offline
- DR
- Legendarni građanin
- Pridružio: 08 Okt 2004
- Poruke: 5450
- Gde živiš: Beograd
|
Međumolekulske sile - uslov života
Piše: prof. dr Vera Dondur
Vodonične veze između molekula vode predstavljaju razlog zašto led pliva na površini vode. Struktura čvrstih supstancija je obično takva da su atomi u njima gušće pakovani nego u tečnoj fazi. Međutim, kada je voda u pitanju, to nije slučaj. Molekuli vode u ledu zahvaljujući vodoničnim vezama grade otvorenu strukturu, i zato led ima manju gustinu od vode. Dužina H-O veze je 1,0 Å (Angstrem, 10-10 m) dok je dužina O...H 1,8 Å.
U ledu su molekuli vode uređeni tako da grade otvorenu heksagonalnu strukturu. Led pliva na površini reka jezera i okeana, što omogućava živom svetu da preživi uprkos niskim temperaturama koje vladaju tokom zime, i koje na Zemljinim polovima traju dobar deo kalendarske godine.
Tako se može reći da su međumolekulske sile, vodonična veza - uslov života.
Vodonične veze
Piše: prof. dr Slobodan Macura
Kod molekula vode, ogoljeni atom vodonika (ogoljen jer je eletronski oblak uglavnom skoncentrisan oko atoma kiseonika) zbog svojih malih dimenzija može da priđe atomu kiseonika u susednom molekulu kada, zbog različitih naelektrisanja, dolazi do relativno jakog privlačenja među njima. Ta privlačna sila je dosta slabija od one koja nastaje u hemijskoj vezi O-H, ali je znatno jača od uobičajenog međumolekulskog privlačenja. Pošto je u najvećoj meri uslovljena dimenzijama i naeletrisanjem vodonika, ta nova međumolekulska veza se naziva vodonična veza. Još uvek se debatuje o pravom karakteru vodonične veze: da li je delimično kovalentna kao 'standardna' hemijska veza ili je čisto elektrostatička, kao druge međumolekulske sile. Taj mešoviti karakter čini je još uvek miste-rioznom kako za hemiju tako i za fiziku, ali i potpuno originalnom prirodnom pojavom koja se danas ispituje brojnim fizičkohemijskim metodama.
Molekul vode može da obrazuje četiri vodonične veze: dve kao donor (davalac) i dve kao akceptor (primalac) vodonika. Zbog karakteristične raspodele naelektrisanja oko atoma kiseonika, vodonične veze obrazuju tetraedar u čijem centru je atom kiseonika. U ledu je takav raspored očuvan kroz celu kristalnu rešetku, te u čvrstom stanju svaki molekul vode ima četiri vodonične veze.
U tečnoj fazi, međutim, zbog toplotnog kretanja, vodonične veze se stalno obrazuju i raskidaju te svaki molekul u proseku obrazuje 3,4 vodonične veze. To znači da najvećI broj molekula obrazuje četiri vodonične veze ali ima i onih sa tri (ili manje). Molekuli sa manje od četiri veze ne moraju biti u tetraedarskom rasporedu u odnosu na okolne molekule te su šupljine, nastale pravilnim tetraedarskim uređenjem, delimično popunjene. To dovodi do povećanja broja molekula po jedinici zapremine, tj. do porasta gustine tečnosti u odnosu na kristal. Dakle, anomalna promena gustine (opadanje gustine pri topljenju leda) objašnjava se smanjenjem broja vodoničnih veza u tečnosti u odnosu na kristal. Zbog toga led pliva po površini vode a voda u prirodi mrzne od površine ka dnu. Time se i pri najvećim hladnoćama sprečava kompletno mržnjenje velikih vodenih masa (reka, jezera, mora) što omogućava opstanak vodenim biljkama i životinjama. Međutim, ista pojava, širenje vode posle prelaska iz tečne u čvrstu fazu dovodi do pucanja cevi i flaša sa vodom, havarija na brodovima okovanih ledom u severnim morima, uginuća biljaka i životinja posle zamrzavanja, itd. Dakle, vodonične veze nisu samo kuriozitet fizičke hemije već mikroskopska pojava s velikim uticajem na život na Zemlji i na civilizaciju.
Voda
Kako iz ugla fizičke hemije može da izgleda kratka priča o najsloženijoj jednostavnoj supstanciji
Piše: dr Branislav Simonović
Naizgled najjednostavnija supstancija - voda, sastavljena od dva atoma vodonika (H) i jednog atoma kiseonika (O), posmatrana okom fizikohemičara pokazuje mnoge anomalne (neuobičajene) osobine. Često se kaže da baš od tih anomalnih svojstava vode zavisi život. Poznato je da organizmi sadrže visok procenat vode i da voda ima veliki toplotni kapacitet. Otuda potiče sposobnost organizma da vrši toplotnu regulaciju i da sprečava velike lokalne promene temperature. Velika toplota isparavanja sprečava dehidrataciju (gubljenje vode) a u isto vreme doprinosi hlađenju pri isparavanju. Voda je i izvrstan rastvarač jer je polarna, ima veliku dielektričnu konstantu i male molekule. Njena jedinstvena hidrataciona svojstva kod bioloških makromolekula (posebno kod proteina i nukleinskih kiselina) određuju trodimenzionu strukturu, a time i njihove funkcije u rastvoru. Hidratacijom ovih makromolekula nastaju gelovi koji reverzibilno mogu da prelaze u solove i ovi fazni prelazi utiču na mnoge ćelijske mehanizme. Uloga vode u organizmu je višestruka. Voda prenosi, podmazuje, hemijski reaguje, stabiliše, signalizuje, učestvuje u izgradnji ili u razgradnji struktura.
Sudeći po osobinama drugih jedinjenja kiseonika i vodonika, voda bi trebalo da bude delimično isparljiv gas. Ona je tečna s 200.000 puta većom gustinom nego što se očekuje na osnovu čvrstih pravila periodnog sistema.
Vodena para igra veoma značajnu ulogu u klimatskim promenama. Oblaci su, u stvari, kapljice vode ili kristalići leda suspendovani u vazduhu. Kondenzacijom vodene pare nastaju kapljice vode (prečnika oko 0,01 mm) ili kristalići leda. Milijarde ovakvih kapljica ili kristalića vide se kao oblak. Oblaci reflektuju jednako sve talasne dužine vidljive svetlosti, pa su zbog toga beli. Magla je oblak u konaktu sa zemljom. Prema načinu na koji nastaje, razlikuje se čak 8 vrsti magle.
Zanimljiva je i značajna uloga vodene pare u nastajanju tzv. efekta staklene bašte, mada se to često previđa. Atmosfera je Zemljin vazdušni omotač, nalik na prirodni "prekrivač", koji zadržava toplotu izračenu sa zemlje. Polovina sunčevog zračenja prolazi kroz atmosferu i zagreva Zemlju a druga polovina se reflektuje nazad. Pošto je primila izvesnu količinu toplote, Zemlja se ponaša kao zagrejano telo koje zrači. Iz zakona zračenja može da se izračuna koje će talasne dužine da zrači telo (zemlja) zagrejano na +7 oC, što je prosečna zemljina temperatura. To zračenje je u oblasti talasnih dužina 500 - 1800 cm-1. U toj oblasti najvažniji "gasovi u tragovima" u atmosferi (vodena para, ugljendioksid i ozon) apsorbuju zračenje. Na osnovu sadržaja pojedinih "gasova u tragovima" može da se izračuna da oko 60% uticaja na efekat staklene bašte potiče od vodene pare, oko 20% od ugljendioksida i oko 20% od ostalih gasova (ozon, azotovi oksidi, metan, i dr.). Toliki uticaj vodene pare mogao bi da bude poguban po dalje zagrevanje zemlje. Povećanim isparavanjem vode nastaju oblaci. Oblaci, kao što je već rečeno, reflektuju najveći deo sunčevog zračenja i time smanjuju količinu toplote koja dolazi na Zemlju. Vodena para u oblacima, dakle, doprinosi i smanjenju zagrevanja Zemlje. Priroda se još jednom postarala da uravnoteži pozitivne i negativne uticaje.
Pozitivni vodonik s jednog molekula vode privučen negativnim kiseonikom s drugog obrazuje vezu, slabiju od hemijske ali jaču od uobičajene međumolekulske veze. U čvrstom stanju (ledu) svaki molekul vode obrazuje četiri vodonične veze. Zelene isprekidane linije označavaju vodoničnu vezu, a strelice su usmerene od vodonika ka akceptoru
Oko fizikohemičara može da vidi mnogo više i kod tako "jednostavne" supstance kao što je voda. Tako su kod vode uočena brojna anomalna svojstva, čak 41 neuobičajeno svojstvo. Od neobično visoke tačke topljenja, tačke ključanja, kritične tačke, površinskog napona, viskoznosti, toplote isparavanja, preko toga da se voda skuplja pri topljenju ili da joj gustina raste pri zagrevanju do 3,984 oC, sve do toga da su vibracije u toploj vodi duže nego u hladnoj. Radoznaliji čitaoci potražiće literaturu o svakoj od 41 anomalne osobine vode.
Priča o neobičnosti obične vode mogla bi da se nastavi i opisivanjem kapljica vode koje mogu da postoje, zajedno s kubičnim kristalima leda, čak i na temperaturi od -70 oC, a koje mogu da se dobiju iz amorfnog staklastog leda koji se javlja između -123 oC i -149 oC. Pominjanje leda, dakle vode u čvrstom stanju, uvodi nas u oblast niskih temperatura i u priču o ledu, snegu i snežnim pahuljicama. Mnogi od nas uživaju posmatrajući kako pada sneg, hvataju pahuljice i čude se raznolikosti njihovih oblika i veličina. Kao što je to još 1635. godine činio Blez Paskal: "Teško mi je da zamislim kako su nastali i kako je tako potpuno simetrično postavljeno tih šest zubaca oko svakog zrna i to usred vazduha koji se meša vrlo jakim vetrom..." Zaneti lepotom prizora nisu ni razmišljali da su neke oči fizikohemičara sve to mnogo detaljnije posmatrale i proučavale. Od kristalne strukture leda i uslova u kojima mogu da nastanu, sve do raznolikosti kristalnih oblika. Tako je nađeno da voda, kao nijedna druga supstanca, ima čak 14 različitih kristalnih oblika leda; da je najčešći oblik leda heksagonalna kristalna rešetka, pa otuda i Paskalovo zapažanje o "šest zubaca"; da snežni kristalići ne nastaju smrzavanjem kišnih kapi već vodene pare, što se dešava u oblacima. Međunarodna komisija za sneg i led ustanovila je 1951. godine 7 glavnih tipova snežnih kristala; prema drugoj klasifikaciji ima ih 41, a prema trećoj čak 80 različitih morfoloških tipova. Neki od tih kristalnih oblika (kao na slici levo) izdvajaju se svojom lepotom.
U ledu četiri vodonične veze oko svakog molekula vode održavaju molekule u pravilnom geometrijskom raspredu čime nastaje kristalna rešetka. U vodi, zbog toplotnog kretanja, vodonične veze se neprekidno stvaraju i raskidaju, te ima molekula i sa manje od četiri veze. Ti molekuli ne moraju da budu u pravilnom rasporedu, te mogu da ispune i šupljine koje postoje u pravilnom kristalu. Zbog toga raste broj molekula po jedinici zapremine, a otuda i veća gustina tečnosti u odnosu na led
Iz navedenih primera o osobinama i ponašanju jednog naizgled jednostavnog jedinjenja kao što je voda, vidi se da se pažljivijem posmatraču ili radoznalijem čitaocu nameće još mnogo novih pitanja - zašto led pliva po vodi? zašto je voda u jezeru plava kad je u čaši bezbojna? zašto je led bele boje kad su pojedinačni kristalići snega bezbojni... I na ova pitanja fizička hemija ima odgovore. Da neko ne pomisli da fizička hemija ima odgovore na sva moguća pitanja. To bi onda bio kraj nauke! Ostalo je još mnogo otvorenih pitanja za čijim se odgovorima i dalje traga. Otuda i toliko posla i izazova za sadašnje i buduće fizikohemičare. Za prave fizikohemičare posla će uvek biti jer svaki novi odgovor uvek postavlja nova pitanja.
http://www.sgi.rs/html/009/00904.html
|
