Ha a kristályrács csomópontjai valamilyen anyag apoláris molekuláit tartalmazzák (pl jód én 2, oxigén O 2 vagy nitrogén N 2), akkor nem tapasztalnak semmilyen elektromos „szimpátiát” egymás iránt. Más szóval, molekuláikat nem szabad elektrosztatikus erőknek vonzaniuk. És valami mégis közel tartja őket. Pontosan mit?

Kiderült, hogy szilárd állapotban ezek a molekulák olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy elektronfelhőikben pillanatnyi (bár nagyon gyenge) reakciók indulnak meg. ellentételezések- az elektronfelhők kondenzációja és ritkulása. A nem poláris részecskék helyett „azonnali dipólusok” jelennek meg, amelyek már elektrosztatikusan is vonzódhatnak egymáshoz. Ez a vonzalom azonban nagyon gyenge. Ezért a nem poláris anyagok kristályrácsai törékenyek, és csak nagyon alacsony hőmérsékleten, „kozmikus” hidegben léteznek.

A csillagászok valóban felfedezték égitestek- üstökösök, aszteroidák, akár egész bolygók, amelyek fagyottból állnak nitrogén, oxigénés más anyagok, amelyek normál földi körülmények között gázok formájában léteznek, és a bolygóközi térben megszilárdulnak.

	Sok egyszerű és összetett anyagok Val vel molekuláris a kristályrácsot mindenki jól ismeri. Ez például kristályos jód én 2:
Így épül fel a kristályrács jód: jódmolekulákból áll (mindegyik két jódatomot tartalmaz).
	És ezek a molekulák meglehetősen gyengén kapcsolódnak egymáshoz. Ez az oka annak, hogy a kristályos jód olyan illékony, és még a legkisebb hevítésre is elpárolog, és gáz halmazállapotú jóddá válik - egy gyönyörű lila gőz.

Milyen gyakori anyagok molekuláris kristályrács?

• A kristályos víz (jég) poláris molekulákból áll víz H2O.
• A fagylalt hűtésére használt szárazjég kristályok is molekuláris kristályok. szén-dioxid CO2.
• Egy másik példa a cukor, amely molekulákból kristályokat képez szacharóz.

Ha egy anyag molekulái vannak a kristályrács csomópontjainál, a köztük lévő kötések nem túl erősek, még akkor sem, ha ezek a molekulák polárisak.
Ezért az ilyen kristályok megolvasztásához vagy a molekuláris kristályszerkezetű anyagok elpárologtatásához nem szükséges vörös hőre melegíteni őket.
Már 0 °C-on a kristályszerkezet jég megsemmisül, és kiderül víz. És a „szárazjég” normál nyomáson nem olvad meg, hanem azonnal gázzá alakul szén-dioxid- szublimál.

A másik dolog az anyagokkal atom egy kristályrács, ahol minden atom nagyon erős kovalens kötésekkel kapcsolódik szomszédaihoz, és az egész kristály egésze kívánt esetben hatalmas molekulának tekinthető.

Például megfontolhatja gyémánt kristály, amely atomokból áll szén.

	Atom szén VAL VEL, amely két párosítatlant tartalmaz R - az elektron atommá alakul szén VAL VEL*, ahol a külső vegyértékszint mind a négy elektronja egyedi pályákon helyezkedik el és kémiai kötések kialakítására képes. A kémikusok egy ilyen atomot " izgatott".
Ebben az esetben négy kémiai kötés létezik, és minden nagyon tartós. Nem csoda gyémánt - a legkeményebb anyag a természetben és ősidők óta minden drágakő királyának tartják és drágakövek. A neve pedig görögül „elpusztíthatatlant” jelent.
	Vágott kristályokból gyémánt drága ékszereket díszítő gyémántokat gyárt

Az emberek által talált legszebb gyémántoknak megvan a maguk, néha tragikus története. Olvassa el >>>

De gyémánt nem csak dekorációhoz illik. Kristályait a legkeményebb anyagok feldolgozására, kőzetek fúrására, üveg és kristály vágására, vágására szolgáló eszközökben használják.

Gyémánt (bal) és grafit (jobb) kristályrácsa

Grafit ugyanaz az összetétel szén, de kristályrács szerkezete nem azonos a gyémántéval. BAN BEN grafit a szénatomok rétegekbe rendeződnek, amelyeken belül a szénatomok kombinációja hasonlít a méhsejthez. Ezek a rétegek sokkal lazábban kapcsolódnak egymáshoz, mint az egyes rétegekben lévő szénatomok. Ezért grafit Könnyen szétválik pelyhekre, és lehet vele írni. Ceruzák gyártásához, valamint magas hőmérsékleten üzemelő gépalkatrészek száraz kenőanyagaként használják. Kívül, grafit jól vezet elektromosság, és elektródákat készítenek belőle.

Lehetséges-e olcsón grafitértékessé válni gyémánt? Lehetséges, de ehhez hihetetlenül magas nyomás (több ezer atmoszféra) és magas hőmérséklet (másfél ezer fok) kell.
Sokkal könnyebb "elrontani" gyémánt: csak levegő nélkül kell felmelegítenie 1500 °C-ra, és a kristályos szerkezet gyémánt kevésbé rendezett szerkezetté válik grafit.

A kémia csodálatos tudomány. Annyi hihetetlen dolog található a látszólag hétköznapi dolgokban.

Minden anyag, ami körülvesz minket mindenhol, többféle halmazállapotban létezik: gázok, folyadékok és szilárd anyagok. A tudósok azonosították a 4. - plazmát is. Egy adott hőmérsékleten az anyag egyik állapotból a másikba változhat. Például víz: 100 fok fölé hevítve folyékony halmazállapotból gőzzé alakul. 0 alatti hőmérsékleten átalakul a következő aggregált szerkezetté - jéggé.

Kapcsolatban áll

Az egész anyagi világ egymáshoz kapcsolódó, azonos részecskék tömegét tartalmazza. Ezek a legkisebb elemek a térben szigorúan sorakoznak, és alkotják az úgynevezett térbeli keretet.

Meghatározás

A kristályrács egy szilárd anyag speciális szerkezete, amelyben a részecskék geometriailag szigorú sorrendben állnak a térben. Ebben csomópontok találhatók - olyan helyek, ahol elemek találhatók: atomok, ionok és molekulák, valamint az internodális tér.

Szilárd anyagok, a magas és az alacsony hőmérséklet tartományától függően kristályosak vagy amorfok – bizonyos olvadáspont hiánya jellemzi őket. Magas hőmérsékletnek kitéve meglágyulnak és fokozatosan folyékony halmazállapotúvá válnak. Az ilyen típusú anyagok a következők: gyanta, gyurma.

Ebben a tekintetben több típusra osztható:

• atom;
• ión;
• molekuláris;
• fém.

De különböző hőmérsékleteken egy anyag különböző formájú lehet, és eltérő tulajdonságokat mutathat. Ezt a jelenséget allotróp módosulásnak nevezik.

Atom típusú

Ebben a típusban a csomópontok egy adott anyag atomjait tartalmazzák, amelyeket kovalens kötések kötnek össze. Ezt a típusú kötést két szomszédos atom elektronpárja hozza létre. Ennek köszönhetően egyenletesen és szigorú sorrendben kapcsolódnak össze.

Az atomi kristályrácsos anyagokat a következő tulajdonságok jellemzik: szilárdság és magas olvadáspont. Ez a fajta kötés jelen van a gyémántban, a szilíciumban és a bórban..

Ionos típus

Az ellentétes töltésű ionok olyan csomópontokban helyezkednek el, amelyek elektromágneses teret hoznak létre, amely jellemzi fizikai tulajdonságok anyagokat. Ezek a következők: elektromos vezetőképesség, tűzállóság, sűrűség és keménység. Az asztali sót és a kálium-nitrátot ionos kristályrács jellemzi.

Ne hagyja ki: oktatási mechanizmus, konkrét példák.

Molekuláris típus

Az ilyen típusú csomópontokban az ionok van der Waals erőkkel kapcsolódnak egymáshoz. A gyenge intermolekuláris kötések miatt az olyan anyagokat, mint a jég, a szén-dioxid és a paraffin plaszticitás, elektromos és hővezető képesség jellemzi.

Fém típusú

Szerkezete molekulárisra hasonlít, de még mindig erősebb kötésekkel rendelkezik. Különbség ebből a típusból az, hogy a csomópontjaiban pozitív töltésű kationok vannak. Elektronok, amelyek az intersticiális térben vannak helyet, vegyen részt az oktatásban elektromos mező. Elektromos gáznak is nevezik.

Az egyszerű fémeket és ötvözeteket fémrács típus jellemzi. Fémes csillogás, plaszticitás, hő- és elektromos vezetőképesség jellemzi őket. Különböző hőmérsékleteken megolvadhatnak.

Jég- ásványi anyag vegyszerrel képlet H 2 O, kristályos állapotú vizet jelent.
A jég kémiai összetétele: H - 11,2%, O - 88,8%. Néha gáznemű és szilárd mechanikai szennyeződéseket tartalmaz.
A természetben a jeget főleg a számos kristálymódosulat egyike képviseli, amelyek 0-80 °C hőmérséklet-tartományban stabilak, olvadáspontja 0 °C. A jégnek és az amorf jégnek 10 kristályos módosulata ismert. A legtöbbet tanulmányozott jég az 1. módosulat – az egyetlen módosulat, amely a természetben megtalálható. A jég a természetben maga jég formájában (kontinentális, lebegő, föld alatti stb.), valamint hó, fagy stb.

Lásd még:

SZERKEZET

A jég kristályszerkezete hasonló a szerkezethez: minden H 2 0 molekulát a hozzá legközelebb eső négy molekula vesz körül, amelyek egyenlő távolságra helyezkednek el tőle, egyenlők 2,76Α és egy szabályos tetraéder csúcsaiban helyezkednek el. Az alacsony koordinációs szám miatt a jégszerkezet áttört, ami befolyásolja a sűrűségét (0,917). A jégnek hatszögletű térhálója van, és a víz 0 °C-on és légköri nyomáson történő megfagyásával jön létre. A jég összes kristályos módosulatának rácsának tetraéderes szerkezete van. Egy jégegység cella paraméterei (t 0°C-on): a=0,45446 nm, c=0,73670 nm (c a szomszédos fősíkok távolságának kétszerese). Amikor a hőmérséklet csökken, nagyon keveset változnak. A jégrácsban található H 2 0 molekulák hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A hidrogénatomok mobilitása a jégrácsban sokkal nagyobb, mint az oxigénatomok mobilitása, aminek következtében a molekulák megváltoztatják szomszédaikat. Jelentős oszcillációs és forgó mozgások molekulák a jégrácsban, a molekulák transzlációs ugrásai a térbeli kapcsolatuk helyéről történnek, megbontva a további rendet és diszlokációkat képezve. Ez magyarázza a jégben a sajátos reológiai tulajdonságok megnyilvánulását, amelyek a jég visszafordíthatatlan alakváltozásai (folyása) és az azokat okozó feszültségek (plaszticitás, viszkozitás, folyási feszültség, kúszás stb.) közötti kapcsolatot jellemzik. E körülmények miatt a gleccserek a nagy viszkozitású folyadékokhoz hasonlóan áramlanak, és így természetes jég aktívan részt vesz a víz körforgásában a Földön. A jégkristályok viszonylag nagy méretűek (keresztirányú mérete egy millimétertől több tíz centiméterig). Jellemzőjük a viszkozitási együttható anizotrópiája, melynek értéke több nagyságrenddel is változhat. A kristályok terhelés hatására képesek átorientálódni, ami befolyásolja metamorfózisukat és a gleccserek áramlási sebességét.

TULAJDONSÁGOK

A jég színtelen. Nagy fürtökben kékes árnyalatot vesz fel. Üvegfény. Átlátszó. Nincs dekoltázsa. Keménység 1,5. Törékeny. Optikailag pozitív, törésmutatója nagyon alacsony (n = 1,310, nm = 1,309). A jégnek 14 változata ismert a természetben. Igaz, minden, kivéve a hatszögletű rendszerben kristályosodó, jég I-nek nevezett jeget, egzotikus körülmények között - nagyon alacsony hőmérsékleten (kb. -110150 0C) keletkezik, ill. magas nyomások, amikor a vízmolekulában a hidrogénkötések szögei megváltoznak, és nem hatszögletű rendszerek jönnek létre. Az ilyen körülmények hasonlítanak az űrbeli állapotokhoz, és a Földön nem fordulnak elő. Például –110 °C alatti hőmérsékleten a vízgőz egy fémlemezen oktaéderek és több nanométeres kockák formájában válik ki - ez az úgynevezett köbös jég. Ha a hőmérséklet valamivel –110 °C felett van, és a gőzkoncentráció nagyon alacsony, rendkívül sűrű amorf jégréteg képződik a lemezen.

MORFOLÓGIA

A jég nagyon gyakori ásvány a természetben. A földkéregben többféle jég található: folyó, tó, tenger, talaj, fenyő és gleccser. Gyakrabban finom kristályos szemcsék aggregált klasztereit képezi. Ismertek olyan kristályos jégképződményeket is, amelyek szublimációval, azaz közvetlenül a gőzállapotból keletkeznek. Ezekben az esetekben a jég csontvázkristályokként (hópelyhek) és csontváz- és dendrites-növekedés halmazaként jelenik meg (barlangi jég, dér, dér és minták az üvegen). Nagy, jól metszett kristályok találhatók, de nagyon ritkán. N. N. Stulov Oroszország északkeleti részén a felszíntől 55-60 m mélységben talált jégkristályokat írt le, amelyek izometrikus és oszlopos megjelenésűek, és a legnagyobb kristály hossza 60 cm, alapjának átmérője 15 cm A jégkristályokon lévő egyszerű formák közül csak a hatszögletű prizma (1120), a hatszögletű bipiramis (1121) és a pinacoid (0001) lapjait azonosították.
A köznyelvben „jégcsapoknak” nevezett jégcseppkő mindenki számára ismerős. Az őszi-téli évszakokban 0° körüli hőmérséklet-különbség mellett a Föld felszínén mindenhol megnőnek az áramló és csöpögő víz lassú fagyásával (kristályosodásával). Jégbarlangokban is gyakoriak.
A jégpartok jégből álló jégtakaró csíkok, amelyek a víz-levegő határvonalon kristályosodnak ki a tározók szélei mentén, és határolják a tócsák széleit, folyók, tavak, tavak, tározók stb. partját. és a víztér többi része nem fagy be. Amikor teljesen összenőnek, összefüggő jégtakaró képződik a tározó felületén.
A jég a porózus talajokban párhuzamos oszlopos aggregátumokat is képez rostos erek formájában, felületükön pedig jégantolitokat.

EREDET

Jég elsősorban a vízmedencékben képződik, amikor a levegő hőmérséklete csökken. Ezzel egy időben a víz felszínén jégtűkből álló jégkása jelenik meg. Alulról hosszú jégkristályok nőnek rajta, amelyek hatodrendű szimmetriatengelyei a kéreg felületére merőlegesen helyezkednek el. Jégkristályok közötti kapcsolatok at különböző feltételekábrán láthatóak a formációk. A jég gyakori mindenhol, ahol nedvesség van, és ahol a hőmérséklet 0 °C alá süllyed. Egyes területeken a talajjég csak kis mélységig olvad fel, amely alatt az örök fagy kezdődik. Ezek az úgynevezett permafrost területek; a földkéreg felső rétegeiben a permafroszt eloszlású területeken ún földalatti jég, amelyek között megkülönböztetik a modern és a fosszilis földalatti jeget. A Föld teljes szárazföldi területének legalább 10%-át gleccserek borítják, az őket alkotó monolit jégkőzetet gleccserjégnek nevezik. A gleccserjég elsősorban a hó felhalmozódásából, tömörödése és átalakulása következtében jön létre. A jégtakaró Grönland mintegy 75%-át és szinte az egész Antarktist borítja; a legnagyobb vastagságú gleccserek (4330 m) a Byrd állomás közelében találhatók (Antarktisz). Grönland középső részén a jég vastagsága eléri a 3200 métert.
A jéglerakódások jól ismertek. A hideg, hosszú télű és rövid nyarakkal rendelkező területeken, valamint a magas hegyvidéki területeken cseppköveket és sztalagmitokat tartalmazó jégbarlangok képződnek, amelyek közül a legérdekesebbek a Kungurskaya az uráli Perm régióban, valamint a Dobshine-barlang. Szlovákia.
Amikor a tengervíz megfagy, tengeri jég képződik. Jellemző tulajdonságok tengeri jég a sótartalom és a porozitás, amelyek meghatározzák a sűrűségének 0,85 és 0,94 g/cm 3 közötti tartományát. Az ilyen alacsony sűrűség miatt a jégtáblák vastagságuk 1/7-1/10-ével emelkednek a víz felszíne fölé. A tengeri jég -2,3 °C feletti hőmérsékleten olvadni kezd; rugalmasabb és nehezebben törhető darabokra, mint az édesvízi jég.

ALKALMAZÁS

Az 1980-as évek végén az Argonne laboratórium kifejlesztett egy technológiát jégzagy készítésére, amely szabadon tud átfolyni különböző átmérőjű csöveken anélkül, hogy a jég összegyűlne, összetapadna vagy eltömítené a hűtőrendszereket. A sós vizes szuszpenzió sok nagyon kicsi, kerek alakú jégkristályból állt. Ennek köszönhetően a víz mobilitása megmarad, ugyanakkor hőtechnikai szempontból jeget képvisel, amely 5-7-szer hatékonyabb az egyszerű hidegvíznél az épületek hűtési rendszereiben. Ezenkívül az ilyen keverékek ígéretesek az orvostudomány számára. Állatkísérletek kimutatták, hogy a jégkeverék mikrokristályai tökéletesen bejutnak a meglehetősen kis erekbe, és nem károsítják a sejteket. A „jeges vér” meghosszabbítja azt az időt, amely alatt az áldozat megmenthető. Mondjuk szívleállás esetén ez az idő óvatos becslések szerint 10-15 percről 30-45 percre meghosszabbodik.
A jég szerkezeti anyagként való felhasználása elterjedt a sarki régiókban lakóházak – igluk – építésére. A jég része a D. Pike által javasolt Pikerit anyagnak, amelyből a világ legnagyobb repülőgép-hordozójának elkészítését javasolták.

Jég – H2O

OSZTÁLYOZÁS

Az anyag, mint tudod, három halmazállapotban létezhet: gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotban (70. ábra). Például az oxigén, amely normál körülmények között gáz, -194 ° C hőmérsékleten kék folyadékká alakul, és -218,8 ° C hőmérsékleten kék kristályokból álló hószerű masszává szilárdul.

Rizs. 70.
A víz fizikai állapotai

A szilárd anyagokat kristályosra és amorfra osztják.

Amorf anyagok nincs tiszta olvadáspontjuk - hevítéskor fokozatosan meglágyulnak és folyékony halmazállapotúvá válnak. Az amorf anyagok közé tartozik a legtöbb műanyag (például polietilén), viasz, csokoládé, gyurma, különféle gyanták és rágógumik (71. ábra).

Rizs. 71.
Amorf anyagok és anyagok

A kristályos anyagokra jellemző, hogy az őket alkotó részecskéket a tér szigorúan meghatározott pontjain megfelelően rendezik el. Ha ezeket a pontokat egyenes vonalak kötik össze, akkor egy térbeli keret jön létre, amelyet kristályrácsnak neveznek. Azokat a pontokat, ahol a kristályrészecskék elhelyezkednek, rácscsomópontoknak nevezzük.

Egy képzeletbeli kristályrács csomópontjai monoatomos ionokat, atomokat és molekulákat tartalmazhatnak. Ezek a részecskék oszcilláló mozgásokat végeznek. A hőmérséklet növekedésével ezeknek a rezgéseknek a tartománya növekszik, ami általában a testek hőtágulásához vezet.

A kristályrács csomópontjain elhelyezkedő részecskék típusától és a köztük lévő kapcsolat jellegétől függően négyféle kristályrácsot különböztetünk meg: ionos, atomi, molekuláris és fémes (6. táblázat).

6. táblázat
Az elemek helyzete D. I. Mengyelejev periódusos rendszerében és egyszerű anyagaik kristályrácsainak típusai

A táblázatban nem szereplő elemekből képzett egyszerű anyagok fémrácsosak.

Az ionrácsokat kristályrácsoknak nevezzük, amelyek csomópontjai ionokat tartalmaznak. Ionos kötésekkel rendelkező anyagok alkotják őket, amelyek mind az egyszerű Na +, Cl - ionokat, mind pedig az összetett ionokat, az OH - ionokat képesek megkötni. Következésképpen az ionos kristályrácsok sókat, bázisokat (lúgokat) és néhány oxidot tartalmaznak. Például egy nátrium-klorid kristályt váltakozó pozitív Na + és negatív Cl - ionokból építenek fel, és egy kocka alakú rácsot alkotnak (72. ábra). Az ilyen kristályokban az ionok közötti kötések nagyon erősek. Ezért az ionrácsos anyagok viszonylag nagy keménységgel és szilárdsággal rendelkeznek, tűzállóak és nem illékonyak.

Rizs. 72.
Ionos kristályrács (nátrium-klorid)

Az atomrácsokat kristályrácsoknak nevezzük, amelyek csomópontjai egyedi atomokat tartalmaznak. Az ilyen rácsokban az atomok nagyon erős kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz.

Rizs. 73.
Atom kristályrács (gyémánt)

A gyémántnak van ilyen típusú kristályrácsa (73. ábra), amely a szén egyik allotróp módosulata. A csiszolt és csiszolt gyémántokat briliánsoknak nevezzük. Széles körben használják az ékszerekben (74. ábra).

Rizs. 74.
Két birodalmi korona gyémántokkal:
a - a Brit Birodalom koronája; b - Az Orosz Birodalom nagy császári koronája

Az atomi kristályrácsos anyagok közé tartozik a kristályos bór, szilícium és germánium, valamint összetett anyagok, például szilícium-dioxid, kvarc, homok, hegyikristály, amelyek közé tartozik a szilícium (IV)-oxid SiO 2 (75. ábra).

Rizs. 75.
Atomkristályrács (szilícium (IV)-oxid)

A legtöbb atomi kristályrácsos anyag nagyon magas olvadásponttal rendelkezik (például a gyémántnál több mint 3500 °C, a szilíciumnál - 1415 °C, a szilíciumnál - 1728 °C), erősek és kemények, gyakorlatilag oldhatatlanok.

A molekuláris kristályrácsok, amelyekben a molekulák a csomópontokban helyezkednek el. Ezekben a molekulákban a kémiai kötések egyaránt lehetnek kovalens polárisak (hidrogén-klorid HCl, víz H20) és kovalens nempolárisak (nitrogén N2, ózon 03). Annak ellenére, hogy a molekulák belsejében lévő atomokat nagyon erős kovalens kötés köti össze, maguk a molekulák között gyenge intermolekuláris vonzási erők hatnak. Ezért a molekuláris kristályrácsokkal rendelkező anyagok alacsony keménységűek, alacsony hőmérsékletek olvadó, illékony.

A molekuláris kristályrácsos anyagok példái a szilárd víz - jég, a szilárd szén-monoxid (IV) C) 2 - „szárazjég” (76. ábra), a szilárd hidrogén-klorid HCl és a hidrogén-szulfid H 2 S, a szilárd egyszerű anyagok, amelyek monokronnal keletkeznek. - (nemesgázok: hélium, neon, argon, kripton), két- (hidrogén H 2, oxigén O 2, klór Cl 2, nitrogén N 2, jód 1 2), három- (ózon O 3), négy- (fehér foszfor P 4 ), nyolcatomos (kén S 7) molekulák. A legtöbb szilárd szerves vegyület molekuláris kristályrácsokkal rendelkezik (naftalin, glükóz, cukor).

Rizs. 76.
Molekuláris kristályrács (szén-dioxid)

A fémes kötéssel rendelkező anyagok fémes kristályrácsokkal rendelkeznek (77. ábra). Az ilyen rácsok helyén atomok és ionok találhatók (akár atomok, akár ionok, amelyekbe a fématomok könnyen átalakulnak, feladva külső elektronjaikat a közös használat érdekében). Ez belső szerkezet A fémek meghatározzák jellemző fizikai tulajdonságaikat: alakíthatóság, hajlékonyság, elektromos és hővezető képesség, fémes csillogás.

Rizs. 77.
Fém kristályrács (vas)

Laboratóriumi kísérlet 13. sz
Különböző típusú kristályrácsokkal rendelkező anyagok gyűjteményének megismerése. Kristályrács modellek készítése

Tekintse át az Önnek adott anyagminták gyűjteményét. Írja le képleteiket, jellemezze a fizikai tulajdonságokat, és ezek alapján határozza meg a kristályrács típusát!

Építsd meg az egyik kristályrács modelljét!

A molekulaszerkezetű anyagokra a J. L. Proust (1799-1803) francia kémikus által felfedezett összetétel állandóság törvénye érvényes. Jelenleg ez a törvény a következőképpen van megfogalmazva:

Proust törvénye a kémia egyik alaptörvénye. A nem molekuláris szerkezetű anyagokra, például az ionosokra azonban ez a törvény nem mindig igaz.

Kulcsszavak és kifejezések

1. Az anyag szilárd, folyékony és gáz halmazállapota.
2. Szilárd anyagok: amorf és kristályos.
3. Kristályrácsok: ionos, atomi, molekuláris és fémes.
4. Különböző típusú kristályrácsokkal rendelkező anyagok fizikai tulajdonságai.
5. Az összetétel állandóságának törvénye.

Dolgozzon számítógéppel

1. Lásd az elektronikus jelentkezést. Tanulmányozza át az óra anyagát, és hajtsa végre a kijelölt feladatokat.
2. Keressen az interneten olyan e-mail címeket, amelyek kiszolgálhatják további források, felfedi a bekezdésben szereplő kulcsszavak és kifejezések tartalmát. Ajánlja fel a tanárnak segítségét egy új óra előkészítésében - készítsen jelentést a következő bekezdés kulcsszavairól és kifejezéseiről.

Kérdések és feladatok

1. Amiben az összesítés állapota lesz oxigén -205 °C-on?
2. Emlékezzen A. Belyaev „A levegő eladó” munkájára, és jellemezze a szilárd oxigén tulajdonságait a könyvben található leírás alapján.
3. Milyen típusú anyagok (kristályos vagy amorf) a műanyagok? Milyen tulajdonságai vannak a műanyagoknak ipari alkalmazásuk alapjául?
4. Milyen típusú gyémánt kristályrácsról van szó? Sorolja fel a gyémántra jellemző fizikai tulajdonságokat!
5. Milyen típusú jódkristályrácsról van szó? Sorolja fel a jódra jellemző fizikai tulajdonságokat!
6. Miért változik a fémek olvadáspontja nagyon széles tartományban? A kérdés megválaszolásához használjon további szakirodalmat.
7. Miért törik darabokra a szilíciumtermék ütközéskor, míg az ólomtermék csak ellaposodik? Ezek közül melyik esetben bomlik fel a kémiai kötés, és melyikben nem? Miért?

A víz ismerős és szokatlan anyag. Bolygónk felszínének csaknem 3/4-ét óceánok és tengerek foglalják el. Kemény víz – hó és jég – a szárazföld 20%-át borítja. A bolygó éghajlata a víztől függ. A geofizikusok ezt mondják A föld már rég kihűlt volna, és élettelen kődarabká változott volna, ha nem a víz. Nagyon nagy hőkapacitása van. Melegítve elnyeli a hőt; kihűlve odaadja. A Föld vize sok hőt elnyel és vissza is ad, ezáltal „kiegyenlíti” az éghajlatot. És ami megvédi a Földet a kozmikus hidegtől, azok azok a vízmolekulák, amelyek szétszóródnak a légkörben - felhőkben és gőz formájában.

A víz a természet legtitokzatosabb anyaga a DNS után, olyan egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek nemcsak hogy még nem teljesen kifejtettek, de messze nem is ismertek. Minél tovább tanulmányozzák, annál több új anomáliát és rejtélyt találnak benne. Ezen anomáliák többsége, amelyek lehetővé teszik az életet a Földön, a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekkel magyarázható, amelyek sokkal erősebbek, mint a más anyagok molekulái közötti van der Waals-vonzóerő, de nagyságrenddel gyengébbek, mint az ionos és kovalensek. kötések a molekulák atomjai között. Ugyanaz hidrogénkötések a DNS-molekulában is jelen vannak.

Egy vízmolekula (H 2 16 O) két hidrogénatomból (H) és egy oxigénatomból (16 O) áll. Kiderül, hogy a víz tulajdonságainak szinte teljes sokféleségét és megnyilvánulásuk szokatlanságát végső soron meghatározza fizikai természet ezek az atomok, a molekulává való egyesülés módja és a kapott molekulák csoportosítása.

Rizs. A vízmolekula szerkezete . A H2O monomer geometriai diagramja (a), lapos modellje (b) és térbeli elektronszerkezete (c). Az oxigénatom külső héjában található négy elektron közül kettő vesz részt kovalens kötések létrehozásában a hidrogénatomokkal, a másik kettő pedig erősen megnyúlt elektronpályákat képez, amelyek síkja merőleges H-O-H repülőgép.

A H 2 O vízmolekula háromszög alakban épül fel: a két oxigén-hidrogén kötés közötti szög 104 fok. De mivel mindkét hidrogénatom az oxigén ugyanazon az oldalán található, elektromos töltések szétszóródnak benne. A vízmolekula poláris, ez az oka a különböző molekulái közötti különleges kölcsönhatásnak. A H 2 O molekulában lévő, részlegesen pozitív töltésű hidrogénatomok kölcsönhatásba lépnek a szomszédos molekulák oxigénatomjainak elektronjaival. Ezt a kémiai kötést hidrogénkötésnek nevezik. Egyesíti a H 2 O molekulákat a térszerkezet egyedi asszociációivá; a hidrogénkötések síkja merőleges ugyanazon H 2 O molekula atomjainak síkjára A vízmolekulák közötti kölcsönhatás elsősorban annak olvadásának és forrásának abnormálisan magas hőmérsékletét magyarázza. További energiát kell szolgáltatni a hidrogénkötések fellazításához, majd megsemmisítéséhez. És ez az energia nagyon jelentős. Ezért olyan magas a víz hőkapacitása.

Egy vízmolekula két poláris kovalens kötést tartalmaz H-O. Két egyelektronos p - oxigénatomfelhők és egyelektronos S - két hidrogénatom felhőjének átfedése miatt jönnek létre.

A hidrogén- és oxigénatomok elektronszerkezetének megfelelően egy vízmolekulának négy elektronpárja van. Közülük kettő vesz részt kovalens kötések kialakításában két hidrogénatommal, azaz. kötelező érvényűek. A másik két elektronpár szabad - nem kötődik. Elektronfelhőt alkotnak. A felhő heterogén – egyedi koncentrációk, ritkaságok különböztethetők meg benne.

Egy vízmolekulának négy pólustöltése van: kettő pozitív és kettő negatív. A pozitív töltések a hidrogénatomokon koncentrálódnak, mivel az oxigén elektronegatívabb, mint a hidrogén. A két negatív pólus két nem kötő elektronpárból származik.

Az oxigénmagban felesleges elektronsűrűség keletkezik. Az oxigén belső elektronpárja egyenletesen keretezi az atommagot: sematikusan egy kör ábrázolja, amelynek középpontja - az O 2 - atommag. A négy külső elektron két elektronpárba van csoportosítva, amelyek az atommag felé gravitálnak, de részben nincsenek kompenzálva. Sematikusan ezeknek a pároknak az összes elektronpályáját ellipszisek formájában mutatjuk be, amelyek egy közös centrumból - az O 2-magból - megnyúltak. Az oxigénben lévő maradék két elektron mindegyike egy elektronnal párosul a hidrogénben. Ezek a gőzök az oxigénmag felé is gravitálódnak. Ezért a hidrogénatommagok - protonok - kissé csupasznak bizonyulnak, és itt az elektronsűrűség hiánya figyelhető meg.

Így egy vízmolekulában négy töltéspólus van: két negatív (túlzott elektronsűrűség az oxigénmag tartományában) és két pozitív (elektronsűrűség hiánya a két hidrogénmagban). A nagyobb áttekinthetőség kedvéért elképzelhetjük, hogy a pólusok egy deformált tetraéder csúcsait foglalják el, amelynek középpontjában egy oxigénmag található.

Rizs. A vízmolekula szerkezete: a – szög az O-H kötések között; b – töltőoszlopok elhelyezkedése; V - kinézet vízmolekula elektronfelhője.

A majdnem gömb alakú vízmolekula polaritása észrevehetően kifejezett, mivel az elektromos töltések aszimmetrikusan helyezkednek el. Mindegyik vízmolekula egy miniatűr dipólus, amelynek nagy dipólusmomentuma 1,87 deBy. A Debye egy 3,33564·10 30 C·m elektromos dipólus rendszeren kívüli egysége. A vízdipólusok hatására a benne elmerült anyag felületén interatomikus vagy intermolekuláris erők 80-szor gyengülnek. Más szóval, a víznek nagy a dielektromos állandója, a legmagasabb az általunk ismert vegyületek közül.

Nagyrészt ennek köszönhetően a víz univerzális oldószerként nyilvánul meg. A szilárd anyagok, folyadékok és gázok valamilyen mértékben ki vannak téve az oldó hatásának.

A víz fajlagos hőkapacitása az összes anyag közül a legmagasabb. Ezenkívül kétszerese a jégének, míg a legtöbb egyszerű anyag (például fémek) hőkapacitása gyakorlatilag nem változik az olvadási folyamat során, a többatomos molekulákból készült anyagoknál pedig általában csökken. olvadás közben.

A molekula szerkezetének ilyen megértése lehetővé teszi a víz számos tulajdonságának megmagyarázását, különösen a jég szerkezetét. A jégkristályrácsban minden molekulát négy másik molekula vesz körül. Síkképen ez a következőképpen ábrázolható:

A molekulák közötti kapcsolat egy hidrogénatomon keresztül valósul meg. Egy vízmolekula pozitív töltésű hidrogénatomja vonzódik egy másik vízmolekula negatív töltésű oxigénatomjához. Ezt a kötést hidrogénkötésnek nevezzük (pontokkal jelöljük). A hidrogénkötés erőssége körülbelül 15-20-szor gyengébb, mint a kovalens kötésé. Ezért a hidrogénkötés könnyen felszakad, ami például a víz elpárolgása során figyelhető meg.

Rizs. balra - Hidrogénkötések a vízmolekulák között

A folyékony víz szerkezete a jégéhez hasonlít. A folyékony vízben a molekulák is hidrogénkötéseken keresztül kapcsolódnak egymáshoz, de a víz szerkezete kevésbé „merev”, mint a jégé. A vízben lévő molekulák hőmozgása miatt egyes hidrogénkötések felszakadnak, mások pedig létrejönnek.

Rizs. Jég kristályrácsa. A csomópontjaiban található H 2 O vízmolekulák (fekete golyók) úgy helyezkednek el, hogy mindegyiknek négy „szomszédja” van.

A vízmolekulák polaritása és a bennük lévő részben kompenzálatlan elektromos töltések hajlamot okoznak a molekulák nagy „közösségekbe” - asszociációkba történő csoportosítására. Kiderült, hogy csak a gőz állapotú víz felel meg teljes mértékben a H2O képletnek. Ezt mutatták a meghatározás eredményei molekuláris tömeg vízpára. A 0 és 100 °C közötti hőmérséklet-tartományban a folyékony víz egyedi (monomer molekuláinak) koncentrációja nem haladja meg az 1%-ot. Az összes többi vízmolekula különböző összetettségű asszociációkká egyesül, és összetételüket a (H 2 O)x általános képlet írja le.

Az asszociációk kialakulásának közvetlen oka a vízmolekulák közötti hidrogénkötések. Egyes molekulák hidrogénmagjai és más vízmolekulák oxigénmagjainak elektron „kondenzációi” között keletkeznek. Igaz, ezek a kötések tízszer gyengébbek, mint a „szokásos” intramolekuláris kémiai kötések, és a közönséges molekuláris mozgások is elegendőek a tönkretételükhöz. De a termikus rezgések hatására ugyanolyan könnyen jönnek létre új ilyen típusú kapcsolatok. A társulások megjelenése és bomlása a következő diagrammal fejezhető ki:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Mivel az egyes vízmolekulák elektronpályái tetraéderes szerkezetet alkotnak, a hidrogénkötések a vízmolekulák elrendeződését tetraéderes koordinált társulásokba rendezhetik.

A legtöbb kutató azzal magyarázza a folyékony víz rendellenesen nagy hőkapacitását, hogy a jég olvadásakor a kristályszerkezete nem omlik össze azonnal. Folyékony vízben a molekulák közötti hidrogénkötések megmaradnak. A benne lévő jégdarabok - nagy vagy kisebb számú vízmolekula társulásai. A jéggel ellentétben azonban minden társ nem létezik sokáig. Egyesek megsemmisülése és más társak kialakulása folyamatosan történik. Ebben a folyamatban a vízben minden hőmérsékleti értéknél létrejön a saját dinamikus egyensúlya. És amikor a vizet melegítik, a hő egy része a társult hidrogénkötések megszakítására fordítódik. Ebben az esetben 0,26-0,5 eV-ot fordítanak az egyes kötések megszakítására. Ez magyarázza a víz anomálisan nagy hőkapacitását más anyagok olvadékaihoz képest, amelyek nem képeznek hidrogénkötést. Az ilyen olvadékok hevítésekor az energiát csak az atomok vagy molekulák hőmozgására fordítják. A vízmolekulák közötti hidrogénkötések csak akkor szakadnak meg teljesen, ha a víz gőzzé alakul. Ennek az álláspontnak a helyességét jelzi az is, hogy a vízgőz fajlagos hőkapacitása 100°C-on gyakorlatilag egybeesik a jég 0°C-os fajhőkapacitásával.

Kép lent:

Alapvető szerkezeti elem a társult a klaszter: Rizs. Külön hipotetikus vízklaszter. Az egyes klaszterek vízmolekulák (H 2 O) asszociációit alkotják x: Rizs. A vízmolekulák klaszterei társulásokat alkotnak.

Van egy másik nézőpont is a víz rendellenesen nagy hőkapacitásának természetéről. G. N. Zatsepina professzor megjegyezte, hogy a víz moláris hőkapacitása, amely 18 cal/(molgrád), pontosan megegyezik az elméleti moláris hőkapacitással. szilárd háromatomos kristályokkal. És Dulong és Petit törvényének megfelelően az összes kémiailag egyszerű (monatomikus) kristályos test atomi hőkapacitása kellően magas hőmérsékleten azonos és 6 calDmol o deg). A háromatomosoknál pedig, amelyek grammoljában 3 N a kristályrácshely található, 3-szor több. (Itt N a Avogadro száma).

Ebből az következik, hogy a víz egy kristályos test, amely háromatomos H 2 0 molekulákból áll. Ez megfelel annak az általános elképzelésnek, hogy a víz kristályszerű asszociációk és szabad H 2 O vízmolekulák keveréke. közöttük, amelyek száma a hőmérséklet emelkedésével nő. Ebből a szempontból nem a folyékony víz nagy hőkapacitása a meglepő, hanem az alacsony kemény jég. A víz fajlagos hőkapacitásának csökkenése a fagyás során azzal magyarázható, hogy a jég merev kristályrácsában hiányoznak az atomok keresztirányú hőrezgései, ahol minden protonnak, amely hidrogénkötést okoz, három helyett csak egy szabadsági foka van a hőrezgésekre. .

De mitől és hogyan következhetnek be ilyen nagy változások a víz hőkapacitásában megfelelő nyomásváltozás nélkül? A kérdés megválaszolásához találkozzunk a geológiai és ásványtani tudományok kandidátusának, Yu A. Koljasznyikovnak a víz szerkezetére vonatkozó hipotézisével.

Rámutat, hogy a hidrogénkötések felfedezői, J. Bernal és R. Fowler 1932-ben a folyékony víz szerkezetét a kvarc kristályos szerkezetével hasonlították össze, és a fent említett társuk főként 4H 2 0 tetramerek, amelyekben négy található. A vízmolekulák egy kompakt tetraéderré kapcsolódnak össze tizenkét belső hidrogénkötéssel. Ennek eredményeként tetraéder képződik.

Ugyanakkor ezekben a tetramerekben a hidrogénkötések jobb- és balkezes szekvenciákat is alkothatnak, ahogyan a szintén tetraéderes szerkezetű, széles körben elterjedt kvarc (Si0 2) kristályai is jobb- és balkezes kristályformákban jelennek meg. . Mivel minden ilyen víztetramerben négy fel nem használt külső hidrogénkötés is található (mint egy vízmolekula), a tetramerek ezekkel a külső kötésekkel egyfajta polimer láncokká, például DNS-molekulákká kapcsolhatók össze. És mivel csak négy külső kötés van, és háromszor több belső, ez lehetővé teszi, hogy a folyékony vízben lévő nehéz és erős tetramerek meggörbüljenek, elforduljanak, sőt megszakítsák ezeket a külső hidrogénkötéseket, amelyeket a termikus rezgések gyengítenek. Ez határozza meg a víz folyékonyságát.

A víz Koljasznyikov szerint ilyen szerkezetű csak folyékony halmazállapotban, esetleg részben gőzállapotban van. De a jégben, amelynek kristályszerkezetét jól tanulmányozták, a tetrahidrolok rugalmatlan, ugyanolyan erős közvetlen hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz egy áttört keretté, amelyben nagy üregek vannak, ami miatt a jég sűrűsége kisebb, mint a víz sűrűsége. .

Rizs. A jég kristályszerkezete: a vízmolekulák szabályos hatszögekben kapcsolódnak egymáshoz

Amikor a jég olvad, a benne lévő hidrogénkötések egy része meggyengül és meghajlik, ami a szerkezet átstrukturálódásához vezet a fent leírt tetramerekké, és a folyékony vizet sűrűbbé teszi a jégnél. 4°C-on olyan állapot lép fel, amikor a tetramerek közötti összes hidrogénkötés maximálisan meghajlik, ami meghatározza a víz maximális sűrűségét ezen a hőmérsékleten. A kapcsolatoknak nincs hova továbbmenniük.

4°C feletti hőmérsékleten a tetramerek közötti egyedi kötések felszakadnak, 36-37°C-on pedig a külső hidrogénkötések fele felbomlik. Ez határozza meg a minimumot a víz fajlagos hőkapacitása a hőmérséklet függvényében. 70 °C hőmérsékleten szinte minden intertetramer kötés felszakad, és a szabad tetramerekkel együtt csak a „polimer” láncok rövid töredékei maradnak vízben. Végül, amikor a víz felforr, megtörténik az egyes tetramerek végső felszakadása egyedi H 2 0 molekulákká, és az a tény, hogy a víz fajpárolgási hője pontosan 3-szor nagyobb, mint az olvadó jég és az azt követő melegítés fajhőinek összege. a víz 100 °C-ra megerősíti Koljasznyikov Körülbelül feltételezését. hogy egy tetramerben a belső kötések száma 3-szor nagyobb a külső kötések számánál.

A víznek ez a tetraéderes-spirális szerkezete annak köszönhető, hogy ősi reológiai kapcsolata van a földkéregben túlsúlyban lévő kvarccal és más szilícium-oxigén ásványokkal, amelyek mélyéről egykor a víz megjelent a Földön. Ahogyan egy kis sókristály hatására a körülötte lévő oldat hasonló kristályokká kristályosodik, és nem másé, úgy a kvarc hatására a vízmolekulák tetraéderes struktúrákban sorakoznak fel, amelyek energetikailag a legkedvezőbbek. A mi korunkban pedig a föld légkörében a cseppekké kondenzálódó vízgőz alkot ilyen szerkezetet, mert a légkörben mindig vannak olyan apró aeroszolos vízcseppek, amelyek már ilyen szerkezettel rendelkeznek. Ezek a vízgőz kondenzációs központjai a légkörben. Az alábbiakban a tetraéderen alapuló lehetséges láncszilikát szerkezetek láthatók, amelyek víztetraéderekből is állhatnak.

Rizs. Elemi szabályos szilícium-oxigén tetraéder SiO 4 4-.

Rizs. Elemi szilícium-oxigén egységek-ortocsoportok SiO 4 4- a Mg-piroxénensztatit szerkezetében (a) és diorto csoportok Si 2 O 7 6- a Ca-piroxenoid wollastonitban (b).

Rizs. A szilícium-oxigén anionos szigetcsoportok legegyszerűbb típusai: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Rizs. lent - A szilícium-oxigén lánc anionos csoportjainak legfontosabb típusai (Belov szerint): a-metagermanát, b - piroxén, c - batysite, d-wollastonit, d-vlasovit, e-melilit, f-rodonit, z-piroxmangit , i-metafoszfát, k - fluoroberilát, l - barilit.

Rizs. alább - Piroxén szilícium-oxigén anionok kondenzációja méhsejt kétsoros amfibol (a), háromsoros amfibolszerű (b), réteges talkum és rokon anionokká (c).

Rizs. lent - A sávos szilícium-oxigén csoportok legfontosabb típusai (Belov szerint): a - szilimanit, amfibol, xonotlit; b-epididimitis; β-ortoklász; g-narsarsukite; prizmás d-fenacit; e-euklász intarziás.

Rizs. a jobb oldalon - A KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 muszkovit (AlSi 3 O 10 XOH) 2 réteges kristályszerkezetének töredéke (elemi csomag), amely az alumínium-szilícium-oxigén hálózatok közötti rétegződését szemlélteti nagyméretű alumínium- és káliumkationokból álló poliéderes rétegekkel, amelyekre emlékeztet. egy DNS-lánc.

A vízszerkezet más modelljei is lehetségesek. A tetraéderhez kötött vízmolekulák meglehetősen stabil összetételű, sajátos láncokat alkotnak. A kutatók a víztömeg „belső szerveződésének” egyre finomabb és összetettebb mechanizmusait tárják fel. A jégszerű szerkezet, a folyékony víz és a monomer molekulák mellett a szerkezet harmadik elemét is leírják - nem tetraéderes.

A vízmolekulák egy része nem háromdimenziós keretekben, hanem lineáris gyűrűs asszociációkban kapcsolódik össze. A gyűrűk csoportosítva még összetettebb társult komplexeket alkotnak.

Így a víz elméletileg láncokat képezhet, mint egy DNS-molekula, amint azt az alábbiakban tárgyaljuk. Egy másik érdekesség ebben a hipotézisben, hogy a jobb- és balkezes víz létezésének egyenlő valószínűségét jelenti. A biológusok azonban régóta észrevették, hogy a biológiai szövetekben és struktúrákban csak bal- vagy jobbkezes képződmények figyelhetők meg. Példa erre a fehérjemolekulák, amelyek csak balkezes aminosavakból épülnek fel, és csak balkezes spirálba csavarodnak. De a cukrok a természetben mind jobbkezesek. Senki sem tudta még megmagyarázni, miért van az élő természetben bizonyos esetekben ilyen előnyben a baloldal, máskor a jobboldal. Végül is be élettelen természet Mind a jobb-, mind a balkezes molekulák azonos valószínűséggel megtalálhatók.

Több mint száz évvel ezelőtt a híres francia természettudós, Louis Pasteur felfedezte ezt szerves vegyületek A növények és állatok részeként optikailag aszimmetrikusak - elforgatják a rájuk eső fény polarizációs síkját. Az állatokat és növényeket alkotó összes aminosav balra forgatja a polarizációs síkot, az összes cukor pedig jobbra. Ha azonos kémiai összetételű vegyületeket szintetizálunk, akkor mindegyik azonos számú bal- és jobbkezes molekulát tartalmaz.

Mint tudják, minden élő szervezet fehérjékből áll, ezek viszont aminosavakból állnak. Különféle szekvenciákban kombinálva az aminosavak hosszú peptidláncokat alkotnak, amelyek spontán módon „csavaródnak” összetett fehérjemolekulákká. Sok más szerves vegyülethez hasonlóan az aminosavak is királis szimmetriával rendelkeznek (a görög chiros szóból - kéz), vagyis két tükörszimmetrikus formában létezhetnek, úgynevezett „enantiomerek”. Az ilyen molekulák hasonlóak egymáshoz, mint a bal és a jobb kéz, ezért D- és L-molekuláknak nevezik őket (a latin dexter, laevus - jobb és bal szóból).

Most képzeljük el, hogy egy bal és jobb oldali molekulákat tartalmazó közeg olyan állapotba került, amelyben csak bal vagy csak jobb molekulák találhatók. A szakértők az ilyen környezetet királisan (a görög „cheira” szóból - kéz) rendezettnek nevezik. Az élőlények önszaporodása (biopoiesis - D. Bernal meghatározása szerint) csak ilyen környezetben jöhet létre és tartható fenn.

Rizs. Tükörszimmetria a természetben

Az enantiomer molekulák másik neve - "balra forgató" és "balra forgató" - a fény polarizációs síkjának különböző irányokba történő elforgatásának képességéből származik. Ha lineárisan polarizált fényt vezetünk át ilyen molekulák oldatán, akkor a polarizációs síkja elfordul: az óramutató járásával megegyező irányba, ha az oldatban lévő molekulák jobbkezesek, és az óramutató járásával ellentétes irányba, ha az oldatban lévő molekulák balkezesek. És egyenlő mennyiség keverékében D- és L-alakú(ezt "versenytársnak" nevezik) a fény megőrzi eredeti lineáris polarizációját. A királis molekuláknak ezt az optikai tulajdonságát először Louis Pasteur fedezte fel 1848-ban.

Érdekes, hogy szinte minden természetes fehérje csak balkezes aminosavakból áll. Ez a tény annál is meglepőbb, mivel az aminosavak szintézise során laboratóriumi körülmények megközelítőleg ugyanannyi jobb és bal oldali molekula képződik. Kiderült, hogy nem csak az aminosavak rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal, hanem sok más, az élő rendszerek számára fontos anyag is, és mindegyik rendelkezik a tükörszimmetria szigorúan meghatározott jelével az egész bioszférában. Például a sok nukleotid részét képező cukrokat, valamint a DNS-t és az RNS-t tartalmazó nukleinsavakat a szervezetben kizárólag jobbkezes D-molekulák képviselik. Bár a „tükör-antipódok” fizikai és kémiai tulajdonságai megegyeznek, élettani aktivitásuk a szervezetekben eltérő: az L-caxara nem szívódik fel, az L-fenilalanin ártalmatlan D-molekuláitól eltérően mentális betegségeket okoz stb.

Alapján modern ötletek A földi élet eredetéről a szerves molekulák egy bizonyos típusú tükörszimmetria kiválasztása szolgált túlélésük és későbbi önreprodukciójuk fő előfeltételeként. A tudomány egyik legnagyobb rejtélye azonban továbbra is az a kérdés, hogy hogyan és miért történt egyik vagy másik tükör-antipód evolúciós szelekciója.

L. L. Morozov szovjet tudós bebizonyította, hogy a királis rendbe való áttérés nem evolúciós úton történhet meg, hanem csak bizonyos éles fázisváltozással. V. I. Goldansky akadémikus királis katasztrófának nevezte ezt az átmenetet, amelynek köszönhetően létrejött az élet a Földön.

Hogyan alakultak ki a feltételek a királis átmenetet okozó fáziskatasztrófához?

A legfontosabb az volt, hogy a szerves vegyületek 800-1000 0C-on megolvadtak a földkéregben, a felsők pedig az űr hőmérsékletére, azaz abszolút nullára hűlnek. A hőmérsékletkülönbség elérte az 1000 °C-ot. Ilyen körülmények között a szerves molekulák megolvadtak a magas hőmérséklet hatására, sőt teljesen megsemmisültek, a teteje pedig hideg maradt, mivel a szerves molekulák megfagytak. A földkéregből kiszivárgó gázok és vízgőz megváltoztatta a szerves vegyületek kémiai összetételét. A gázok hőt vittek magukkal, aminek hatására a szerves réteg olvadási vonala fel-le mozgott, gradienst hozva létre.

Nagyon alacsony légköri nyomáson a víz kb a Föld felszíne csak gőz és jég formájában. Amikor a nyomás elérte a víz úgynevezett hármaspontját (0,006 atmoszféra), a víz először létezhetett folyadék formájában.

Természetesen csak kísérleti úton lehet bizonyítani, hogy pontosan mi okozta a királis átmenetet: földi vagy kozmikus okok. De így vagy úgy, egy bizonyos ponton a királisan rendezett molekulák (nevezetesen a balra forgató aminosavak és a jobbra forgató cukrok) stabilabbnak bizonyultak, és számuk megállíthatatlan növekedése kezdődött - királis átmenet.

A bolygó krónikája azt is elmondja, hogy akkoriban nem voltak hegyek vagy mélyedések a Földön. A félig megolvadt gránit kéreg olyan sima felületet mutatott, mint a modern óceán szintje. Ezen a síkon azonban még mindig voltak mélyedések a Földön belüli tömegek egyenetlen eloszlása ​​miatt. Ezek a csökkentések rendkívül fontos szerepet játszottak.

A helyzet az, hogy a több száz, sőt több ezer kilométer átmérőjű és legfeljebb száz méter mély lapos fenekű mélyedések valószínűleg az élet bölcsőjévé váltak. Hiszen a bolygó felszínén összegyűlt víz beléjük folyt. A víz felhígította a hamurétegben lévő királis szerves vegyületeket. A vegyület kémiai összetétele fokozatosan változott, a hőmérséklet stabilizálódott. A vízmentes körülmények között megkezdődött átmenet az élettelenből az élőbe már ben is folytatódott vízi környezet.

Ez az élet keletkezésének cselekménye? Valószínűleg igen. A 3,8 milliárd éves Isua (Nyugat-Grönland) geológiai szelvényén a fotoszintetikus eredetű szénre jellemző C12/C13 izotóparányú benzin- és olajszerű vegyületeket találtak.

Ha az Isua szakaszból származó szénvegyületek biológiai természete beigazolódik, akkor kiderül, hogy a Földön az élet keletkezésének teljes időszaka - a királis szerves anyagok megjelenésétől a fotoszintézisre és szaporodásra képes sejt megjelenéséig - lezajlott. mindössze százmillió év alatt készült el. A vízmolekulák és a DNS pedig óriási szerepet játszott ebben a folyamatban.

A víz szerkezetében az a legcsodálatosabb, hogy a vízmolekulák alacsony negatív hőmérsékleten és nagy nyomáson a nanocsövek belsejében DNS-re emlékeztető kettős hélix alakba tudnak kristályosodni. Ezt amerikai tudósok számítógépes kísérletei igazolták, Xiao Cheng Zeng vezetésével a Nebraska Egyetemen (USA).

A DNS egy spirálra csavart kettős szál. Minden szál „téglákból” - sorba kapcsolt nukleotidokból áll. A DNS minden egyes nukleotidja négy nitrogénbázis egyikét tartalmazza - guanint (G), adenint (A) (purinokat), timint (T) és citozint (C) (pirimidinek), amelyek a dezoxiribózhoz kapcsolódnak, az utóbbihoz pedig egy foszfát. csoport csatolva van. A szomszédos nukleotidok 3"-hidroxil- (3"-OH) és 5"-foszfátcsoportokból (5"-PO3) alkotott foszfodiészter-kötéssel kapcsolódnak egymáshoz láncban. Ez a tulajdonság határozza meg a polaritás jelenlétét a DNS-ben, azaz. ellentétes irányú, nevezetesen 5" és 3" végek: az egyik szál 5"-es vége megfelel a második szál 3"-os végének. A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi a különféle RNS-típusok információinak „kódolását”, amelyek közül a legfontosabbak a hírvivő vagy templát (mRNS), riboszómális (rRNS) és transzport (tRNS). Mindezek az RNS-típusok egy DNS-templáton szintetizálódnak úgy, hogy egy DNS-szekvenciát átmásolnak a transzkripció során szintetizált RNS-szekvenciába, és részt vesznek az élet legfontosabb folyamatában - az információ átvitelében és másolásában (fordítás).

A DNS elsődleges szerkezete a DNS-nukleotidok lineáris szekvenciája egy láncban. A DNS-lánc nukleotid-szekvenciáját egy betűs DNS-képlet formájában írják le: például - AGTCATGCCAG, a bejegyzés a DNS-lánc 5"-től 3"-ig terjedő végétől történik.

A DNS másodlagos szerkezete a nukleotidok (többnyire nitrogéntartalmú bázisok) egymással való kölcsönhatásai, hidrogénkötései következtében jön létre. A DNS másodlagos szerkezetének klasszikus példája a DNS kettős hélix. A DNS kettős hélix a DNS leggyakoribb formája a természetben, amely két DNS polinukleotid láncból áll. Az egyes új DNS-láncok felépítése a komplementaritás elve szerint történik, azaz. Az egyik DNS-lánc minden nitrogéntartalmú bázisa egy másik lánc szigorúan meghatározott bázisának felel meg: egy komplementer párban az A-val szemben a T, a G-vel szemben pedig a C stb.

Annak érdekében, hogy a víz ehhez hasonló spirált képezzen, egy szimulált kísérletben nanocsövekbe „helyezték” nagy nyomás alatt, a különböző kísérletekben 10 és 40 000 atmoszféra között változott. Ezt követően beállítottuk a hőmérsékletet, ami -23°C volt. A víz fagyáspontjához viszonyított különbséget az okozta, hogy a nyomás növekedésével a vízjég olvadáspontja csökken. A nanocsövek átmérője 1,35 és 1,90 nm között volt.

Rizs. Általános forma vízi szerkezetek (New Scientist kép)

A vízmolekulák hidrogénkötéseken keresztül kapcsolódnak egymáshoz, az oxigén- és hidrogénatomok távolsága 96 pm, két hidrogén között pedig 150 pm. Szilárd állapotban az oxigénatom részt vesz két hidrogénkötés kialakításában a szomszédos vízmolekulákkal. Ebben az esetben az egyes H 2 O molekulák egymással ellentétes pólusúak érintkeznek. Így olyan rétegek jönnek létre, amelyekben minden molekula a rétegének három molekulájához kapcsolódik, és egy a szomszédos molekulához. Ennek eredményeként a jég kristályszerkezete hatszögletű „csövekből” áll, amelyek méhsejtszerűen kapcsolódnak egymáshoz.

Rizs. Egy vízszerkezet belső fala (New Scientist kép)

A tudósok arra számítottak, hogy a víz minden esetben vékony csőszerű szerkezetet alkot. A modell azonban azt mutatta, hogy 1,35 nm-es csőátmérő és 40 000 atmoszféra nyomás mellett a hidrogénkötések meghajlottak, ami egy kettős falú spirál kialakulásához vezetett. Ennek a szerkezetnek a belső fala négyszeres hélix, a külső fal pedig négy kettős hélixből áll, hasonlóan a DNS-molekula szerkezetéhez.

Ez utóbbi tény nemcsak a vízről alkotott elképzeléseink alakulásában hagy nyomot, hanem az evolúcióban is. korai életés magát a DNS-molekulát. Ha feltételezzük, hogy az élet keletkezésének korszakában a kriolitos agyagkőzetek nanocső alakúak voltak, akkor felmerül a kérdés: a bennük felszívódó víz szolgálhat-e szerkezeti alapként (mátrixként) a DNS-szintézishez és az információolvasáshoz? Talán ez az oka annak, hogy a DNS spirális szerkezete megismétli a víz spirális szerkezetét a nanocsövekben. Mint a New Scientist magazin beszámol róla, most külföldi kollégáinknak infravörös spektroszkópiával és neutronszórás-spektroszkópiával kell igazolniuk az ilyen vízmakromolekulák létezését valós kísérleti körülmények között.

Ph.D. O.V. Mosin