Структура жидкой воды
Под структурой воды понимается конкретное расположение в пространстве составляющих структуру частиц – молекул воды.
Представим себе ситуацию, что мы имеем идеально чистую воду, из которой образовался лед с идеальной кристаллической, т.е. плотнейшей структурой. Диаметр молекулы воды во льду, определенный методами кристаллографии, равен 2,76 Å (0,276 нм). Если бы жидкая вода обладала идеальной, т.е. плотнейшей упаковкой молекул, напоминающей размещение бильярдных шаров в ящике, то в 1 см3объема поместилось бы 1/√16dчастиц, плотность воды была бы 1,74 г/см3, а координационное число, т.е. количество контактирующих соседей, равнялось бы 12. В действительности же структура воды ажурная, т.е. в ней имеется множество пустот, координационное число 4-5, а плотность близка к 1 г/см3(см.рис.1.5)
Рис.1.5. Кристаллическая структура воды
В жидкой воды молекулы не реализуют полностью свои водородные связи, существуют свободные молекулы, способные проникать в пустоты ажурного каркаса. Все это называется дефектами кристаллической решетки, причина возникновения которых до сих пор выясняется. Одной из причин называют наличие тяжелой воды D2О, искажающей кристаллическую решетку.
Таким образом, в жидкой воде существует ближний порядок, т.е. сохранение кристаллической структуры на некотором небольшом расстоянии. За счет теплового движения молекул часть их отрывается от ассоциата и становится свободной, другая их часть, оставаясь в структуре ассоциата, искажает кристаллический порядок. Схематично это показано на рис.1.6.
Рис.1.6. Схематическое изображение структуры жидкой воды (кластерная модель)
Сохранившие структуру ассоциаты получили название «кластеры».
Если для наглядности каждую молекулу воды представить в виде шара, а связи между ними – в виде пружинок, то каждый шар окажется связанным с четырьмя соседними, образуя элементарную ячейку-тетраэдр. Множество тетраэдров объединяются в некую колеблющуюся, но упорядоченную систему. Часть шаров отрываются, свободно перемещаются среди кластеров, могут проникать внутрь ажурной структуры.
Пока вода существует в форме льда, шары колеблются и перемещаются в пределах тех степеней свободы, которые дают им упругие связи – пружинки, т.е. они могут колебаться и поворачиваться вокруг своей оси. В объеме существует дальний порядок.
При повышении температуры движение шаров усиливается, плавление льда сопровождается разрывом связей. После завершения процесса плавления устанавливается равновесие для данной температуры, когда разорванными сохраняется определенная доля связей. При нормальной температуре разрываются 9-10% всех водородных связей.
Плотность воды в твердом состоянии 0,9168, а в жидком – 0,9998 г/см3, т.е. вода при плавлении сжимается на 8,3%. Это близко и к доле разорванных водородных связей.
Посмотрим, что происходит внутри кластера. Элементарная ячейка – тетраэдр – имеет возможность присоединить еще двенадцать молекул воды (рисунок 1.7).
Рис. 1.7. Пятимолекулярный ассоциат рисунка 2 с полностью реализованными двенадцатью центрами образования водородных связей
Можно дальше представить следующую сферу структуры, но вероятность существования семнадцатимолекулярного ассоциата очень мала из-за нарушений дальнего порядка. Вместе с тем появляется возможность зацикливания концевых кислородов в пятичленные циклы, что понижает общую энергию ассоциата и стабилизирует его (рисунок 1.8).
Рис.1.8. Семнадцатимолекулярный ассоциат рисунка 7 с шестью образовавшимися циклами
На следующем этапе рассматриваются ассоциаты воды, составленные из таких стабильных комплексов (рисунок 1.9).
Рис.1.9. Модель ассоциата воды из 57-и молекул.
Тетраэдр из четырех додекаэдров («квант»). Каждый из додекаэдров имеет 12 пятиугольных граней, 30 ребер, 20 вершин (в каждой соединяются три ребра, вершинами являются атомы кислорода, ребром служит водородная связь О-Н…О).
Естественно, что у таких ассоциатов-кластеров существует некоторый порог стабильности и при любом энергетическом воздействии на воду будут происходить некие перестройки во взаимном расположении структурных единиц. Виды и способы таких воздействий разнообразны – электрические и магнитные поля, ультразвуковая и гидродинамическая кавитация. Уровень энергетического воздействия можно охарактеризовать производимым результатом: разрушение структуры или перестройка структуры. Изменить некоторые свойства воды можно и сверхслабыми внешними воздействиями, правда, эти изменения пока не идентифицируются физико-химическими методами, а фиксируются лишь косвенными проявлениями на живых биологических системах.