Вода. Структура воды и её свойства.

Попытки представить  воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул  воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3. Это  первое. Второе доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояло в том, что в отличие от других жидкостей вода — это было уже известно — обладает сильным электрическим моментом, составляющим ее дипольную структуру.

Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции  двух атомов водорода относительно атома  кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты  окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды «однобока» и имеет «уголковую» конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода таким образом:

В работе этих авторов  была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом. Вода в жидком состоянии представляет собой смесь  трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура  обычной воды).

Модель Бернала-Фаулера  — двухструктурная, с наличием раздельных типом структур. Согласно этой модели (1935) структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

Вода — это  ажурный псевдокристалл, в котором  отдельные тетраэдрические молекулы Н2О связаны друг с другом направленными  водородными связями, образуя гексагональные структуры. Таким образом Бернал и Фаулер сформулировали первую научную  гипотезу о структуре воды. В дальнейшем она во многом подтвердилась, но многое в ней было уточнено и пересмотрено. На ее основе возникли более 20 моделей  структуры воды, которые можно  разделить на 5 групп: 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двух- и трехструктурные}, 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды утверждают, что вода — это единая тетраэдрическая  сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Смешанные модели: вода — это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности -кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая  клатратные модели) и к кластерным моделям. Что такое кластеры? Кластеры содержат несколько сот молекул  Н2О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются  вследствии местных флуктуаций плотности. Широко известна кластерная модель структуры  воды Г.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная  Г.Немети-Г.Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными  молекулами имеются кластеры, рои  молекул Н2О, объединенных водородными  связями со временем жизни 10-10 – 10-11 сек. Они разрушаются и создаются  вновь. Практически все кластерные гипотезы основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных  Н2О — молекул и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1-, 2- или 3-х кратно связанные молекулы. Еще модель называется моделью «мерцающих скоплений». По С.Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды — долговременной (стабильные) и  кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

Известна также  непрерывная модель структуры воды, или однородная модель воды, согласно которой вода не является смешанным  веществом, а представляет собой  непрерывную среду со сложным  образом искривленными водородными  связями.

В отличие от кластерных и смешанных моделей, непрерывная модель воды, либо подвергает сомнению существование Н2О-мономеров, считая, что подавляющая часть  молекул связана посредством  Н-мостиков, либо полагает, что лишь незначительная часть воды имеет  подобные связи. В непрерывной модели структуры воды рассматривается  случайная неоднородность сетки  водородных связей, и, следовательно, здесь  можно говорить о различных энергетических состояниях молекул Н2О. Она хорошо согласуется с экспериментальными данными исследователей разных стран. Следует упомянуть также многоструктурную (смешанную) модель воды — вода состоит  из различных агрегатов молекул  Н2О, HDO, Т2О и других.

Смешанной моделью  структуры воды является модель К.З.Тринчера (1981), согласно которой вода состоит  из трех различных типом структур, часть из которых зависит от температуры. Свойства и аномалии жидкой воды, согласно Тринчеру, возможно объяснить только на основе структуры воды более высокого порядка, т.е. сверхмолекулярной макроструктуры вида ассоциации Н2О-молекул. В температурной  области между 0 °С и 60 °С (область, в  которой появляются аномалии воды) она имеет поликомпонентную структуру, которая превращает ее в «коллоид». При повышении температуры в  этой температурной области структура  воды переходит 4 фазы таким образом, что в 4 температурных точках происходит внезапное изменение соотношений  между компонентами коллоида воды. Это температуры 15, 30, 45 и 60 °С.

При 0 °С, по модели Тринчера, структура воды состоит  из небольшого количества (4%) реликтов льда, небольшого количества (5%) чистой жидкости и около 90% мягкого льда, который представляет собой разжиженный  кристалл. Таким образом, в целом  при 0 °С вода представляет собой квазикристаллическое тело, которое пронизано полыми пространствами с рассеянными частичками льда и капельками воды.

По Тринчеру, в каждой из трех компонент воды имеется еще и 4-я компонента —  вакуумная компонента, входящая в  структуру воды.

В первой фазе (между 0 и 15 °С) реликты льда исчезают и  переходят в кваэикристаллическую компоненту, так называемую К-компоненту. От 15 до 30 °С часть К-компоненты переходит  в находящиеся в ней капельки жидкости, которые благодаря этому  все более увеличиваются. При 30 °С К-компонента распадается и часть  ее вместе с капельками жидкости образует эмульсию. Между 30 и 45 °С вода представляет собой чрезвычайно гибкое образование, которое состоит из квазикристаллических и жидких микрофаз, которые размещены  в вакууме. Поэтому не случайно, что  температура тела теплокровных (36-42 °С) находится в этой области, которая  вседствие максимума структурных  комбинаций, возможных в воде, обеспечивает живой материи максимум гибкости.

При 37,5°С значительное количество жидких микрофаз и квазикристаллических частей воды выравнивается. В этой температурной  точке, что соответствует температуре  тела здорового человека, вода имеет  наивысшую степень гибкости и  структурной гетерогенности. Как  раз при этой температуре структура  воды имеет максимум своей памяти, которая основывается на практически  бесконечном количестве возможностей комбинаций квазикристаллических и  жидких микрофаз. В этой точке является наименьшим и энергопотребление, которое  необходимо для сохранения структуры  воды.

Ю.П.Олешко-Ожевский выделяет 5 групп моделей структуры  воды:

1) непрерывные  модели,

2) двух-структурные  модели,

3) модели с  заполнением пустот,

4) кластерные  модели,

5) модели ассоциатов  молекул воды.

Пo H.А.Буленкову  имеется 11 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и  температурой плавления.

Профессор И.З.Фишер  в 1961 г. ввел понятие о том, что  структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал 3 вида структуры  воды.

1. Мгновенная (время  измерения t2. Структура средних  отрезков времени, когда tд  < t > t0. 1 и 2 структуры общие  со структурой льда. Структура  существует больше времени осцилляции, но меньше времени диффузии tд.

3. Структура,  характерная для более длительных  отрезков времени (> -tд), когда  молекула Н2О передвигается на  большие расстояния.

Д.Эйзенберг  и В.Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул. 1-ю структуру они назвали I-структурои (от английского instantenous —  мгновенный), 2-ю — V-структурой (от английского vibrational — вибрационный), 3-ю — D-структурой (от английского diffusion — диффузионный). В настоящее время известно большое  число гипотез и моделей структуры  воды.

Рентгеноструктурное исследование, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна  структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен по тетраэдру другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25 °С каждая молекула воды имеет в каркасе одного соседа на расстоянии 2,77 ? и трех — на расстоянии 2,94 ?, в среднем — 2,90 ?. Среднее  расстояние между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем  между молекулами льда. Остальные  молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми  и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 ? — это расстояние О-Н в молекуле Н2О.

По современным  представлениям, такая структура  в значительной мере определяется водородными  связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную «тридимитоподобную»  структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие  структуры жидкой воды от льда —  это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений  молекулы попадают в соседние пустоты  структуры и на некоторое время  задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальных энергий. Это ведет  к увеличению координационного числа  и образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает  аномальные свойства воды. Координационное  число молекул (число ближайших  соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Свойства воды определяются не только существованием каких-либо ассоциатов молекул, а главным  образом особенностью тетраэдрической  структуры, в частности, ее ажурностью. Заполнение пустот соответствует появлению  второй, более плотной структуры. По данным Денфорда, при 25 °С заполнена  половина всех пустот, однако, по новейшим исследованиям оказывается, что  эта доля совершенно ничтожна. При  комнатной температуре в воде содержится всего 0,1-0,2% «свободной»  Н2О. Следовательно, пьете ли вы ледяную  талую воду или воду комнатной  температуры, разницы практически  никакой нет. А вот температура  между 30 и 40 °С действительно представляет большой интерес.

Вода имеет  как бы две точки плавления: при 0 °С, когда она превращается в  жидкость, и между 30 и 40 °С, когда  под влиянием интенсивного теплового  возмущения кристаллическая структура  исчезает полностью. Значит, если бы мы хотели по каким-либо причинам обесструктурить  воду, ее совсем не нужно кипятить. Процесс  этот обратим. Вода может стать снова  структурной, лишь бы при охлаждении ниже 30-40°С была на лицо кристаллическая  затравка (во избежание переохлаждения). Недостатков в таких затравках  внутри организма нет, и ничто  не мешает воде при температуре ниже 30-40°С быть структурной. Роль затравки могут играть поверхности. Еще в 1948 году было показано, что образование  возле твердых поверхностей структурно упорядоченных слоев, распространяющихся далеко в глубь жидкой фазы —  общая тенденция жидкостей.

Экспериментально  найдено, что вода ведет себя вблизи поверхностей кристалла слюды не как вода, а как «жидкий лед», и зависимость ее диэлектрической  постоянной от частоты сходно с соответствующими характеристиками льда. Толщина этих слоев около 1 мкм. Стало быть, достаточно воде проникнуть в теснины, будь то пара листочков слюды электрического конденсатора или полости клетки (средний размер клетки 10 мкм), как  она упорядочивается и приобретает  свойства кристалла. Теоретическое  объяснение этому дали Басуэлл и  Роденбуш. Они показали, что способностью структурировать воду обладают не только хорошо растворимые вещества, что  было известно и ранее, но и слаборастворимые, неактивные вещества, которые никаких  связей с водой не образуют. При  растворении невзаимодействующих  с водой молекул силы, действующие  на молекулы воды в близлежащем слое, не будут скомпенсированы, внутреннее давление в граничном с противолежащей молекулой слое воды будет мало по сравнению с огромным внутренним давлением воды. При понижении  давления температура замерзания воды понижается, вследствие чего слой граничной  воды замерзает, кристаллизируясь в  так называемые айсберги. Как установлено, любые поверхности обладают способностью упорядочивать воду на расстоянии до нескольких микронов.

Недавно в печати появилось сообщение об открытии аномальной формы воды, которую тотчас же стали именовать «супервода». Исследование способа ее получения  и свойств во многом оказалось  поучительным. На рисунке 8 показан  прибор для получения такой воды.

Puc. 8. Прибор для  получения супер-воды

При откачке  сосуда Дьюара 1 вода из пробирки 2, помещенной в термостат Э, испаряется и конденсируется на стеклянных стенках сосуда, а  также внутри кварцевого капилляра 4, введенного в сосуд Дьюара. Конденсат  суперводы собирается в капилляре. Вода, конденсирующаяся на стенках  сосуда, аномальных свойств не имеет.