Водородная связь в воде, ее основные критерии. Аномальные свойства воды. Понятие о электролизе и электролитах. Электрокристаллизация и ее закономерности. Динамика сетки водородных связей при электрокристаллизации воды. Кристаллические и аморфные льды.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Казанский (Приволжский) федеральный университет»

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность: «050100.68 Педагогическое образование»

Тема:

Динамика сетки водородных связей в воде и аморфном льде

Работа завершена:

“___”_____________ 2013 г. __________________ Р.Р. Садыкова

Работа допущена к защите:

Научный руководитель

к.ф.-м.н., доцент

“___”_____________ 2013 г. __________________ Р.М.Хуснутдинов

Заведующий кафедрой

к.ф.-м.н., доцент

“___”_____________ 2013 г. __________________ А.В.Мокшин

Казань 2013



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА И АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

§1.1 О воде.

§ 1.2 Водородная связь в воде. Критерий водородной связи

§ 1.3 Аномальные свойства воды

§ 1.4 Кристаллические льды

§ 1.5 Аморфные льды

ГЛАВА II.ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВОДЫ

§2.1 Понятие о электролизе и электролитах

§2.2 Электрокристаллизация и ее закономерности

§2.3 Динамика сетки водородных связей при электрокристаллизации воды

Результаты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО III ГЛАВЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



Введение

Вода является одной из самых распространенных соединений в Природе. Несмотря на простоту ее химической структуры многие свойства этой жидкости и механизмы протекания ее физических процессов далеки от полного понимания. Вода обладает широким спектром аномальных свойств, проявляющихся в термодинамических, структурных, транспортных и др. характеристиках системы. Отчасти это может быть объяснено наличием, так называемой сетки водородных связей в воде. Водородные связи во многом определяют поведение воды и являются главной причиной существенного ее отличия от других жидкостей. Природа этих сильных анизотропных межмолекулярных взаимодействий способствуют проявлению специфических термодинамических и структурных свойств воды, а так же динамического поведения уникального по сравнению с другими веществами. Свойствами жидкой воды, которыми обусловленные такие важные процессы, как растворение различных веществ и транспорт протонов, является результатом движения воды в постоянно меняющейся структуре сетки водородных связей. Одними из методов, с помощью которого можно выполнить качественные и количественные оценки динамики сетки водородных связей являются методы компьютерного моделирования. В последнее время предложены различные критерии, позволяющие рассчитывать и анализировать водородные связи на основе данных моделирования молекулярной динамики.

Цель: исследовать динамику сетки водородных связей в воде методом молекулярной динамики

Задачи:

• выполнить компьютерное моделирование молекулярной динамики воды для температурной области от 200 до 400К при давлении 1.0 атм и аморфного льда для температурной области при этом же давлении;

• выполнить компьютерное моделирование молекулярной динамики воды для давления от 1.0 атм. до 10000 атм. При постоянной температуре 277К;

• рассчитать радиальную функцию распределения молекул воды в зависимости от давления;

• выполнить литературный обзор критериев водородной связи для воды;

• с помощью геометрического критерия водородной связи исследовать температурную зависимость количества водородных связей приходящихся на одну молекулу;

• рассчитать параметры порядка;

• показать, что наличие графеновых стенок существенно изменяет фазовую диаграмму воды

• обнаружить, что вода, заключенная между графеновыми слоями переходит в кубический лед Ic.

• Показать, что при электрокристаллизации воды существенно изменяется динамика сетки водородных связей.

ГЛАВА I. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА И АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

§1.1 О воде

Вода (оксид водорода) -- химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н₂O.

В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а газообразном -- водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, льды).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.

Вода - это самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:

· Оксид водорода

· Гидроксид водорода

· Монооксид дигидрогена

· Гидроксильная кислота

· англ. hydroxic acid

· Оксидан

· Дигидромонооксид

§ 1.2 Водородная связь в воде. Критерий водородной связи

Согласно общему определению водородная связь - это особый тип связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода, связанного с другим электроотрицательным атомом.



Рис.1.2.1. Образование ВС связи.

Водородная связь (ВС) сильнее вандерваальсова взаимодействия, но слабее ковалентной

В компьютерном эксперименте пару молекул считают связанной водородной связью, если они удовлетворяют некоторым заранее сформулированным условиям - критериям образования ВС. Один из простейших энергетических критериев водородной связи, позволяющий идентифицировать ее в рамках численного эксперимента, был предложен в 1972 году Стиллинжером и Рахманом [1]. Согласно данному определению, две молекулы являются связанными водородной связью, если энергия взаимодействия между молекулами меньше некоторого порогового значения т.е.

(1)

Другой критерий водородной связи основывается на геометрических параметрах, учитывающих углы и расстояния между атомами. Существуют различные модификации геометрического критерия водородной связи [2-5]:

водородный связь вода лед

Согласно определению (2), водородная связь существует, если расстояние между атомами кислорода в соседних молекулах меньше или равно значению . В определении (3) расстояние между атомами кислорода и водорода в молекулярных парах ограничивается пороговым расстоянием . Параметр определяет максимальное значение длины водородной связи. Пороговые значения и обычно определяются из парциальных радиальных функций распределений частиц, и , соответственно. Двухпараметрический геометрический критерий водородной связи (4) накладывает дополнительное условие на ориентацию взаимодействующих молекул. Параметр представляет допустимое отклонение водородной связи от линейности. Обычно оно имеет значение порядка 30^о. Критерий, определяемый системой неравенств (5) включает условия (2) и (4). Недавно был введен модифицированный энергетический критерий водородной связи, определяемый следующими условиями:

(6)

Данный критерий фактически объединяет условия энергетического критерия Стиллинжера-Рахмана (1) и геометрического критерия (4).

§ 1.3 Аномальные свойства воды

Физические аномалии

Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине моле...