले सभी पानी के अणु बिल्कुल उसी तरह बनाए जाते हैं।
समुद्र में पानी के कितने अणु होते हैं?
एक। और यह जवाब पूरी तरह से मजाक नहीं है। बेशक, हर कोई, संदर्भ पुस्तक में देखने के बाद और यह पता लगा सकता है कि विश्व महासागर में कितना पानी है, यह गणना करना आसान है कि इसमें कितने एच 2 ओ अणु हैं। लेकिन यह जवाब पूरी तरह से सही नहीं है। जल एक विशेष पदार्थ है। अजीबोगरीब संरचना के कारण, व्यक्तिगत अणु एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। एक विशेष रासायनिक बंधन इस तथ्य के कारण उत्पन्न होता है कि एक अणु के प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणु पड़ोसी अणुओं में ऑक्सीजन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर खींचते हैं। इस तरह के एक हाइड्रोजन बंधन के कारण, प्रत्येक पानी का अणु चार अन्य पड़ोसी अणुओं के साथ काफी मजबूती से जुड़ा होता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। सच है, यह योजना बहुत सरल है - यह सपाट है, अन्यथा आप इसे चित्र में चित्रित नहीं कर सकते। आइए थोड़ा और सटीक चित्र की कल्पना करें। ऐसा करने के लिए, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि जिस विमान में हाइड्रोजन बांड स्थित हैं (वे एक बिंदीदार रेखा द्वारा इंगित किए जाते हैं) पानी के अणु में हाइड्रोजन परमाणुओं के विमान के लंबवत निर्देशित होते हैं।
पानी में सभी व्यक्तिगत H2O अणु एक निरंतर स्थानिक ग्रिड में बंधे होते हैं - एक विशाल अणु में। इसलिए, कुछ वैज्ञानिक भौतिक रसायनज्ञों का यह दावा कि संपूर्ण महासागर एक अणु है, बिल्कुल उचित है। लेकिन इस कथन को बहुत शाब्दिक रूप से नहीं लिया जाना चाहिए। हालांकि पानी में सभी पानी के अणु हाइड्रोजन बांड द्वारा परस्पर जुड़े हुए हैं, वे एक बहुत ही जटिल मोबाइल संतुलन में एक ही बोझ में हैं, एकल अणुओं के व्यक्तिगत गुणों को बनाए रखते हैं और जटिल समुच्चय बनाते हैं। यह विचार न केवल पानी पर लागू होता है: हीरे का एक टुकड़ा भी एक अणु है।
बर्फ का अणु कैसे बनता है?
बर्फ के कोई विशेष अणु नहीं होते हैं। पानी के अणु, उनकी उल्लेखनीय संरचना के कारण, बर्फ के एक टुकड़े में एक दूसरे से इस तरह जुड़े होते हैं कि उनमें से प्रत्येक जुड़ा होता है और चार अन्य अणुओं से घिरा होता है। इससे बर्फ की एक बहुत ही ढीली संरचना का निर्माण होता है, जिसमें बहुत अधिक मात्रा में मुक्त आयतन रहता है। बर्फ की सही क्रिस्टलीय संरचना बर्फ के टुकड़ों की अद्भुत कृपा और जमे हुए खिड़की के शीशे पर ठंढे पैटर्न की सुंदरता में व्यक्त की जाती है।
पानी में पानी के अणु कैसे बनते हैं?
दुर्भाग्य से, इस बहुत महत्वपूर्ण मुद्दे का अभी तक पर्याप्त अध्ययन नहीं किया गया है। तरल जल में अणुओं की संरचना बहुत जटिल होती है। जब बर्फ पिघलती है, तो परिणामी पानी में इसकी नेटवर्क संरचना आंशिक रूप से संरक्षित होती है। पिघले पानी में अणुओं में कई सरल अणु होते हैं - समुच्चय जो बर्फ के गुणों को बनाए रखते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, उनमें से कुछ बिखर जाते हैं, उनके आकार छोटे हो जाते हैं।
पारस्परिक आकर्षण इस तथ्य की ओर जाता है कि तरल पानी में एक जटिल पानी के अणु का औसत आकार एक पानी के अणु के आकार से काफी अधिक होता है। पानी की ऐसी असाधारण आणविक संरचना इसके असाधारण भौतिक और रासायनिक गुणों को निर्धारित करती है।
पानी का घनत्व कितना होना चाहिए?
बड़ा अजीब सवाल है ना? याद रखें कि द्रव्यमान की इकाई कैसे स्थापित की गई थी - एक ग्राम। यह एक घन सेंटीमीटर पानी का द्रव्यमान है। अत: इसमें कोई संदेह नहीं कि जल का घनत्व वैसा ही होना चाहिए जैसा वह है। क्या आप इसमें संदेह कर सकते हैं? कर सकना। सिद्धांतकारों ने गणना की है कि यदि पानी एक तरल अवस्था में एक ढीली, बर्फ जैसी संरचना को बरकरार नहीं रखता है और इसके अणुओं को कसकर पैक किया जाता है, तो पानी का घनत्व बहुत अधिक होगा। 25°C पर, यह 1.0 के बराबर नहीं, बल्कि 1.8 g/cm3 के बराबर होगा।
पानी को किस तापमान पर उबालना चाहिए?
बेशक यह सवाल भी अजीब है। आखिर पानी 100 डिग्री पर उबलता है। यह तो सभी जानते हैं। इसके अलावा, हर कोई जानता है कि यह सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर पानी का क्वथनांक है जिसे तापमान पैमाने के संदर्भ बिंदुओं में से एक के रूप में चुना जाता है, जिसे पारंपरिक रूप से 100 ° C निर्दिष्ट किया जाता है।
हालांकि, सवाल अलग तरह से रखा गया है: पानी को किस तापमान पर उबालना चाहिए? आखिरकार, विभिन्न पदार्थों के क्वथनांक यादृच्छिक नहीं होते हैं। वे मेंडेलीव की आवर्त प्रणाली में अपने अणुओं को बनाने वाले तत्वों की स्थिति पर निर्भर करते हैं।
यदि हम विभिन्न तत्वों के रासायनिक यौगिकों की समान संरचना वाले और आवर्त सारणी के एक ही समूह से संबंधित हैं, तो यह देखना आसान है कि तत्व की परमाणु संख्या जितनी कम होगी, उसका परमाणु भार उतना ही कम होगा, उसका क्वथनांक उतना ही कम होगा। इसके यौगिक। इसकी रासायनिक संरचना के अनुसार पानी को ऑक्सीजन हाइड्राइड कहा जा सकता है। H2Te, H2Se और H2S पानी के रासायनिक अनुरूप हैं। यदि आप उनके क्वथनांक का पालन करते हैं और तुलना करते हैं कि आवधिक प्रणाली के अन्य समूहों में हाइड्राइड्स के क्वथनांक कैसे बदलते हैं, तो आप किसी भी अन्य यौगिक की तरह ही किसी भी हाइड्राइड के क्वथनांक को काफी सटीक रूप से निर्धारित कर सकते हैं। मेंडेलीव स्वयं इस तरह से खोजे गए तत्वों के रासायनिक यौगिकों के गुणों की भविष्यवाणी करने में सक्षम थे।
यदि हम आवर्त सारणी में ऑक्सीजन हाइड्राइड का क्वथनांक निर्धारित करते हैं, तो यह पता चलता है कि पानी -80 ° C पर उबलना चाहिए। इसलिए, पानी लगभग एक सौ अस्सी डिग्री अधिक उबलता है , से उबालना चाहिए। पानी का क्वथनांक - यह इसकी सबसे आम संपत्ति है - असाधारण और आश्चर्यजनक निकला।
किसी भी रासायनिक यौगिक के गुण उसके घटक तत्वों की प्रकृति पर और फलस्वरूप मेंडेलीफ की रासायनिक तत्वों की आवधिक प्रणाली में उनकी स्थिति पर निर्भर करते हैं। ये ग्राफ आवर्त प्रणाली के समूह IV और VI के हाइड्रोजन यौगिकों के क्वथनांक और गलनांक की निर्भरता को दर्शाते हैं। पानी एक उल्लेखनीय अपवाद है। प्रोटॉन की त्रिज्या बहुत कम होने के कारण, इसके अणुओं के बीच परस्पर क्रिया बल इतने अधिक होते हैं कि उन्हें अलग करना बहुत कठिन होता है, इसलिए पानी असामान्य रूप से उच्च तापमान पर उबलता और पिघलता है।
ग्राफ ए। आवर्त सारणी में उनकी स्थिति पर समूह IV तत्वों के हाइड्राइड के क्वथनांक की सामान्य निर्भरता।
ग्राफ बी। समूह VI के तत्वों के हाइड्राइड्स में, पानी में विषम गुण होते हैं: पानी को माइनस 80 - माइनस 90 ° C पर उबालना चाहिए, लेकिन प्लस 100 ° C पर उबलना चाहिए।
ग्राफ बी। आवर्त सारणी में उनकी स्थिति पर समूह IV तत्वों के हाइड्राइड के गलनांक की सामान्य निर्भरता।
ग्राफ डी। समूह VI के तत्वों के हाइड्राइड्स के बीच, पानी क्रम का उल्लंघन करता है: इसे शून्य से 100 डिग्री सेल्सियस पर पिघलना चाहिए, और बर्फ के टुकड़े 0 डिग्री सेल्सियस पर पिघलते हैं।
पानी किस तापमान पर जमता है?
क्या प्रश्न पिछले वाले से कम अजीब नहीं है? वैसे कौन नहीं जानता कि पानी जीरो डिग्री पर जम जाता है। यह थर्मामीटर का दूसरा संदर्भ बिंदु है। यह पानी का सबसे आम गुण है। लेकिन इस मामले में भी, कोई यह पूछ सकता है: रासायनिक प्रकृति के अनुसार पानी किस तापमान पर जमना चाहिए? यह पता चला है कि आवर्त सारणी में अपनी स्थिति के आधार पर ऑक्सीजन हाइड्राइड को शून्य से एक सौ डिग्री नीचे जमना चाहिए था।
जल की द्रव अवस्था कितनी होती है?
इस प्रश्न का उत्तर देना इतना आसान नहीं है। बेशक, एक चीज भी है - तरल पानी हम सभी से परिचित है। लेकिन एक तरल अवस्था में पानी में ऐसे असाधारण गुण होते हैं कि किसी को आश्चर्य होता है कि क्या इतना सरल, प्रतीत होता है कि गैर-उत्तेजक
निःसंदेह उत्तर? दुनिया में पानी ही एकमात्र ऐसा पदार्थ है जो पिघलने के बाद पहले सिकुड़ता है और फिर तापमान बढ़ने पर फैलता है। लगभग 4°C पर जल का घनत्व सर्वाधिक होता है। पानी के गुणों में इस दुर्लभ विसंगति को इस तथ्य से समझाया गया है कि वास्तव में तरल पानी पूरी तरह से असाधारण संरचना का एक जटिल समाधान है: यह पानी में पानी का एक समाधान है।
जब बर्फ पिघलती है, तो सबसे पहले पानी के बड़े जटिल अणु बनते हैं। वे बर्फ की ढीली क्रिस्टलीय संरचना के अवशेषों को बरकरार रखते हैं और साधारण कम आणविक भार वाले पानी में घुल जाते हैं। इसलिए, पहले तो पानी का घनत्व कम होता है, लेकिन जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ये बड़े अणु टूट जाते हैं, और इसलिए पानी का घनत्व तब तक बढ़ जाता है जब तक कि सामान्य थर्मल विस्तार प्रबल नहीं हो जाता, जिसमें पानी का घनत्व फिर से गिर जाता है। अगर यह सच है, तो पानी की कई अवस्थाएँ संभव हैं, केवल कोई नहीं जानता कि उन्हें कैसे अलग किया जाए। और यह अभी तक ज्ञात नहीं है कि क्या ऐसा करना कभी संभव होगा। पानी के इस असाधारण गुण का जीवन के लिए बहुत महत्व है। जलाशयों में सर्दी के आने से पहले धीरे-धीरे ठंडा पानी नीचे गिर जाता है जब तक कि पूरे जलाशय का तापमान 4 डिग्री सेल्सियस तक नहीं पहुंच जाता। और ठंडा होने पर, ठंडा पानी ऊपर रहता है और सभी मिश्रण बंद हो जाते हैं। नतीजतन, एक असाधारण स्थिति पैदा होती है: ठंडे पानी की एक पतली परत बन जाती है, जैसा कि पानी के नीचे की दुनिया के सभी निवासियों के लिए "गर्म कंबल" था। 4 डिग्री सेल्सियस पर, वे स्पष्ट रूप से अच्छा महसूस करते हैं।
क्या आसान होना चाहिए - पानी या बर्फ?
ये कौन नहीं जानता... आखिर बर्फ पानी पर तैरती है। विशाल हिमखंड समुद्र में तैरते हैं। सर्दियों में झीलें बर्फ की तैरती ठोस परत से ढकी रहती हैं। बेशक, बर्फ पानी से हल्की होती है।
लेकिन "बेशक" क्यों? क्या यह इतना स्पष्ट है? इसके विपरीत, सभी ठोसों का आयतन पिघलने के दौरान बढ़ जाता है, और वे अपने ही पिघल में डूब जाते हैं। लेकिन बर्फ पानी पर तैरती है। पानी की यह संपत्ति प्रकृति में एक विसंगति है, एक अपवाद है, और इसके अलावा, एक बिल्कुल उल्लेखनीय अपवाद है।
पानी के अणु में धनात्मक आवेश हाइड्रोजन परमाणुओं से जुड़े होते हैं। नकारात्मक चार्ज ऑक्सीजन के वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं। पानी के अणु में उनकी पारस्परिक व्यवस्था को एक साधारण चतुष्फलक के रूप में दर्शाया जा सकता है।
आइए कल्पना करने की कोशिश करें कि अगर पानी में सामान्य गुण होते और बर्फ, जैसा कि कोई भी सामान्य पदार्थ होना चाहिए, तरल पानी की तुलना में घनी होती है, तो दुनिया कैसी दिखेगी। सर्दियों में, ऊपर से जमने वाली घनी बर्फ पानी में डूब जाती है, लगातार जलाशय के तल तक डूबती रहती है। गर्मियों में, ठंडे पानी की एक परत द्वारा संरक्षित बर्फ पिघल नहीं सकती थी। धीरे-धीरे, सभी झीलें, तालाब, नदियाँ, नदियाँ पूरी तरह से जम जातीं, बर्फ के विशाल ब्लॉकों में बदल जातीं। अंत में, समुद्र जम जाएगा, और उनसे आगे महासागर। हमारा सुंदर खिलता हुआ हरा-भरा संसार एक निरंतर बर्फीला रेगिस्तान बन जाएगा, कुछ स्थानों पर पिघले पानी की एक पतली परत से ढका होगा।
कितने बर्फ हैं?
प्रकृति में, हमारी पृथ्वी पर - एक: साधारण बर्फ। बर्फ असाधारण गुणों वाली चट्टान है। यह ठोस है, लेकिन यह एक तरल की तरह बहती है, और बड़ी बर्फीली नदियाँ हैं जो धीरे-धीरे ऊँचे पहाड़ों से नीचे की ओर बहती हैं। बर्फ परिवर्तनशील है - यह लगातार गायब हो जाती है और फिर से बनती है। बर्फ असामान्य रूप से मजबूत और टिकाऊ होती है - दसियों सहस्राब्दियों तक यह मैमथ के शरीर को बनाए रखती है, जो बिना किसी बदलाव के हिमनदों की दरारों में गलती से मर गए थे। अपनी प्रयोगशालाओं में, मनुष्य कम से कम छह अलग-अलग, कम आश्चर्यजनक बर्फ की खोज करने में कामयाब रहा। वे प्रकृति में नहीं पाए जा सकते। वे केवल बहुत उच्च दबाव पर ही मौजूद हो सकते हैं। साधारण बर्फ को 208 एमपीए (मेगापास्कल) के दबाव तक संरक्षित किया जाता है, लेकिन इस दबाव में यह -22 डिग्री सेल्सियस पर पिघल जाता है। यदि दबाव 208 एमपीए से अधिक है, तो घनी बर्फ दिखाई देती है - बर्फ-श। यह पानी से भारी है और इसमें डूब जाता है। कम तापमान और उच्च दबाव पर - 300 एमपीए तक - यहां तक कि सघन बर्फ-पी भी बनता है। 500 एमपीए से ऊपर का दबाव बर्फ को बर्फ-वी में बदल देता है। इस बर्फ को लगभग 0°C तक गर्म किया जा सकता है और अत्यधिक दबाव में होने पर भी यह पिघलेगी नहीं। लगभग 2 GPa (गीगापास्कल) के दबाव पर, Ice-VI होता है। यह वस्तुतः गर्म बर्फ है - यह बिना पिघले 80 डिग्री सेल्सियस के तापमान का सामना कर सकती है। 3GPa के दबाव पर पाई जाने वाली बर्फ-VII को शायद लाल-गर्म बर्फ कहा जा सकता है। यह ज्ञात सबसे घनी और सबसे दुर्दम्य बर्फ है। यह शून्य से 190° ऊपर ही पिघलता है।
Ice-VII में असामान्य रूप से उच्च कठोरता है। यह बर्फ अचानक आपदा का कारण भी बन सकती है। बेयरिंग में भारी दबाव विकसित होता है जिसमें बिजली संयंत्रों के शक्तिशाली टर्बाइनों के शाफ्ट घूमते हैं। अगर थोड़ा सा भी पानी ग्रीस में मिल जाता है, तो यह जम जाएगा, इस तथ्य के बावजूद कि बियरिंग्स का तापमान बहुत अधिक है। परिणामस्वरूप बर्फ-VII कण, जो बहुत कठोरता के होते हैं, शाफ्ट और असर को नष्ट करना शुरू कर देंगे और उन्हें जल्दी से अक्षम कर देंगे।
शायद अंतरिक्ष में बर्फ है?
मानो वहाँ है, और एक ही समय में बहुत अजीब है। लेकिन इसकी खोज पृथ्वी पर वैज्ञानिकों ने की थी, हालांकि ऐसी बर्फ हमारे ग्रह पर मौजूद नहीं हो सकती। वर्तमान में ज्ञात सभी बर्फों का घनत्व, यहां तक कि बहुत अधिक दबावों पर भी, केवल 1 ग्राम/सेमी3 से बहुत थोड़ा अधिक है। बहुत कम दबाव और तापमान पर बर्फ के हेक्सागोनल और क्यूबिक संशोधन का घनत्व, यहां तक कि पूर्ण शून्य के करीब, एकता से थोड़ा कम है। इनका घनत्व 0.94 g/cm3 है।
लेकिन यह पता चला कि एक निर्वात में, नगण्य दबावों पर और -170 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर, ऐसी परिस्थितियों में जब बर्फ का निर्माण होता है, जब यह एक ठंडी ठोस सतह पर वाष्प से संघनित होता है, तो बिल्कुल अद्भुत बर्फ उत्पन्न होती है। इसका घनत्व... 2.3 g/cm3 है। अब तक ज्ञात सभी बर्फ क्रिस्टलीय हैं, और यह नई बर्फ अनाकार प्रतीत होती है, जो अलग-अलग पानी के अणुओं की अव्यवस्थित सापेक्ष व्यवस्था की विशेषता है; इसकी एक निश्चित क्रिस्टल संरचना नहीं होती है। इस कारण से, इसे कभी-कभी कांच की बर्फ भी कहा जाता है। वैज्ञानिकों को यकीन है कि यह अद्भुत बर्फ अंतरिक्ष की स्थितियों में दिखाई देनी चाहिए और ग्रहों और धूमकेतुओं के भौतिकी में एक बड़ी भूमिका निभानी चाहिए। भौतिकविदों के लिए ऐसी सुपरडेंस बर्फ की खोज अप्रत्याशित थी।
बर्फ को पिघलाने में क्या लगता है?
ढेर सारी गर्मी। किसी अन्य पदार्थ की इस मात्रा को पिघलाने से कहीं अधिक। संलयन की असाधारण उच्च विशिष्ट ऊष्मा -80 कैलोरी (335 J) प्रति ग्राम बर्फ पानी की एक विषम संपत्ति है। जब पानी जम जाता है, तो उतनी ही मात्रा में ऊष्मा फिर से निकल जाती है।
जब सर्दी आती है, बर्फ बनती है, बर्फ गिरती है और पानी वापस गर्मी देता है, पृथ्वी और हवा को गर्म करता है। वे ठंड का विरोध करते हैं और कठोर सर्दी में संक्रमण को नरम करते हैं। पानी की इस अद्भुत संपत्ति के लिए धन्यवाद, हमारे ग्रह पर शरद ऋतु और वसंत मौजूद हैं।
पानी को गर्म करने के लिए कितनी ऊष्मा की आवश्यकता होती है?
बहुत सारा। किसी अन्य पदार्थ को समान मात्रा में गर्म करने से अधिक। एक ग्राम पानी को एक डिग्री गर्म करने में एक कैलोरी (4.2 J) लगती है। यह किसी भी रासायनिक यौगिक की ऊष्मा क्षमता के दोगुने से अधिक है।
पानी एक ऐसा पदार्थ है जो हमारे लिए सबसे सामान्य गुणों में और भी असाधारण है। बेशक, रसोई में रात का खाना बनाते समय न केवल पानी की इस क्षमता का बहुत महत्व है। जल पूरी पृथ्वी पर ऊष्मा का महान वितरक है। भूमध्य रेखा के नीचे सूर्य द्वारा गर्म किया गया, यह विश्व महासागर में समुद्री धाराओं की विशाल धाराओं द्वारा दूर ध्रुवीय क्षेत्रों में गर्मी को स्थानांतरित करता है, जहां पानी की इस अद्भुत विशेषता के कारण ही जीवन संभव है।
समुद्र का पानी खारा क्यों होता है?
यह शायद पानी के सबसे आश्चर्यजनक गुणों में से एक के सबसे महत्वपूर्ण परिणामों में से एक है। इसके अणु में धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के केंद्र एक-दूसरे के सापेक्ष दृढ़ता से विस्थापित होते हैं। इसलिए, पानी में ढांकता हुआ स्थिरांक का एक असाधारण उच्च, विषम मूल्य होता है। पानी के लिए, ई \u003d 80, और हवा और वैक्यूम के लिए, ई \u003d 1. इसका मतलब है कि पानी में कोई भी दो विपरीत चार्ज हवा की तुलना में 80 गुना कम बल के साथ परस्पर एक दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं। आखिरकार, कूलम्ब के नियम के अनुसार:
लेकिन फिर भी, सभी निकायों में अंतर-आणविक बंधन, जो शरीर की ताकत निर्धारित करते हैं, परमाणु नाभिक और नकारात्मक इलेक्ट्रॉनों के सकारात्मक चार्ज के बीच बातचीत के कारण होते हैं। पानी में डूबे किसी पिंड की सतह पर, अणुओं या परमाणुओं के बीच कार्य करने वाले बल पानी के प्रभाव में लगभग सौ गुना कमजोर हो जाते हैं। यदि अणुओं के बीच के बंधन की शेष ताकत थर्मल गति की क्रिया को झेलने के लिए अपर्याप्त हो जाती है, तो शरीर के अणु या परमाणु इसकी सतह से अलग होकर पानी में जाने लगते हैं। शरीर घुलने लगता है, या तो अलग-अलग अणुओं में विघटित हो जाता है, जैसे एक गिलास चाय में चीनी, या आवेशित कणों में - आयन, जैसे टेबल सॉल्ट।
यह असामान्य रूप से उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक के कारण है कि पानी सबसे मजबूत सॉल्वैंट्स में से एक है। यह पृथ्वी की सतह पर किसी भी चट्टान को घोलने में भी सक्षम है। धीरे-धीरे और अनिवार्य रूप से, यह ग्रेनाइट को भी नष्ट कर देता है, जिससे आसानी से घुलनशील घटक निकल जाते हैं।
धाराएँ, नदियाँ और नदियाँ घुली हुई अशुद्धियों को समुद्र में ले जाती हैं। समुद्र से जल वाष्पित हो जाता है और अपने शाश्वत कार्य को बार-बार जारी रखने के लिए फिर से पृथ्वी पर लौट आता है। और भंग लवण समुद्रों और महासागरों में रहते हैं।
ऐसा मत सोचो कि पानी घुल जाता है और समुद्र में वही ले जाता है जो आसानी से घुलनशील होता है, और उस समुद्र के पानी में केवल साधारण नमक होता है जो खाने की मेज पर होता है। नहीं, समुद्र के पानी में प्रकृति में मौजूद लगभग सभी तत्व होते हैं। इसमें मैग्नीशियम, और कैल्शियम, और सल्फर, और ब्रोमीन, और आयोडीन, और फ्लोरीन शामिल हैं। इसमें लोहा, तांबा, निकल, टिन, यूरेनियम, कोबाल्ट, यहां तक कि चांदी और सोना भी कम मात्रा में पाया जाता है। रसायनज्ञों द्वारा समुद्र के पानी में साठ से अधिक तत्व पाए गए हैं। शायद, बाकी सब मिल जाएगा। समुद्र के पानी में सबसे ज्यादा टेबल सॉल्ट होता है। इसलिए समुद्र का पानी खारा है।
क्या आप पानी की सतह पर दौड़ सकते हैं?
कर सकना। इस बात का यकीन करने के लिए गर्मियों में किसी भी तालाब या झील की सतह को देख लें। पानी पर न केवल चलता है, बल्कि बहुत सारे जीवंत और तेज लोग भी दौड़ते हैं। यदि हम इस बात को ध्यान में रखते हैं कि इन कीड़ों के पैरों के लिए समर्थन का क्षेत्र बहुत छोटा है, तो यह समझना आसान है कि उनके छोटे वजन के बावजूद, पानी की सतह बिना टूटे महत्वपूर्ण दबाव का सामना कर सकती है। .
क्या पानी ऊपर की ओर बह सकता है?
हाँ शायद। ऐसा हर समय और हर जगह होता है। भूजल स्तर से पृथ्वी की पूरी मोटाई को गीला करते हुए पानी खुद ही मिट्टी में ऊपर उठता है। पानी स्वयं पेड़ के केशिका वाहिकाओं को ऊपर उठाता है और पौधे को घुले हुए पोषक तत्वों को एक बड़ी ऊंचाई तक पहुंचाने में मदद करता है - जड़ों से लेकर पत्तियों और फलों तक। जब आपको ब्लॉट को सुखाना होता है, या जब आप अपना चेहरा पोंछते हैं तो तौलिये के कपड़े में पानी खुद ही ब्लॉटिंग पेपर के छिद्रों में चला जाता है। बहुत पतली नलियों में - केशिकाओं में - पानी कई मीटर की ऊँचाई तक बढ़ सकता है।
यह क्या समझाता है?
पानी की एक और उल्लेखनीय विशेषता इसकी असाधारण उच्च सतह तनाव है। इसकी सतह पर पानी के अणु केवल एक तरफ से अंतर-आणविक आकर्षण बलों की क्रिया का अनुभव करते हैं, और पानी में यह परस्पर क्रिया विषम रूप से बड़ी होती है। इसलिए, इसकी सतह पर प्रत्येक अणु तरल में खींचा जाता है। नतीजतन, एक बल उत्पन्न होता है जो तरल की सतह को खींचता है। पानी के लिए, यह विशेष रूप से बड़ा है: इसकी सतह का तनाव 72 mN / m (मिलीन्यूटन प्रति मीटर) है।
क्या पानी याद रख सकता है?
ऐसा प्रश्न सुनने में, बेशक, बहुत ही असामान्य लगता है, लेकिन यह काफी गंभीर और बहुत महत्वपूर्ण है। यह एक महान भौतिक-रासायनिक समस्या से संबंधित है, जिसकी सबसे महत्वपूर्ण भाग में अभी तक जांच नहीं की गई है। यह प्रश्न केवल विज्ञान में ही रखा गया है, लेकिन इसका उत्तर अभी तक नहीं मिला है।
सवाल यह है कि पानी का पिछला इतिहास उसके भौतिक और रासायनिक गुणों को प्रभावित करता है या नहीं और क्या यह संभव है, पानी के गुणों का अध्ययन करके, यह पता लगाना कि इससे पहले क्या हुआ था - पानी को खुद "याद रखना" और हमें बताना इसके बारे में। हाँ, यह संभव है, आश्चर्यजनक लग सकता है। इसे समझने का सबसे आसान तरीका एक सरल, लेकिन बहुत ही रोचक और असामान्य उदाहरण है - बर्फ की स्मृति।
बर्फ पानी है। जब पानी वाष्पित हो जाता है, तो पानी और भाप की समस्थानिक संरचना बदल जाती है। हल्का पानी वाष्पित हो जाता है, हालांकि बहुत कम मात्रा में, लेकिन भारी पानी की तुलना में तेज होता है।
जब प्राकृतिक पानी वाष्पित हो जाता है, तो न केवल ड्यूटेरियम, बल्कि भारी ऑक्सीजन की समस्थानिक सामग्री में भी संरचना बदल जाती है। वाष्प की समस्थानिक संरचना में इन परिवर्तनों का बहुत अच्छी तरह से अध्ययन किया जाता है, और तापमान पर उनकी निर्भरता का भी अच्छी तरह से अध्ययन किया जाता है।
हाल ही में, वैज्ञानिकों ने एक उल्लेखनीय प्रयोग किया है। आर्कटिक में, ग्रीनलैंड के उत्तर में एक विशाल ग्लेशियर की मोटाई में, एक बोरहोल बिछाया गया था और लगभग डेढ़ किलोमीटर लंबा एक विशाल बर्फ का कोर ड्रिल किया गया था और निकाला गया था। उस पर बढ़ती बर्फ की वार्षिक परतें स्पष्ट रूप से दिखाई दे रही थीं। इन परतों को कोर की पूरी लंबाई के साथ समस्थानिक विश्लेषण के अधीन किया गया था, और कोर के प्रत्येक खंड में वार्षिक बर्फ परतों के गठन का तापमान हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के भारी आइसोटोप - ड्यूटेरियम और 18O की सापेक्ष सामग्री से निर्धारित किया गया था। वार्षिक परत के गठन की तिथि प्रत्यक्ष पठन द्वारा निर्धारित की गई थी। इस प्रकार, एक सहस्राब्दी के दौरान पृथ्वी पर जलवायु की स्थिति बहाल हो गई थी। ग्रीनलैंड ग्लेशियर की गहरी परतों में पानी यह सब याद रखने और रिकॉर्ड करने में कामयाब रहा।
बर्फ की परतों के समस्थानिक विश्लेषण के परिणामस्वरूप, वैज्ञानिकों ने पृथ्वी पर एक जलवायु परिवर्तन वक्र बनाया है। यह पता चला कि हमारे देश में औसत तापमान धर्मनिरपेक्ष उतार-चढ़ाव के अधीन है। 15वीं सदी में, 17वीं सदी के अंत में बहुत ठंड थी। और XIX की शुरुआत में। सबसे गर्म वर्ष 1550 और 1930 थे।
फिर पानी की "स्मृति" का रहस्य क्या है?
तथ्य यह है कि हाल के वर्षों में, विज्ञान ने धीरे-धीरे कई आश्चर्यजनक और पूरी तरह से समझ से बाहर होने वाले तथ्यों को जमा किया है। उनमें से कुछ दृढ़ता से स्थापित हैं, अन्य को मात्रात्मक विश्वसनीय पुष्टि की आवश्यकता है, और वे सभी अभी भी उनके स्पष्टीकरण की प्रतीक्षा कर रहे हैं।
उदाहरण के लिए, अभी तक कोई नहीं जानता कि एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र से बहने वाले पानी का क्या होता है। सैद्धांतिक भौतिकविदों को पूरी तरह से यकीन है कि कुछ भी नहीं हो सकता है और नहीं, काफी विश्वसनीय सैद्धांतिक गणनाओं के साथ उनके विश्वास को मजबूत करता है, जिससे यह निम्नानुसार है कि चुंबकीय क्षेत्र की समाप्ति के बाद, पानी तुरंत अपनी पिछली स्थिति में वापस आ जाना चाहिए और जैसा रहना चाहिए था। और अनुभव बताता है कि यह बदलता है और अलग हो जाता है।
क्या कोई बड़ा अंतर है? अपने लिए जज। भाप बॉयलर में साधारण पानी से, घुले हुए लवण, बचकर, एक पत्थर की तरह घने और कठोर, बॉयलर पाइप की दीवारों पर परत में जमा हो जाते हैं, और चुम्बकित पानी (जैसा कि अब इसे प्रौद्योगिकी में कहा जाता है) से वे अवक्षेपित होते हैं पानी में निलंबित ढीली तलछट का रूप। ऐसा लगता है कि अंतर छोटा है। लेकिन यह दृष्टिकोण पर निर्भर करता है। थर्मल पावर प्लांट के श्रमिकों के अनुसार, यह अंतर अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि चुंबकीय पानी विशाल बिजली संयंत्रों के सामान्य और निर्बाध संचालन को सुनिश्चित करता है: भाप बॉयलरों के पाइप की दीवारें अधिक नहीं बढ़ती हैं, गर्मी हस्तांतरण अधिक होता है, और अधिक बिजली होती है। उत्पन्न। कई थर्मल पावर प्लांटों में चुंबकीय पानी की तैयारी लंबे समय से स्थापित है, लेकिन न तो इंजीनियरों और न ही वैज्ञानिकों को पता है कि यह कैसे और क्यों काम करता है। इसके अलावा, अनुभव से पता चला है कि पानी के चुंबकीय उपचार के बाद, इसमें क्रिस्टलीकरण, विघटन, सोखना की प्रक्रिया तेज हो जाती है, परिवर्तन गीला हो जाता है ... हालांकि, सभी मामलों में, प्रभाव छोटे और पुन: उत्पन्न करना मुश्किल होता है।
पानी पर एक चुंबकीय क्षेत्र की क्रिया (आवश्यक रूप से तेजी से बहने वाली) एक सेकंड के एक छोटे से अंश तक रहती है, और पानी इसे दसियों घंटों तक "याद रखता है"। अज्ञात क्यों है। इस लिहाज से अभ्यास विज्ञान से काफी आगे है। आखिरकार, यह आगे ज्ञात नहीं है कि वास्तव में चुंबकीय उपचार किस पर कार्य करता है - पानी पर या उसमें निहित अशुद्धियों पर। शुद्ध पानी जैसी कोई चीज नहीं होती।
पानी की "स्मृति" चुंबकीय प्रभाव के प्रभाव के संरक्षण तक सीमित नहीं है। विज्ञान में, कई तथ्य और अवलोकन मौजूद हैं और धीरे-धीरे जमा हो रहे हैं, यह दिखाते हुए कि पानी "याद" लगता है कि यह पहले जम गया था।
बर्फ के टुकड़े को पिघलाकर हाल ही में प्राप्त पिघला हुआ पानी भी उस पानी से अलग प्रतीत होता है जिससे बर्फ का यह टुकड़ा बना था। पिघले पानी में, बीज तेजी से और बेहतर अंकुरित होते हैं, अंकुर तेजी से विकसित होते हैं; आगे, जैसे कि पिघला हुआ पानी प्राप्त करने वाली मुर्गियां तेजी से बढ़ती और विकसित होती हैं। जीवविज्ञानियों द्वारा स्थापित पिघले पानी के अद्भुत गुणों के अलावा, विशुद्ध रूप से भौतिक और रासायनिक अंतर भी ज्ञात हैं, उदाहरण के लिए, पिघला हुआ पानी ढांकता हुआ स्थिरांक के मूल्य में चिपचिपाहट में भिन्न होता है। पिघले पानी की चिपचिपाहट पिघलने के 3-6 दिनों के बाद ही पानी के लिए अपना सामान्य मान ले लेती है। ऐसा क्यों है (यदि ऐसा है), कोई नहीं जानता।
अधिकांश शोधकर्ता इस घटना के क्षेत्र को पानी की "संरचनात्मक स्मृति" कहते हैं, यह मानते हुए कि इसके गुणों पर पानी के पिछले इतिहास के प्रभाव की इन सभी अजीब अभिव्यक्तियों को इसकी आणविक अवस्था की बारीक संरचना में बदलाव द्वारा समझाया गया है। शायद ऐसा है, लेकिन ... नाम देना वैसा नहीं है जैसा समझाना है। विज्ञान में अभी भी एक महत्वपूर्ण समस्या है: पानी क्यों और कैसे "याद रखता है" कि उसके साथ क्या हुआ।
पृथ्वी पर पानी कहाँ से आया?
हमेशा के लिए, सभी दिशाओं में ब्रह्मांड ब्रह्मांडीय किरणों की धाराओं द्वारा छेदा जाता है - भारी ऊर्जा वाले कणों की धाराएं। उनमें से अधिकांश में प्रोटॉन होते हैं - हाइड्रोजन परमाणुओं के नाभिक। अंतरिक्ष में अपनी गति में, हमारा ग्रह लगातार "प्रोटॉन बमबारी" के अधीन है। पृथ्वी के वायुमंडल की ऊपरी परतों में प्रवेश करते हुए, प्रोटॉन इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते हैं, हाइड्रोजन परमाणुओं में बदल जाते हैं और तुरंत पानी बनाने के लिए ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। गणना से पता चलता है कि हर साल इस तरह के "ब्रह्मांडीय" पानी का लगभग डेढ़ टन समताप मंडल में पैदा होता है। कम तापमान पर उच्च ऊंचाई पर, जल वाष्प की लोच बहुत कम होती है और पानी के अणु, धीरे-धीरे जमा होकर, ब्रह्मांडीय धूल के कणों पर संघनित होते हैं, जिससे रहस्यमयी चांदी के बादल बनते हैं। वैज्ञानिकों का सुझाव है कि उनमें सबसे छोटे बर्फ के क्रिस्टल होते हैं जो ऐसे "ब्रह्मांडीय" पानी से उत्पन्न हुए हैं। गणना से पता चला कि पूरे इतिहास में पृथ्वी पर इस तरह से दिखाई देने वाला पानी हमारे ग्रह के सभी महासागरों को जन्म देने के लिए पर्याप्त होगा। तो बाहरी अंतरिक्ष से पानी पृथ्वी पर आया? परंतु...
भू-रसायनविद पानी को स्वर्गीय अतिथि नहीं मानते हैं। वे आश्वस्त हैं कि उसका एक सांसारिक मूल है। पृथ्वी के मेंटल को बनाने वाली चट्टानें, जो पृथ्वी के केंद्रीय कोर और पृथ्वी की पपड़ी के बीच स्थित हैं, आइसोटोप के रेडियोधर्मी क्षय की संचित गर्मी के प्रभाव में स्थानों पर पिघल गईं। इनमें से, वाष्पशील घटक जारी किए गए: नाइट्रोजन, क्लोरीन, कार्बन यौगिक, सल्फर, अधिकांश जल वाष्प जारी किया गया।
हमारे ग्रह के पूरे अस्तित्व के दौरान सभी ज्वालामुखियों द्वारा कितने विस्फोट निकाले जा सकते थे?
इसका आंकलन वैज्ञानिकों ने किया है। यह पता चला कि इस तरह का "भूवैज्ञानिक" पानी भी सभी महासागरों को भरने के लिए पर्याप्त होगा।
हमारे ग्रह के मध्य भाग में, जो इसके केंद्र का निर्माण करता है, शायद पानी नहीं है। यह संभावना नहीं है कि वह वहां मौजूद हो सकती है। कुछ वैज्ञानिकों का मानना है कि आगे, यदि ऑक्सीजन और हाइड्रोजन दोनों वहां मौजूद हैं, तो वे, अन्य तत्वों के साथ, विज्ञान के लिए नए, उच्च घनत्व वाले यौगिकों के अज्ञात धातु जैसे रूपों का निर्माण करना चाहिए, जो उन भारी दबावों और तापमान पर स्थिर होते हैं ग्लोब का केंद्र ..
अन्य शोधकर्ताओं को यकीन है कि ग्लोब के मूल में लोहा है। जो वास्तव में हमसे इतना दूर नहीं है, हमारे पैरों के नीचे, 3 हजार किमी से अधिक की गहराई पर, अभी भी किसी के लिए अज्ञात है, लेकिन शायद वहां पानी नहीं है।
पृथ्वी के आँतों का अधिकांश जल इसके मेंटल-परतों में है जो पृथ्वी की पपड़ी के नीचे स्थित है और लगभग 3 हजार किमी की गहराई तक फैला हुआ है। भूवैज्ञानिकों का मानना है कि मेंटल में कम से कम 13 बिलियन क्यूबिक मीटर केंद्रित हैं। किमी पानी।
पृथ्वी के खोल की सबसे ऊपरी परत - पृथ्वी की पपड़ी में लगभग 1.5 बिलियन क्यूबिक मीटर है। किमी पानी। इन परतों का लगभग सारा पानी एक बाध्य अवस्था में है - यह चट्टानों और खनिजों का हिस्सा है, जो हाइड्रेट बनाते हैं। आप इस पानी में स्नान नहीं कर सकते और आप इसे नहीं पीएंगे।
जलमंडल - ग्लोब का जल कवच लगभग 1.5 बिलियन क्यूबिक मीटर से बना है। किमी पानी। यह राशि लगभग सभी महासागरों में निहित है। यह पूरी पृथ्वी की सतह का लगभग 70% भाग घेरता है, इसका क्षेत्रफल 360 मिलियन वर्ग मीटर से अधिक है। किमी. अंतरिक्ष से, हमारा ग्रह ग्लोब की तरह बिल्कुल नहीं दिखता है, बल्कि पानी के गोले जैसा दिखता है।
महासागर की औसत गहराई लगभग 4 किमी है। यदि हम इस "अथाह गहराई" की तुलना ग्लोब के आयामों से करते हैं, जिसका औसत व्यास किमी के बराबर है, तो इसके विपरीत, हमें यह स्वीकार करना होगा कि हम एक गीले ग्रह पर रहते हैं, यह केवल थोड़ा सिक्त है पानी के साथ, और फिर भी पूरी सतह पर नहीं। महासागरों और समुद्रों का पानी खारा है - आप इसे नहीं पी सकते।
जमीन पर बहुत कम पानी है: केवल लगभग 90 मिलियन क्यूबिक मीटर। किमी. इनमें से 60 मिलियन क्यूबिक मीटर से अधिक। किमी भूमिगत है, लगभग सारा पानी खारा है। लगभग 25 मिलियन क्यूबिक मीटर किमी ठोस जल पर्वतीय और हिमनद क्षेत्रों में, आर्कटिक में, ग्रीनलैंड में, अंटार्कटिका में स्थित है। ग्लोब पर ये जल भंडार आरक्षित हैं।
सभी झीलों, दलदलों, मानव निर्मित जलाशयों और मिट्टी में एक और 500 हजार क्यूबिक मीटर है। किमी पानी।
पानी भी वातावरण में मौजूद है। हवा में हमेशा होता है, यहां तक कि सबसे अधिक निर्जल रेगिस्तान में भी, जहां पानी की एक बूंद नहीं होती है और कभी बारिश नहीं होती है, और फिर बहुत अधिक जल वाष्प होता है। इसके अलावा, बादल हमेशा आकाश में तैरते हैं, बादल इकट्ठा होते हैं, बर्फ़ पड़ती है, बारिश होती है, कोहरा पृथ्वी पर फैल जाता है। वातावरण में पानी के इन सभी भंडारों की सटीक गणना की जाती है: इन सभी को मिलाकर, केवल 14 हजार क्यूबिक मीटर की मात्रा होती है। किमी.
बर्फ की क्रिस्टल संरचना: पानी के अणु नियमित हेक्सागोन्स में जुड़े होते हैं बर्फ की क्रिस्टल जाली: पानी के अणु एच 2 ओ (काली गेंद) इसके नोड्स में व्यवस्थित होते हैं ताकि प्रत्येक में चार पड़ोसी हों। पानी का अणु (केंद्र) चार निकटतम पड़ोसी अणुओं से बंधा हुआ हाइड्रोजन है। बर्फ पानी का क्रिस्टलीय संशोधन है। नवीनतम आंकड़ों के अनुसार, बर्फ में 14 संरचनात्मक संशोधन हैं। उनमें क्रिस्टलीय (वे बहुसंख्यक हैं) और अनाकार संशोधन दोनों हैं, लेकिन वे सभी पानी के अणुओं और गुणों की पारस्परिक व्यवस्था में एक दूसरे से भिन्न हैं। सच है, सब कुछ, सामान्य बर्फ को छोड़कर, जो हेक्सागोनल सिनगनी में क्रिस्टलीकृत होता है, बहुत कम तापमान और उच्च दबाव पर विदेशी परिस्थितियों में बनता है, जब पानी के अणु में हाइड्रोजन बांड के कोण बदलते हैं और हेक्सागोनल के अलावा अन्य सिस्टम बनते हैं। ऐसी स्थितियां ब्रह्मांडीय स्थितियों की याद दिलाती हैं और पृथ्वी पर नहीं पाई जाती हैं। उदाहरण के लिए, -110 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर, जल वाष्प एक धातु की प्लेट पर ऑक्टाहेड्रोन के रूप में अवक्षेपित होता है और कुछ नैनोमीटर आकार के क्यूब्स होते हैं, यह तथाकथित घन बर्फ है। यदि तापमान -110 डिग्री सेल्सियस से थोड़ा ऊपर है, और वाष्प की सांद्रता बहुत कम है, तो प्लेट पर असाधारण रूप से घने अनाकार बर्फ की एक परत बन जाती है। बर्फ की सबसे असामान्य संपत्ति बाहरी अभिव्यक्तियों की अद्भुत विविधता है। एक ही क्रिस्टल संरचना के साथ, यह पूरी तरह से अलग दिख सकता है, पारदर्शी ओलों और बर्फ के टुकड़े, भुलक्कड़ बर्फ के गुच्छे, बर्फ की घनी चमकदार परत, या विशाल हिमनदों का रूप ले सकता है।
स्नोफ्लेक बर्फ का एक एकल क्रिस्टल है - एक प्रकार का हेक्सागोनल क्रिस्टल, लेकिन गैर-संतुलन स्थितियों में जल्दी से उगाया जाता है। वैज्ञानिक सदियों से उनकी सुंदरता और अंतहीन विविधता के रहस्य से जूझ रहे हैं। बर्फ के टुकड़े का जीवन तापमान में गिरावट के साथ जल वाष्प के बादल में क्रिस्टलीय बर्फ के नाभिक के गठन के साथ शुरू होता है। क्रिस्टलीकरण का केंद्र धूल के कण, कोई भी ठोस कण या यहां तक कि आयन भी हो सकते हैं, लेकिन किसी भी मामले में, मिलीमीटर के दसवें हिस्से से छोटे इन बर्फ कणों में पहले से ही एक हेक्सागोनल क्रिस्टल जाली होती है। जल वाष्प, इन नाभिकों की सतह पर संघनित होता है, पहले एक छोटा हेक्सागोनल प्रिज्म बनाता है, जिसके छह कोनों से हम समान बर्फ की सुइयों को पार्श्व प्रक्रियाओं में विकसित करना शुरू करते हैं, क्योंकि भ्रूण के आसपास का तापमान और आर्द्रता भी समान होती है। उन पर, बदले में, एक पेड़ की तरह, शाखा की पार्श्व शाखाएं बढ़ती हैं। ऐसे क्रिस्टल को डेंड्राइट कहा जाता है, जो कि एक पेड़ के समान होता है। बादल में ऊपर और नीचे चलते हुए, बर्फ के टुकड़े विभिन्न तापमानों और जल वाष्प सांद्रता के साथ स्थितियों में प्रवेश करते हैं। हेक्सागोनल समरूपता के नियमों का पालन करते हुए इसका आकार बदल जाता है। तो बर्फ के टुकड़े अलग हो जाते हैं। अब तक, बर्फ के टुकड़ों के बीच दो समान हिमखंडों को खोजना संभव नहीं है।
बर्फ का रंग उसकी उम्र पर निर्भर करता है और उसकी ताकत का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। समुद्री बर्फ अपने जीवन के पहले वर्ष में सफेद होती है क्योंकि यह हवा के बुलबुले से संतृप्त होती है, जिसकी दीवारों से प्रकाश अवशोषित होने से पहले तुरंत परिलक्षित होता है। गर्मियों में, बर्फ की सतह पिघल जाती है, अपनी ताकत खो देती है, और शीर्ष पर पड़ी नई परतों के भार के तहत, हवा के बुलबुले सिकुड़ जाते हैं और पूरी तरह से गायब हो जाते हैं। बर्फ के अंदर का प्रकाश पहले की तुलना में अधिक दूरी तय करता है और नीले-हरे रंग के रूप में उभरता है। नीली बर्फ पुरानी, घनी और हवा से संतृप्त सफेद "झागदार" बर्फ से अधिक मजबूत होती है। ध्रुवीय खोजकर्ता इसे जानते हैं और अपने तैरते ठिकानों, वैज्ञानिक स्टेशनों और बर्फ के हवाई क्षेत्रों के लिए विश्वसनीय नीले और हरे रंग की बर्फ का चयन करते हैं। काले हिमखंड हैं। उनके बारे में पहली प्रेस रिपोर्ट 1773 में सामने आई। हिमखंडों का काला रंग ज्वालामुखियों की गतिविधि के कारण होता है - बर्फ ज्वालामुखीय धूल की एक मोटी परत से ढकी होती है, जो समुद्र के पानी से भी नहीं धुलती है। बर्फ समान रूप से ठंडी नहीं होती है। बहुत ठंडी बर्फ है, लगभग माइनस 60 डिग्री के तापमान के साथ, यह कुछ अंटार्कटिक ग्लेशियरों की बर्फ है। ग्रीनलैंड के हिमनदों की बर्फ अधिक गर्म होती है। इसका तापमान लगभग माइनस 28 डिग्री है। काफी "गर्म बर्फ" (लगभग 0 डिग्री के तापमान के साथ) आल्प्स और स्कैंडिनेवियाई पहाड़ों की चोटी पर स्थित है।
पानी का घनत्व +4 C पर अधिकतम होता है और 1 g/ml के बराबर होता है, यह घटते तापमान के साथ घटता जाता है। जब पानी क्रिस्टलीकृत होता है, तो घनत्व तेजी से कम हो जाता है, बर्फ के लिए यह 0.91 ग्राम / सेमी 3 के बराबर होता है। इसके कारण, बर्फ पानी की तुलना में हल्की होती है और जब जल निकाय जम जाते हैं, तो शीर्ष पर बर्फ जमा हो जाती है, और 4 के तापमान के साथ सघन पानी। सी जल निकायों के तल पर दिखाई देता है। बर्फ की खराब तापीय चालकता और इसे कवर करने वाला बर्फ का आवरण जल निकायों को नीचे तक जमने से बचाता है और इस तरह सर्दियों में जल निकायों के निवासियों के जीवन के लिए स्थितियां बनाता है।
ग्लेशियर, बर्फ की चादरें, पर्माफ्रॉस्ट, मौसमी बर्फ का आवरण बड़े क्षेत्रों और पूरे ग्रह की जलवायु को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है: यहां तक कि जिन लोगों ने कभी बर्फ नहीं देखी है, वे पृथ्वी के ध्रुवों पर जमा हुए इसके द्रव्यमान की सांस को महसूस करते हैं, उदाहरण के लिए, के रूप में लंबी अवधि के स्तर में उतार-चढ़ाव विश्व महासागर। बर्फ हमारे ग्रह की उपस्थिति और उस पर जीवित प्राणियों के आरामदायक आवास के लिए इतना महत्वपूर्ण है कि वैज्ञानिकों ने इसके लिए एक विशेष वातावरण - क्रायोस्फीयर सौंपा है, जो अपनी संपत्ति को वायुमंडल में और पृथ्वी की पपड़ी में गहराई तक फैलाता है। प्राकृतिक बर्फ आमतौर पर पानी से ज्यादा साफ होती है क्योंकि बर्फ में पदार्थों (NH4F को छोड़कर) की घुलनशीलता बेहद कम है। पृथ्वी पर कुल बर्फ का भंडार लगभग 30 मिलियन किमी है। अधिकांश बर्फ अंटार्कटिका में केंद्रित है, जहाँ इसकी परत की मोटाई 4 किमी तक पहुँच जाती है।
पानी एक परिचित और असामान्य पदार्थ है। हमारे ग्रह की सतह के लगभग 3/4 भाग पर महासागरों और समुद्रों का कब्जा है। ठोस पानी - बर्फ और बर्फ - 20% भूमि को कवर करता है। ग्रह की जलवायु पानी पर निर्भर करती है। भूभौतिकीविद् कहते हैं कि पानी के लिए नहीं तो धरती बहुत पहले ठंडी हो जाती और पत्थर के बेजान टुकड़े में बदल जाती।उसके पास बहुत अधिक गर्मी क्षमता है। गर्म होने पर, यह गर्मी को अवशोषित करता है; ठंडा करता है, देता है। स्थलीय जल बहुत अधिक गर्मी को अवशोषित और लौटाता है और इस प्रकार जलवायु को "स्तर" करता है। और पानी के वे अणु जो वायुमंडल में बिखरे हुए हैं - बादलों में और वाष्प के रूप में पृथ्वी को ब्रह्मांडीय ठंड से बचाते हैं।
डीएनए के बाद प्रकृति में सबसे रहस्यमय पदार्थ है पानी,अद्वितीय गुण रखते हैं जिन्हें न केवल अभी तक पूरी तरह से समझाया गया है, बल्कि सभी से बहुत दूर जाना जाता है। जितना अधिक समय तक इसका अध्ययन किया जाता है, उतनी ही नई विसंगतियाँ और रहस्य उसमें पाए जाते हैं। इनमें से अधिकांश विसंगतियाँ, जो पृथ्वी पर जीवन की संभावना प्रदान करती हैं, को पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड की उपस्थिति द्वारा समझाया गया है, जो अन्य पदार्थों के अणुओं के बीच वैन डेर वाल्स आकर्षण बलों की तुलना में बहुत अधिक मजबूत हैं, लेकिन परिमाण का एक क्रम कमजोर है। अणुओं में परमाणुओं के बीच आयनिक और सहसंयोजक बंधनों की तुलना में। वही हाइड्रोजन बांड डीएनए अणु में भी मौजूद होते हैं।
पानी के अणु (H 2 16 O) में दो हाइड्रोजन परमाणु (H) और एक ऑक्सीजन परमाणु (16 O) होते हैं। यह पता चला है कि पानी के लगभग सभी प्रकार के गुण और उनकी अभिव्यक्ति की असामान्य प्रकृति अंततः इन परमाणुओं की भौतिक प्रकृति द्वारा निर्धारित की जाती है, जिस तरह से वे एक अणु में संयुक्त होते हैं और परिणामी अणुओं का समूह होता है।
चावल। जल अणु की संरचना . H2O मोनोमर की ज्यामितीय योजना (ए), फ्लैट मॉडल (बी), और स्थानिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना (सी)। ऑक्सीजन परमाणु के बाहरी आवरण के चार इलेक्ट्रॉनों में से दो हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधों के निर्माण में भाग लेते हैं, और अन्य दो अत्यधिक लम्बी इलेक्ट्रॉन कक्षाओं का निर्माण करते हैं, जिनका तल H-O-H तल के लंबवत होता है।
पानी के अणु H2O को एक त्रिभुज के रूप में बनाया गया है: दो ऑक्सीजन-हाइड्रोजन बंधों के बीच का कोण 104 डिग्री है। लेकिन चूंकि दोनों हाइड्रोजन परमाणु ऑक्सीजन के एक ही तरफ स्थित होते हैं, इसलिए इसमें विद्युत आवेश बिखर जाते हैं। पानी का अणु ध्रुवीय होता है, जो इसके विभिन्न अणुओं के बीच विशेष अंतःक्रिया का कारण होता है। एच 2 ओ अणु में हाइड्रोजन परमाणु, आंशिक सकारात्मक चार्ज वाले, पड़ोसी अणुओं के ऑक्सीजन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करते हैं। ऐसे रासायनिक बंध को हाइड्रोजन आबंध कहते हैं। यह एच 2 ओ अणुओं को स्थानिक संरचना के अजीबोगरीब सहयोगियों में जोड़ता है; जिस तल में हाइड्रोजन बंध स्थित होते हैं, वह उसी H2O अणु के परमाणुओं के तल के लंबवत होता है। पानी के अणुओं के बीच परस्पर क्रिया मुख्य रूप से इसके पिघलने और उबलने के अनियमित उच्च तापमान की व्याख्या करती है। हाइड्रोजन बांड को ढीला करने और फिर तोड़ने के लिए अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। और यह ऊर्जा बहुत महत्वपूर्ण है। इसीलिए पानी की ऊष्मा क्षमता इतनी अधिक होती है।
पानी के अणु में दो ध्रुवीय H–O सहसंयोजक बंध होते हैं। वे एक ऑक्सीजन परमाणु के दो एक-इलेक्ट्रॉन पी-बादलों और दो हाइड्रोजन परमाणुओं के एक-इलेक्ट्रॉन एस-बादलों के ओवरलैप के कारण बनते हैं।
हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना के अनुसार, पानी के अणु में चार इलेक्ट्रॉन जोड़े होते हैं। उनमें से दो दो हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधों के निर्माण में शामिल हैं, अर्थात्। बाध्यकारी हैं। अन्य दो इलेक्ट्रॉन जोड़े मुक्त हैं - बंधन नहीं। वे एक इलेक्ट्रॉन बादल बनाते हैं। बादल अमानवीय है - इसमें व्यक्तिगत सांद्रता और दुर्लभता को अलग करना संभव है।
पानी के अणु में आवेश के चार ध्रुव होते हैं: दो धनात्मक और दो ऋणात्मक। धनात्मक आवेश हाइड्रोजन परमाणुओं पर केंद्रित होते हैं, क्योंकि ऑक्सीजन हाइड्रोजन की तुलना में अधिक विद्युतीय है। दो नकारात्मक ध्रुव ऑक्सीजन के दो गैर-बंधन इलेक्ट्रॉन जोड़े पर गिरते हैं।
ऑक्सीजन नाभिक में इलेक्ट्रॉन घनत्व की अधिकता उत्पन्न होती है। ऑक्सीजन की आंतरिक इलेक्ट्रॉन जोड़ी समान रूप से नाभिक को फ्रेम करती है: इसे केंद्र के साथ एक सर्कल द्वारा योजनाबद्ध रूप से दर्शाया जाता है - ओ 2 - नाभिक। चार बाहरी इलेक्ट्रॉनों को दो इलेक्ट्रॉन जोड़े में समूहीकृत किया जाता है, जो नाभिक की ओर गुरुत्वाकर्षण करते हैं, लेकिन आंशिक रूप से मुआवजा नहीं दिया जाता है। योजनाबद्ध रूप से, इन युग्मों के कुल इलेक्ट्रॉनिक ऑर्बिटल्स को दीर्घवृत्त के रूप में दिखाया जाता है, जो एक सामान्य केंद्र - O 2-नाभिक से लम्बा होता है। शेष दो ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉनों में से प्रत्येक एक हाइड्रोजन इलेक्ट्रॉन के साथ जुड़ता है। ये वाष्प भी ऑक्सीजन कोर की ओर बढ़ते हैं। इसलिए, हाइड्रोजन नाभिक - प्रोटॉन - कुछ नंगे हैं, और यहाँ इलेक्ट्रॉन घनत्व की कमी है।
इस प्रकार, पानी के अणु में आवेशों के चार ध्रुव प्रतिष्ठित होते हैं:दो ऋणात्मक (ऑक्सीजन नाभिक के क्षेत्र में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन घनत्व) और दो धनात्मक (दो हाइड्रोजन नाभिकों में इलेक्ट्रॉन घनत्व की कमी)। अधिक स्पष्टता के लिए, कोई कल्पना कर सकता है कि ध्रुव एक विकृत टेट्राहेड्रोन के शीर्षों पर कब्जा कर लेते हैं, जिसके केंद्र में एक ऑक्सीजन नाभिक होता है।
चावल। पानी के अणु की संरचना: ए - ओ-एच बांड के बीच का कोण; बी - चार्ज पोल का स्थान; सी - पानी के अणु के इलेक्ट्रॉन बादल की उपस्थिति।
लगभग गोलाकार पानी के अणु में स्पष्ट रूप से स्पष्ट ध्रुवता होती है, क्योंकि इसमें विद्युत आवेश विषम रूप से स्थित होते हैं। प्रत्येक जल अणु एक लघु द्विध्रुव है जिसका उच्च द्विध्रुव आघूर्ण 1.87 debay है। डेबी विद्युत द्विध्रुव 3.33564·10 30 C·m की एक ऑफ-सिस्टम इकाई है। पानी के द्विध्रुव के प्रभाव में, इसमें डूबे पदार्थ की सतह पर अंतर-परमाणु या अंतर-आणविक बल 80 गुना कमजोर हो जाते हैं। दूसरे शब्दों में, पानी में एक उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक होता है, जो हमें ज्ञात किसी भी यौगिक से सबसे अधिक होता है।
इसके कारण ही जल एक सार्वत्रिक विलायक के रूप में प्रकट होता है। ठोस, तरल पदार्थ और गैसें एक डिग्री या किसी अन्य तक इसकी घुलने की क्रिया के अधीन हैं।
जल की विशिष्ट ऊष्मा धारिता सभी पदार्थों में सबसे अधिक होती है। इसके अलावा, यह बर्फ की तुलना में 2 गुना अधिक है, जबकि अधिकांश सरल पदार्थों (उदाहरण के लिए, धातु) के लिए गर्मी क्षमता व्यावहारिक रूप से पिघलने के दौरान नहीं बदलती है, और पॉलीएटोमिक अणुओं से पदार्थों के लिए, एक नियम के रूप में, यह पिघलने के दौरान घट जाती है।
अणु की संरचना का ऐसा विचार पानी के कई गुणों, विशेष रूप से बर्फ की संरचना की व्याख्या करना संभव बनाता है। बर्फ की क्रिस्टल जाली में, प्रत्येक अणु चार अन्य से घिरा होता है। एक तलीय छवि में, इसे निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:
अणुओं के बीच संचार हाइड्रोजन परमाणु के माध्यम से किया जाता है। पानी के एक अणु का धनावेशित हाइड्रोजन परमाणु दूसरे जल अणु के ऋणावेशित ऑक्सीजन परमाणु की ओर आकर्षित होता है। इस तरह के बंधन को हाइड्रोजन बंधन कहा जाता है (इसे डॉट्स द्वारा दर्शाया जाता है)। ताकत के संदर्भ में, एक हाइड्रोजन बंधन एक सहसंयोजक बंधन से लगभग 15-20 गुना कमजोर होता है। इसलिए, हाइड्रोजन बंधन आसानी से टूट जाता है, जो देखा जाता है, उदाहरण के लिए, पानी के वाष्पीकरण के दौरान।
चावल। बायां - पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड
तरल पानी की संरचना बर्फ जैसी होती है। तरल पानी में, अणु भी हाइड्रोजन बांड के माध्यम से एक दूसरे से जुड़े होते हैं, लेकिन पानी की संरचना बर्फ की तुलना में कम "कठोर" होती है। पानी में अणुओं की ऊष्मीय गति के कारण, कुछ हाइड्रोजन बांड टूट जाते हैं, अन्य बनते हैं।
चावल। बर्फ क्रिस्टल जाली। पानी के अणु एच 2 ओ (काली गेंदें) इसके नोड्स में स्थित हैं ताकि प्रत्येक में चार "पड़ोसी" हों।
पानी के अणुओं की ध्रुवीयता, उनमें आंशिक रूप से असंबद्ध विद्युत आवेशों की उपस्थिति, अणुओं को बढ़े हुए "समुदायों" - सहयोगियों में समूहित करने की प्रवृत्ति को जन्म देती है। यह पता चला है कि वाष्प अवस्था में केवल पानी ही पूरी तरह से सूत्र H2O से मेल खाता है। यह जल वाष्प के आणविक भार को निर्धारित करने के परिणामों द्वारा दिखाया गया था। तापमान में 0 से 100 डिग्री सेल्सियस तक, व्यक्तिगत (मोनोमेरिक अणुओं) तरल पानी की एकाग्रता 1% से अधिक नहीं होती है। अन्य सभी पानी के अणुओं को जटिलता की अलग-अलग डिग्री के सहयोगियों में जोड़ा जाता है, और उनकी संरचना को सामान्य सूत्र (एच 2 ओ) एक्स द्वारा वर्णित किया जाता है।
सहयोगियों के बनने का तात्कालिक कारण पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड है। वे कुछ अणुओं के हाइड्रोजन नाभिक और अन्य पानी के अणुओं के ऑक्सीजन नाभिक के इलेक्ट्रॉनिक "क्लंप" के बीच उत्पन्न होते हैं। सच है, ये बंधन "मानक" इंट्रामोल्युलर रासायनिक बंधनों से दस गुना कमजोर हैं, और सामान्य आणविक आंदोलन उन्हें नष्ट करने के लिए पर्याप्त हैं। लेकिन थर्मल कंपन के प्रभाव में, इस प्रकार के नए बंधन भी आसानी से उत्पन्न होते हैं। सहयोगियों के उद्भव और क्षय को योजना द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:
एक्स एच 2 ओ↔ (एच 2 ओ) एक्स
चूंकि प्रत्येक पानी के अणु में इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स एक टेट्राहेड्रल संरचना बनाते हैं, हाइड्रोजन बांड टेट्राहेड्रल समन्वित सहयोगियों के रूप में पानी के अणुओं की व्यवस्था का आदेश दे सकते हैं।
अधिकांश शोधकर्ता तरल पानी की असामान्य रूप से उच्च ताप क्षमता की व्याख्या इस तथ्य से करते हैं कि जब बर्फ पिघलती है, तो इसकी क्रिस्टल संरचना तुरंत नष्ट नहीं होती है। तरल पानी में, अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड संरक्षित होते हैं। यह वैसे ही बना रहता है, जैसे बर्फ के टुकड़े - बड़ी या छोटी संख्या में पानी के अणुओं से जुड़े होते हैं। हालांकि, बर्फ के विपरीत, प्रत्येक सहयोगी लंबे समय तक मौजूद नहीं रहता है। सदा किसी का विनाश होता है तो किसी का संग बन जाता है। पानी में प्रत्येक तापमान मान पर, इस प्रक्रिया में अपना गतिशील संतुलन स्थापित होता है। और जब पानी गर्म किया जाता है, तो गर्मी का कुछ हिस्सा सहयोगियों में हाइड्रोजन बांड को तोड़ने पर खर्च होता है। ऐसे में प्रत्येक बॉन्ड को तोड़ने पर 0.26-0.5 eV खर्च होता है। यह अन्य पदार्थों के पिघलने की तुलना में पानी की असामान्य रूप से उच्च ताप क्षमता की व्याख्या करता है जो हाइड्रोजन बांड नहीं बनाते हैं। जब ऐसे गलनों को गर्म किया जाता है, तो ऊर्जा केवल उनके परमाणुओं या अणुओं को तापीय गतियों को संप्रेषित करने पर खर्च की जाती है। पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन पूरी तरह से तभी टूटते हैं जब पानी भाप में जाता है। इस दृष्टिकोण की शुद्धता इस तथ्य से भी इंगित होती है कि 100 डिग्री सेल्सियस पर जल वाष्प की विशिष्ट गर्मी व्यावहारिक रूप से 0 डिग्री सेल्सियस पर बर्फ की विशिष्ट गर्मी के साथ मेल खाती है।
नीचे चित्र:
सहयोगी का प्राथमिक संरचनात्मक तत्व क्लस्टर है: चावल। एक अलग काल्पनिक जल समूह। अलग समूह पानी के अणुओं के सहयोगी बनाते हैं (एच 2 ओ) x: चावल। पानी के अणुओं के समूह सहयोगी बनाते हैं।
पानी की असामान्य रूप से उच्च ताप क्षमता की प्रकृति पर एक और दृष्टिकोण है। प्रोफ़ेसर जी. एन. ज़त्सेपिना ने कहा कि पानी की मोलर ताप क्षमता, जो 18 कैलोरी/(मोलग्रेड) है, त्रिपरमाण्विक क्रिस्टल वाले ठोस पिंड की सैद्धांतिक दाढ़ ताप क्षमता के बिल्कुल बराबर है। और डुलोंग और पेटिट के नियम के अनुसार, पर्याप्त रूप से उच्च तापमान पर सभी रासायनिक रूप से सरल (मोनाटॉमिक) क्रिस्टलीय निकायों की परमाणु ताप क्षमता समान और 6 cal Dmol o deg के बराबर होती है)। और त्रिकोणीय लोगों के लिए, जिनमें से 3 एन क्रिस्टल जाली वाले चने हैं, - 3 गुना अधिक। (यहाँ N a अवोगाद्रो की संख्या है)।
यह इस प्रकार है कि पानी, जैसा कि था, एक क्रिस्टलीय निकाय है जिसमें त्रिपरमाण्विक एच 2 0 अणु होते हैं। यह पानी के सामान्य विचार से मेल खाता है जो क्रिस्टल जैसे सहयोगियों के मिश्रण के रूप में मुक्त एच 2 ओ पानी के अणुओं के एक छोटे से मिश्रण के साथ होता है। उनके बीच, जिसकी संख्या बढ़ते तापमान के साथ बढ़ती जाती है। इस दृष्टिकोण से, यह आश्चर्यजनक नहीं है कि तरल पानी की उच्च ताप क्षमता है, लेकिन ठोस बर्फ की कम गर्मी क्षमता है। ठंड के दौरान पानी की विशिष्ट गर्मी में कमी को बर्फ के कठोर क्रिस्टल जाली में परमाणुओं के अनुप्रस्थ थर्मल कंपन की अनुपस्थिति से समझाया जाता है, जहां हाइड्रोजन बंधन का कारण बनने वाले प्रत्येक प्रोटॉन में तीन के बजाय थर्मल कंपन के लिए केवल एक डिग्री स्वतंत्रता होती है।
लेकिन पानी की गर्मी क्षमता में इतने बड़े बदलाव किस वजह से और कैसे हो सकते हैं, बिना दबाव में बदलाव के? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, आइए मिलते हैं पानी की संरचना के बारे में भूवैज्ञानिक और खनिज विज्ञान यू। ए। कोल्यास्निकोव के उम्मीदवार की परिकल्पना के साथ।
वह बताते हैं कि 1932 में हाइड्रोजन बांड के खोजकर्ता जे। बर्नाल और आर। फाउलर ने भी क्वार्ट्ज की क्रिस्टल संरचना के साथ तरल पानी की संरचना की तुलना की, और ऊपर वर्णित सहयोगी मुख्य रूप से 4H 2 0 टेट्रामर हैं, जिसमें चार अणु पानी हैं। बारह आंतरिक हाइड्रोजन बांड के साथ एक कॉम्पैक्ट टेट्राहेड्रोन में जुड़ा हुआ है। नतीजतन, एक टेट्राहेड्रल पिरामिड बनता है - एक टेट्राहेड्रोन।
साथ ही, इन टेट्रामर्स में हाइड्रोजन बॉन्ड दाएं हाथ और बाएं हाथ के अनुक्रम दोनों बना सकते हैं, जैसे व्यापक क्वार्ट्ज (Si0 2) के क्रिस्टल, जिसमें टेट्राहेड्रल संरचना भी होती है, दाएं हाथ और बाएं हाथ के क्रिस्टलीय में आते हैं रूप। चूंकि ऐसे प्रत्येक जल टेट्रामर में चार अप्रयुक्त बाहरी हाइड्रोजन बांड (जैसे एक पानी के अणु) होते हैं, टेट्रामर्स को इन बाहरी बांडों द्वारा डीएनए अणु की तरह एक प्रकार की बहुलक श्रृंखलाओं में जोड़ा जा सकता है। और चूंकि केवल चार बाहरी बंधन हैं, और तीन गुना अधिक आंतरिक हैं, यह तरल पानी में भारी और मजबूत टेट्रामर्स को थर्मल कंपन से कमजोर इन बाहरी हाइड्रोजन बांडों को मोड़ने, मोड़ने और यहां तक कि तोड़ने की अनुमति देता है। यही कारण है कि पानी का बहाव होता है।
कोल्यास्निकोव के अनुसार, पानी की संरचना केवल तरल अवस्था में होती है और संभवतः आंशिक रूप से वाष्प अवस्था में होती है। लेकिन बर्फ में, जिसकी क्रिस्टल संरचना का अच्छी तरह से अध्ययन किया जाता है, टेट्राहाइड्रोल अनम्य समान-शक्ति वाले प्रत्यक्ष हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा एक ओपनवर्क फ्रेम में बड़े voids के साथ जुड़े होते हैं, जिससे बर्फ का घनत्व पानी के घनत्व से कम हो जाता है।
चावल। बर्फ की क्रिस्टल संरचना: पानी के अणु नियमित षट्भुज में जुड़े होते हैं
जब बर्फ पिघलती है, तो उसमें मौजूद कुछ हाइड्रोजन बांड कमजोर हो जाते हैं और झुक जाते हैं, जिससे ऊपर वर्णित टेट्रामर्स में संरचना की पुनर्व्यवस्था हो जाती है और तरल पानी बर्फ की तुलना में सघन हो जाता है। 4 डिग्री सेल्सियस पर, एक राज्य तब सेट होता है जब टेट्रामर्स के बीच सभी हाइड्रोजन बांड अधिकतम रूप से मुड़े होते हैं, जो इस तापमान पर पानी का अधिकतम घनत्व निर्धारित करता है। आगे के कनेक्शन झुकने के लिए कहीं नहीं हैं।
4 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर, टेट्रामर्स के बीच अलग-अलग बंधनों का टूटना शुरू हो जाता है, और 36-37 डिग्री सेल्सियस पर बाहरी हाइड्रोजन बांडों का आधा हिस्सा टूट जाता है। यह तापमान पर पानी की विशिष्ट ताप क्षमता की निर्भरता वक्र पर न्यूनतम निर्धारित करता है। 70 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, लगभग सभी इंटरटेट्रामर बांड पहले ही टूट चुके हैं, और मुक्त टेट्रामर्स के साथ, उनमें से "पॉलीमेरिक" श्रृंखलाओं के केवल छोटे टुकड़े पानी में रहते हैं। अंत में, जब पानी उबलता है, तो एच 2 0 के अलग-अलग अणुओं में अब एकल टेट्रामर्स का अंतिम टूटना होता है। और यह तथ्य कि पानी के वाष्पीकरण की विशिष्ट गर्मी बर्फ के पिघलने और उसके बाद के विशिष्ट तापों के योग से ठीक 3 गुना अधिक है। पानी को 100 ° C तक गर्म करने से कोल्यास्निकोव की धारणा की पुष्टि होती है। कि टेट्रामर में आंतरिक बंधों की संख्या बाहरी बंधों की संख्या से 3 गुना अधिक है।
पानी की इस तरह की टेट्राहेड्रल पेचदार संरचना पृथ्वी की पपड़ी में प्रचलित क्वार्ट्ज और अन्य सिलिकॉन-ऑक्सीजन खनिजों के साथ इसके प्राचीन रियोलॉजिकल संबंध के कारण हो सकती है, जिसकी गहराई से पानी एक बार पृथ्वी पर दिखाई देता था। जिस तरह नमक का एक छोटा क्रिस्टल अपने आस-पास के घोल को उसके जैसे क्रिस्टल में क्रिस्टलीकृत करने का कारण बनता है, न कि दूसरों में, उसी तरह क्वार्ट्ज ने पानी के अणुओं को टेट्राहेड्रल संरचनाओं में पंक्तिबद्ध किया, जो सबसे ऊर्जावान रूप से अनुकूल हैं। और हमारे युग में पृथ्वी के वायुमंडल में, जल वाष्प, बूंदों में संघनित होकर, ऐसी संरचना बनाता है क्योंकि वायुमंडल में हमेशा एरोसोल पानी की छोटी-छोटी बूंदें होती हैं जिनमें पहले से ही यह संरचना होती है। ये वायुमण्डल में जलवाष्प के संघनन के केन्द्र हैं। नीचे टेट्राहेड्रोन पर आधारित संभावित चेन सिलिकेट संरचनाएं हैं, जो पानी के टेट्राहेड्रा से भी बनी हो सकती हैं।
चावल। प्राथमिक नियमित सिलिकॉन-ऑक्सीजन टेट्राहेड्रोन SiO 4 4-।
चावल। प्राथमिक सिलिकॉन-ऑक्सीजन इकाइयां-ऑर्थो समूह SiO 4 4- Mg-pyroxene enstatite (a) की संरचना में और Diortho समूह Si 2 O 7 6- Ca-pyroxenoid Wollastonite (b) में।
चावल। द्वीप सिलिकॉन-ऑक्सीजन आयनिक समूह के सबसे सरल प्रकार: ए-एसआईओ 4, बी-सी 2 ओ 7, सी-सी 3 ओ 9, जी-सी 4 ओ 12, ई-सी 6 ओ 18।
चावल। नीचे - सिलिकॉन-ऑक्सीजन श्रृंखला के सबसे महत्वपूर्ण प्रकार के आयनिक समूह (बेलोव के अनुसार): ए-मेटाजरमैनेट, बी - पाइरोक्सिन, सी - बैटिसाइट, जी-वोलास्टोनाइट, डी-व्लासोवाइट, ई-मेलिलिटिक, जी-रोडोनाइट, एस-पाइरोक्समैंगिटिक , एन-मेटाफॉस्फेट, के - फ्लोरोबेरीलेट, एल - बैरीलाइट।
चावल। नीचे - पाइरोक्सिन सिलिकॉन-ऑक्सीजन आयनों का सेलुलर दो-पंक्ति एम्फ़िबोल (ए), तीन-पंक्ति एम्फ़िबोल-जैसे (बी), स्तरित तालक और संबंधित आयनों (सी) में संघनन।
चावल। नीचे - सबसे महत्वपूर्ण प्रकार के रिबन सिलिकॉन-ऑक्सीजन समूह (बेलोव के अनुसार): ए - सिलिमेनाइट, एम्फीबोल, एक्सोनोलाइट; बी-एपिडीडिमाइटिस; एस-ऑर्थोक्लेज़; जी-नारसरसुकाइट; डी-फेनासाइट प्रिज्मीय; ई-यूक्लेज जड़ा हुआ।
चावल। दाईं ओर - मस्कोवाइट KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 की स्तरित क्रिस्टल संरचना का एक टुकड़ा (प्राथमिक पैकेज) बड़े एल्यूमीनियम और पोटेशियम केशन की पॉलीहेड्रल परतों के साथ एल्युमिनोसिलिकॉन-ऑक्सीजन नेटवर्क के इंटरलेयरिंग को दर्शाता है, जो डीएनए श्रृंखला की याद दिलाता है। .
जल संरचना के अन्य मॉडल भी संभव हैं। चतुष्फलकीय रूप से बंधे पानी के अणु स्थिर संरचना की अजीबोगरीब श्रृंखलाएं बनाते हैं। शोधकर्ता जल द्रव्यमान के "आंतरिक संगठन" के अधिक से अधिक सूक्ष्म और जटिल तंत्र की खोज कर रहे हैं। बर्फ जैसी संरचना, तरल पानी और मोनोमेरिक अणुओं के अलावा, संरचना के तीसरे तत्व, गैर-टेट्राहेड्रल का भी वर्णन किया गया है।
पानी के अणुओं का एक निश्चित हिस्सा त्रि-आयामी ढांचे में नहीं, बल्कि रैखिक रिंग संघों में जुड़ा होता है। छल्ले, जब समूहीकृत होते हैं, तो सहयोगियों के और भी जटिल परिसर बनते हैं।
इस प्रकार, पानी सैद्धांतिक रूप से एक डीएनए अणु की तरह श्रृंखला बना सकता है, जिसकी चर्चा नीचे की जाएगी। इस परिकल्पना में, यह भी दिलचस्प है कि इसका तात्पर्य दाएं और बाएं हाथ के पानी के अस्तित्व की समानता से है। लेकिन जीवविज्ञानियों ने लंबे समय से देखा है कि जैविक ऊतकों और संरचनाओं में, केवल बाएं या दाएं हाथ की संरचनाएं देखी जाती हैं। इसका एक उदाहरण प्रोटीन अणु हैं जो केवल बाएं हाथ के अमीनो एसिड से निर्मित होते हैं और केवल बाएं हाथ के हेलिक्स में मुड़ जाते हैं। लेकिन वन्यजीवों में शर्करा सभी दाहिने हाथ के होते हैं। कोई भी अभी तक यह नहीं बता पाया है कि वन्यजीवों में कुछ मामलों में वामपंथ को और दूसरों में दक्षिणपंथ को इतनी प्राथमिकता क्यों दी जाती है। दरअसल, निर्जीव प्रकृति में, दाएं और बाएं हाथ के अणु समान संभावना के साथ पाए जाते हैं।
सौ साल से भी अधिक समय पहले, प्रसिद्ध फ्रांसीसी प्रकृतिवादी लुई पाश्चर ने पाया कि पौधों और जानवरों में कार्बनिक यौगिक वैकल्पिक रूप से असममित होते हैं - वे उन पर पड़ने वाले प्रकाश के ध्रुवीकरण के विमान को घुमाते हैं। सभी अमीनो एसिड जो जानवरों और पौधों को बनाते हैं, ध्रुवीकरण के विमान को बाईं ओर और सभी शर्करा को दाईं ओर घुमाते हैं। यदि हम एक ही रासायनिक संरचना के यौगिकों को संश्लेषित करते हैं, तो उनमें से प्रत्येक में समान संख्या में बाएं और दाएं हाथ के अणु होंगे।
जैसा कि आप जानते हैं, सभी जीवित जीव प्रोटीन से बने होते हैं, और वे बदले में अमीनो एसिड से बने होते हैं। विभिन्न अनुक्रमों में एक दूसरे से जुड़ते हुए, अमीनो एसिड लंबी पेप्टाइड श्रृंखला बनाते हैं जो जटिल प्रोटीन अणुओं में स्वतः "मोड़" जाते हैं। कई अन्य कार्बनिक यौगिकों की तरह, अमीनो एसिड में चिरल समरूपता (ग्रीक काइरोस - हाथ से) होती है, अर्थात, वे दो दर्पण-सममित रूपों में मौजूद हो सकते हैं, जिन्हें "एनेंटिओमर्स" कहा जाता है। ऐसे अणु एक दूसरे के समान होते हैं, जैसे बाएं और दाएं हाथ, इसलिए उन्हें डी- और एल-अणु (लैटिन डेक्सटर से, लावस - दाएं और बाएं) कहा जाता है।
अब कल्पना कीजिए कि बाएँ और दाएँ अणुओं वाला माध्यम केवल बाएँ या केवल दाएँ अणुओं वाली अवस्था में चला गया है। विशेषज्ञ ऐसे वातावरण को चिरली (ग्रीक शब्द "हीरा" - हाथ से) कहते हैं। जीवों का स्व-प्रजनन (बायोपोइज़िस - डी। बर्नाल की परिभाषा के अनुसार) केवल ऐसे वातावरण में उत्पन्न और बनाए रखा जा सकता है।
चावल। प्रकृति में दर्पण समरूपता
Enantiomeric अणुओं का दूसरा नाम - "दाएं हाथ" और "बाएं हाथ" - विभिन्न दिशाओं में प्रकाश के ध्रुवीकरण के विमान को घुमाने की उनकी क्षमता से आता है। यदि रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश ऐसे अणुओं के एक समाधान के माध्यम से पारित किया जाता है, तो इसका ध्रुवीकरण का विमान घूमता है: दक्षिणावर्त अगर समाधान में अणु सही हैं, और वामावर्त अगर वे छोड़े गए हैं। और समान मात्रा में डी- और एल-रूपों के मिश्रण में (इसे "रेसमेट" कहा जाता है), प्रकाश अपने मूल रैखिक ध्रुवीकरण को बनाए रखेगा। चिरल अणुओं की इस ऑप्टिकल संपत्ति की खोज सबसे पहले लुई पाश्चर ने 1848 में की थी।
यह उत्सुक है कि लगभग सभी प्राकृतिक प्रोटीन में केवल बाएं हाथ के अमीनो एसिड होते हैं। यह तथ्य और भी आश्चर्यजनक है क्योंकि प्रयोगशाला परिस्थितियों में अमीनो एसिड का संश्लेषण लगभग समान संख्या में दाएं और बाएं अणुओं का उत्पादन करता है। यह पता चला है कि यह विशेषता न केवल अमीनो एसिड के पास है, बल्कि जीवित प्रणालियों के लिए महत्वपूर्ण कई अन्य पदार्थों द्वारा भी है, और प्रत्येक के पास पूरे जीवमंडल में दर्पण समरूपता का एक कड़ाई से परिभाषित संकेत है। उदाहरण के लिए, शर्करा जो कई न्यूक्लियोटाइड बनाते हैं, साथ ही डीएनए और आरएनए न्यूक्लिक एसिड, शरीर में विशेष रूप से सही डी-अणुओं द्वारा दर्शाए जाते हैं। यद्यपि "मिरर एंटीपोड्स" के भौतिक और रासायनिक गुण मेल खाते हैं, जीवों में उनकी शारीरिक गतिविधि अलग है: एल-कैक्सारा अवशोषित नहीं होता है, एल-फेनिलएलनिन, इसके हानिरहित डी-अणुओं के विपरीत, मानसिक बीमारी का कारण बनता है, आदि।
पृथ्वी पर जीवन की उत्पत्ति के बारे में आधुनिक विचारों के अनुसार, कार्बनिक अणुओं द्वारा एक निश्चित प्रकार के दर्पण समरूपता का चुनाव उनके अस्तित्व और बाद में आत्म-प्रजनन के लिए मुख्य शर्त के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, एक या दूसरे मिरर एंटीपोड का विकासवादी चयन कैसे और क्यों हुआ, यह सवाल अभी भी विज्ञान के सबसे बड़े रहस्यों में से एक है।
सोवियत वैज्ञानिक एल एल मोरोज़ोव ने साबित कर दिया कि चिरल ऑर्डरिंग में संक्रमण क्रमिक रूप से नहीं हो सकता है, लेकिन केवल कुछ विशिष्ट तेज चरण परिवर्तन के साथ। शिक्षाविद वी। आई। गोलडांस्की ने इस संक्रमण को कहा, जिसकी बदौलत पृथ्वी पर जीवन की उत्पत्ति हुई, एक चिरल तबाही।
चरण तबाही की स्थितियाँ कैसे उत्पन्न हुईं जिससे चिरल संक्रमण उत्पन्न हुआ?
सबसे महत्वपूर्ण यह था कि कार्बनिक यौगिक पृथ्वी की पपड़ी में 800-1000 डिग्री सेल्सियस पर पिघल गए, और ऊपरी वाले अंतरिक्ष के तापमान, यानी पूर्ण शून्य तक ठंडा हो गए। तापमान में गिरावट 1000 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गई। ऐसी परिस्थितियों में, उच्च तापमान के प्रभाव में कार्बनिक अणु पिघल गए और यहां तक कि पूरी तरह से नष्ट हो गए, और शीर्ष ठंडा रहा, क्योंकि कार्बनिक अणु जमे हुए थे। पृथ्वी की पपड़ी से रिसने वाली गैसों और जल वाष्प ने कार्बनिक यौगिकों की रासायनिक संरचना को बदल दिया। गैसें अपने साथ ऊष्मा ले जाती हैं, जिससे कार्बनिक परत की पिघलने की सीमा ऊपर और नीचे जाती है, जिससे एक ढाल बनती है।
वायुमण्डल के अत्यंत निम्न दाब पर जल पृथ्वी की सतह पर केवल भाप और बर्फ के रूप में था। जब दबाव पानी के तथाकथित ट्रिपल पॉइंट (0.006 वायुमंडल) तक पहुंच गया, तो पानी पहली बार तरल के रूप में हो सकता है।
बेशक, यह साबित करना केवल प्रयोगात्मक रूप से संभव है कि वास्तव में चिरल संक्रमण का कारण क्या है: स्थलीय या ब्रह्मांडीय कारण। लेकिन एक तरह से या किसी अन्य, किसी बिंदु पर, चिरली ऑर्डर किए गए अणु (अर्थात्, बाएं हाथ के अमीनो एसिड और दाएं हाथ के शर्करा) अधिक स्थिर हो गए और उनकी संख्या में एक अजेय वृद्धि शुरू हुई - एक चिरल संक्रमण।
ग्रह का क्रॉनिकल यह भी बताता है कि उस समय पृथ्वी पर न तो पहाड़ थे और न ही अवसाद। अर्ध-पिघला हुआ ग्रेनाइट क्रस्ट आधुनिक महासागर के स्तर जितना सपाट सतह था। हालाँकि, इस मैदान के भीतर पृथ्वी के अंदर द्रव्यमान के असमान वितरण के कारण अभी भी अवसाद थे। इन कमियों ने एक अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है।
तथ्य यह है कि सैकड़ों और यहां तक कि हजारों किलोमीटर के व्यास और सौ मीटर से अधिक की गहराई वाले फ्लैट-तल वाले अवसाद शायद जीवन का पालना बन गए। आखिरकार, ग्रह की सतह पर एकत्रित पानी उनमें बह गया। पानी ने राख की परत में चिरल कार्बनिक यौगिकों को पतला कर दिया। यौगिक की रासायनिक संरचना धीरे-धीरे बदल गई, और तापमान स्थिर हो गया। निर्जीव से जीवित में संक्रमण, जो निर्जल परिस्थितियों में शुरू हुआ, जलीय वातावरण में पहले से ही जारी रहा।
क्या यही जीवन का मूल है? सबसे अधिक संभावना हां। भूवैज्ञानिक खंड इसुआ (वेस्ट ग्रीनलैंड) में, जो 3.8 बिलियन वर्ष पुराना है, प्रकाश संश्लेषक कार्बन की विशेषता C12/C13 समस्थानिक अनुपात के साथ गैसोलीन और तेल जैसे यौगिक पाए गए।
यदि इसुआ खंड से कार्बन यौगिकों की जैविक प्रकृति की पुष्टि की जाती है, तो यह पता चलेगा कि पृथ्वी पर जीवन की उत्पत्ति की पूरी अवधि - चिरल कार्बनिक पदार्थों के उद्भव से लेकर प्रकाश संश्लेषण और प्रजनन में सक्षम कोशिका की उपस्थिति तक - थी केवल सौ मिलियन वर्षों में पूरा हुआ। और इस प्रक्रिया में पानी के अणुओं और डीएनए ने बहुत बड़ी भूमिका निभाई।
पानी की संरचना के बारे में सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि नैनोट्यूब के अंदर कम नकारात्मक तापमान और उच्च दबाव पर पानी के अणु डीएनए की याद ताजा करते हुए डबल हेलिक्स के रूप में क्रिस्टलीकृत हो सकते हैं। यह नेब्रास्का विश्वविद्यालय (यूएसए) में जिओ चेंग ज़ेंग के नेतृत्व में अमेरिकी वैज्ञानिकों द्वारा कंप्यूटर प्रयोगों द्वारा सिद्ध किया गया था।
डीएनए एक डबल स्ट्रैंड है जिसे एक हेलिक्स में घुमाया जाता है।प्रत्येक स्ट्रैंड में "ईंटें" होती हैं - क्रमिक रूप से जुड़े न्यूक्लियोटाइड के। प्रत्येक डीएनए न्यूक्लियोटाइड में चार नाइट्रोजनस आधारों में से एक होता है - ग्वानिन (जी), एडेनिन (ए) (प्यूरिन), थाइमिन (टी) और साइटोसिन (सी) (पाइरीमिडाइन), जो डीऑक्सीराइबोज से जुड़ा होता है, बाद में, एक फॉस्फेट समूह संलग्न है। आपस में, आसन्न न्यूक्लियोटाइड 3 "-हाइड्रॉक्सिल (3" -OH) और 5 "-फॉस्फेट समूहों (5" -PO3) द्वारा गठित फॉस्फोडाइस्टर बंधन द्वारा एक श्रृंखला में जुड़े होते हैं। यह गुण डीएनए में ध्रुवता की उपस्थिति को निर्धारित करता है, अर्थात। विपरीत दिशा, अर्थात् 5 "- और 3" -अंत: 5" -एक धागे का अंत दूसरे धागे के 3"-अंत से मेल खाता है। न्यूक्लियोटाइड का अनुक्रम आपको विभिन्न प्रकार के आरएनए के बारे में जानकारी को "एन्कोड" करने की अनुमति देता है, जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण सूचनात्मक या टेम्पलेट (एमआरएनए), राइबोसोमल (आरआरएनए) और परिवहन (टीआरएनए) हैं। इन सभी प्रकार के आरएनए को डीएनए टेम्प्लेट पर डीएनए अनुक्रम को प्रतिलेखन के दौरान संश्लेषित आरएनए अनुक्रम में कॉपी करके संश्लेषित किया जाता है और जीवन की सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया - सूचना के प्रसारण और प्रतिलिपि (अनुवाद) में भाग लेते हैं।
डीएनए की प्राथमिक संरचना एक श्रृंखला में डीएनए न्यूक्लियोटाइड का रैखिक अनुक्रम है। डीएनए श्रृंखला में न्यूक्लियोटाइड का अनुक्रम डीएनए शाब्दिक सूत्र के रूप में लिखा जाता है: उदाहरण के लिए - एजीटीसीएटीजीसीसीएजी, रिकॉर्ड डीएनए श्रृंखला के 5 "से 3" छोर तक है।
डीएनए की द्वितीयक संरचना न्यूक्लियोटाइड्स (ज्यादातर नाइट्रोजनस बेस) की एक दूसरे के साथ, हाइड्रोजन बॉन्ड की बातचीत के कारण बनती है। डीएनए की द्वितीयक संरचना का एक उत्कृष्ट उदाहरण डीएनए डबल हेलिक्स है। डीएनए डबल हेलिक्स प्रकृति में डीएनए का सबसे सामान्य रूप है, जिसमें डीएनए के दो पोलीन्यूक्लियोटाइड स्ट्रैंड होते हैं। प्रत्येक नई डीएनए श्रृंखला का निर्माण पूरकता के सिद्धांत के अनुसार किया जाता है, अर्थात। डीएनए के एक स्ट्रैंड का प्रत्येक नाइट्रोजनस बेस दूसरे स्ट्रैंड के कड़ाई से परिभाषित आधार से मेल खाता है: एक पूरक जोड़ी में, ए के विपरीत टी है, और जी के विपरीत सी है, और इसी तरह।
पानी के लिए एक सर्पिल बनाने के लिए, एक नकली प्रयोग की तरह, इसे नैनोट्यूब में उच्च दबाव में "रखा" गया था, जो 10 से 40,000 वायुमंडल के विभिन्न प्रयोगों में भिन्न था। उसके बाद, तापमान सेट किया गया था, जिसका मान -23 डिग्री सेल्सियस था। पानी के हिमांक की तुलना में रिजर्व इस तथ्य के कारण बनाया गया था कि बढ़ते दबाव के साथ पानी की बर्फ का गलनांक कम हो जाता है। नैनोट्यूब का व्यास 1.35 से 1.90 एनएम के बीच था।
चावल। पानी की संरचना का सामान्य दृश्य (छवि न्यू साइंटिस्ट)
पानी के अणु हाइड्रोजन बंध द्वारा आपस में जुड़े होते हैं, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच की दूरी 96 बजे होती है, और दो हाइड्रोजन के बीच - 150 बजे। ठोस अवस्था में, ऑक्सीजन परमाणु पड़ोसी पानी के अणुओं के साथ दो हाइड्रोजन बंधों के निर्माण में भाग लेता है। इस मामले में, व्यक्तिगत एच 2 ओ अणु विपरीत ध्रुवों के साथ एक दूसरे के संपर्क में आते हैं। इस प्रकार, परतें बनती हैं जिसमें प्रत्येक अणु अपनी परत के तीन अणुओं और पड़ोसी में से एक से जुड़ा होता है। नतीजतन, बर्फ की क्रिस्टल संरचना में हेक्सागोनल "ट्यूब" होते हैं जो एक छत्ते की तरह परस्पर जुड़े होते हैं।
चावल। जल संरचना की भीतरी दीवार (नई वैज्ञानिक छवि)
वैज्ञानिकों को यह देखने की उम्मीद थी कि सभी मामलों में पानी एक पतली ट्यूबलर संरचना बनाता है। हालांकि, मॉडल ने दिखाया कि 1.35 एनएम के एक ट्यूब व्यास और 40,000 वायुमंडल के दबाव में, हाइड्रोजन बांड मुड़ गए, जिससे एक डबल-दीवार वाले हेलिक्स का निर्माण हुआ। इस संरचना की आंतरिक दीवार एक चौगुनी हेलिक्स है, और बाहरी दीवार में डीएनए अणु की संरचना के समान चार डबल हेलिक्स होते हैं।
उत्तरार्द्ध तथ्य न केवल पानी के बारे में हमारे विचारों के विकास को प्रभावित करता है, बल्कि प्रारंभिक जीवन के विकास और स्वयं डीएनए अणु को भी प्रभावित करता है। यदि हम मान लें कि जीवन की उत्पत्ति के युग में, क्रायोलिटिक मिट्टी की चट्टानों में नैनोट्यूब का रूप था, तो सवाल उठता है - क्या उनमें डाला गया पानी डीएनए संश्लेषण और सूचना पढ़ने के लिए संरचनात्मक आधार (मैट्रिक्स) के रूप में काम कर सकता है? शायद इसीलिए डीएनए की पेचदार संरचना नैनोट्यूब में पानी की पेचदार संरचना को दोहराती है। न्यू साइंटिस्ट पत्रिका के अनुसार, अब हमारे विदेशी सहयोगियों को इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी और न्यूट्रॉन स्कैटरिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके वास्तविक प्रयोगात्मक स्थितियों में ऐसे जल मैक्रोमोलेक्यूल्स के अस्तित्व की पुष्टि करनी होगी।
पीएच.डी. ओ.वी. मोसिन
1929 में, बर्न्स ने एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करके बर्फ I क्रिस्टल में ऑक्सीजन परमाणुओं की व्यवस्था की जांच की और दिखाया कि बर्फ I क्रिस्टल में ऑक्सीजन परमाणु टेट्राहेड्रोन के शीर्ष पर स्थित हैं। 1957 में, पीटरसन और लेवी ने न्यूट्रॉन विवर्तन का उपयोग करते हुए दिखाया कि हाइड्रोजन परमाणु आमतौर पर बंधन के एक छोर से दूरी पर स्थित होते हैं और उनकी ऊर्जा किसी भी स्थिति में समान होती है। पीटरसन और लेवी के अध्ययन से यह भी पता चला है कि क्रिस्टल में नियमित टेट्राहेड्रल समरूपता नहीं होती है (चित्र 15): इसका कोई भी कोण बिल्कुल समान नहीं है और बांड की लंबाई है। इसी तरह के परिणाम, केवल कम सटीकता के साथ, क्रिस्टल के लिए प्राप्त किए गए थे (मेगो, 1934)।
चावल। 15. बर्फ में एक अणु की विमाएँ और आकार I
हेक्सागोनल बर्फ I की संरचना में ऑक्सीजन परमाणुओं की व्यवस्था को अंजीर में दिखाया गया है। 16 (घाटी, 1969), जहां बड़े गलियारों के साथ बर्फ के क्रिस्टल की ओपनवर्क संरचना विशेष रूप से स्पष्ट रूप से दिखाई देती है। सी अक्ष के समानांतर चैनलों का आकार 1.2 ए के त्रिज्या के साथ परमाणु की गति की अनुमति देता है।
एक बर्फ क्रिस्टल की हेक्सागोनल संरचना बर्फ की घन संरचना से भिन्न होती है, जिसमें बांड के पूर्व एक चौथाई में दर्पण सममित होते हैं और तीन चौथाई बांड केंद्रीय रूप से सममित होते हैं, जबकि बर्फ की संरचना में सभी बंधन केंद्रीय रूप से सममित होते हैं। अंजीर पर। 176 अंजीर में एक निश्चित अणु (ऊपरी अणु) के दूसरे अणु के साथ संभव केंद्रीय सममित बंधन दिखाता है। संभव दर्पण-सममित संबंध प्रस्तुत किए जाते हैं। हाइड्रोजन परमाणुओं को + के साथ चिह्नित किया जाता है, और अकेला जोड़े - के साथ। इससे पता चलता है कि अणु पर स्थानीयकृत आवेशों का इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण दर्पण-सममिति के मामले में अधिक होता है
(स्कैन देखने के लिए क्लिक करें)
केंद्रीय सममित बंधों की तुलना में बांड।
1952 में Bjerrum ने सभी केंद्रीय सममित बंधों और 74 दर्पण-सममित बंधों के साथ एक घन क्रिस्टल के लिए जाली ऊर्जा की गणना की और क्रमशः 14.51 kcal / mol और -14.93 kcal / mol मान प्राप्त किए। बर्नाल और फाउलर (1933) और फिर पॉलिंग, बर्फ I और वाष्प में अणु के कई भौतिक गुणों की समानता का विश्लेषण करते हुए, इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि बर्फ एक आणविक क्रिस्टल है।
एक आणविक क्रिस्टल एक क्रिस्टल होता है जिसमें अणु होते हैं और इंट्रामोल्युलर की तुलना में बहुत कमजोर अंतर-आणविक बंधन की विशेषता होती है। शास्त्रीय आणविक क्रिस्टल के लिए, अंतर-आणविक दूरी का अंतर-आणविक दूरी का अनुपात 2 या अधिक गुना है। बर्फ I में, हालांकि, एक अणु में परमाणुओं के बीच की औसत दूरी 1.01 A है, जबकि हाइड्रोजन बांड लाइन के साथ विभिन्न अणुओं के H परमाणु और O परमाणु के बीच की औसत दूरी 1.75 A है, यानी केवल 1 7 गुना अधिक में .
अणुओं के अलावा, बर्फ की संरचना में क्रिस्टल के आयनीकरण दोषों का एक छोटा अंश होता है, जो इसकी विद्युत चालकता को निर्धारित करता है। ये दोष पानी के अणु के आयनों में पृथक्करण की प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप बनते हैं:
Bjerrum के अनुसार, आयन एक अणु से दूसरे अणु में प्रोटॉन संक्रमण के परिणामस्वरूप बनते हैं, जिसके परिणामस्वरूप आयन अलग हो जाते हैं। 186.
आयनिक दोषों के अलावा, 1952 में Bjerrum ने ओरिएंटल दोषों के अस्तित्व का सुझाव दिया, जो एक दूसरे के सापेक्ष अणु उन्मुख होते हैं जो एक क्रिस्टल बनाने वाले अणुओं के मुख्य भाग से अलग होते हैं। अंजीर पर। 18a एक बर्फ के क्रिस्टल (बाएं) में अणुओं के सही अभिविन्यास को दर्शाता है, पानी के अणुओं में से एक के रोटेशन के परिणामस्वरूप प्राच्य दोषों का गठन आकृति के केंद्र में दिखाया गया है, और परिणामस्वरूप दोषों का अलगाव दूसरे अणु के घूर्णन को दाईं ओर दिखाया गया है।
अंजीर पर। 186 एक बर्फ के क्रिस्टल में आयनिक दोषों के गठन का चित्र दिखाता है। बाईं ओर, सही ढंग से व्यवस्थित अणुओं को फिर से दिखाया गया है। प्रोटॉन के पहले अणु से दूसरे अणु में संक्रमण के परिणामस्वरूप केंद्र में दोष बनते हैं। सही आंकड़ा अणु 2 से अणु 3 में अगले प्रोटॉन संक्रमण को दर्शाता है, जो अंतरिक्ष में दोषों के पृथक्करण को निर्धारित करता है।
प्रायोगिक तौर पर, न्यूट्रॉन विवर्तन की विधि द्वारा 1957 में दो अणुओं के बीच संचार की रेखा के साथ प्रोटॉन की गति की स्वतंत्रता की खोज की गई थी। सैद्धांतिक रूप से, प्रोटॉन संक्रमण की संभावना - प्रोटॉन विकार - का सुझाव पॉलिंग ने पहले 1935 में दिया था।
चावल। 18. आइस क्रिस्टल दोष: ए) ओरिएंटल दोष, बी) आयनीकरण दोष
प्रोटॉन विकार की धारणा का आधार बर्फ I के अवशिष्ट एन्ट्रापी का बड़ा मूल्य था, जो 0.805 कैल / मोल-डिग के बराबर था (एक क्रिस्टल की अवशिष्ट एन्ट्रापी वह एन्ट्रापी है जो एक क्रिस्टल में होती है