Вода та її сучасні моделі, фізичні та хімічні властивості води

хімічні

Особливості фізичних властивостей води та численні короткоживучі водневі зв'язки між сусідніми атомами водню і кисню в молекулі води створюють сприятливі можливості для утворення особливих структур-асоціатів (кластерів), які сприймають, зберігають і передають різноманітну інформацію.

Одна з перших моделей води – модель Фрека та Уена [Frank & Wen, 1957]. Відповідно до неї водневі зв'язки в рідкій воді безперервно утворюються і рвуться, причому ці процеси протікають кооперативно в межах короткоживучих груп молекул води, названих "мерехтливими кластерами". Їхній час життя оцінюють у діапазоні від 10-10 до 10-11 с. Таке уявлення правдоподібно пояснює високий рівень рухливості рідкої води та її низьку в'язкість. Вважається, що завдяки таким властивостям вода служить одним із найуніверсальніших розчинників.

властивості

Однак модель “мерехтливих кластерів” не може пояснити безліч вже давно відомих фактів, і тих, що стали стрімко наростати останнім часом.

Але в другій половині XX століття виникли дві групи "змішаних" моделей: кластерні та клатратні. У першій групі вода поставала у вигляді кластерів із молекул, пов'язаних водневими зв'язками, які плавали в морі молекул, які в таких зв'язках не беруть участь. Моделі другої групи розглядали воду як безперервну сітку (зазвичай у цьому контексті звану каркасом) водневих зв'язків, що містить порожнечі; у яких розміщуються молекули, які утворюють зв'язків із молекулами каркаса. Неважко було підібрати такі властивості та концентрації двох мікрофаз кластерних моделей або властивості каркасу та ступінь заповнення його порожнеч клатратних моделей, щоб пояснити всі властивості води, у тому числі й знамениті аномалії.

Модель клатратного типу запропонував О.Я. Самойлов у 1946 році: у воді зберігається подібна до гексагонального льоду сітка водневих зв'язків, порожнини якої частково заповнені мономерними молекулами. Л. Полінг у 1959 році створив інший варіант, припустивши, що основою структури може служити сітка зв'язків, властива деяким кристалогідратам.

Протягом другої половини 60-х і початку 70-х спостерігається зближення всіх цих поглядів. З'являлися варіанти кластерних моделей, у яких обох мікрофазах молекули з'єднані водневими зв'язками. Прихильники клатратних моделей стали допускати утворення водневих зв'язків між пустотними та каркасними молекулами.

У 1990 р. чл.-кор. АН СРСР Г.А. Домрачов (Ін-т металоорганічної хімії РАН) та фізик Д.А. Селівановський (Ін-т прикладної фізики РАН) сформулювали гіпотезу про існування механохімічних реакцій радикальної дисоціації води [Домрачов, 1995]. Вони виходили з того, що рідка вода є динамічно нестабільною полімерною системою і що за аналогією з механохімічними реакціями в полімерах при механічних впливах на воду поглинена водою енергія, необхідна для розриву Н-ОН, локалізується в мікромасштабній області структури рідкої води. Реакцію розриву Н-ОН зв'язку можна записати так: (Н2О)n(Н2О. H-OH) (Н2О)m + E (Н2О)n+1(H ) + ( OH) (Н2О)m, де “E” позначає не спарений електрон.

Оскільки дисоціація молекул води та реакції за участю радикалів H та OH відбувається в асоційованому стані рідкої води, радикали можуть мати величезні (десятки секунд і більше) тривалість життя до загибелі внаслідок реакцій рекомбінації [Blough et al., 1990].

Таким чином, існують досить переконливі свідчення на користь того, що в рідкій воді є дужестійкі полімерні структури У 1993 року американський хімік Кен Джордан запропонував свої варіанти стійких “квантів води”, які з 6 її молекул [Tsai & Jordan, 1993]. Ці кластери можуть поєднуватися один з одним і зі "вільними" молекулами води за рахунок експонованих на їх поверхні водневих зв'язків. Цікавою особливістю цієї моделі є те, що з неї автоматично випливає, що кристали води, що вільно ростуть, добре відомі нам сніжинки, повинні мати 6-променеву симетрію.

моделі
властивості

У 2002 році групі д-ра Хед-Гордона методом рентгеноструктурного аналізу за допомогою надпотужного рентгенівського джерела Advanced Light Source (ALS) вдалося показати, що молекули води здатні за рахунок водневих зв'язків утворювати структури - "справжні цеглини" води, що являють собою топологічні ланцюги з множини молекул.

Інша дослідницька група Нільссона із синхротронної лабораторії все того ж Стенфордського університету, інтерпретуючи отримані експериментальні дані як наявність структурних ланцюжків і кілець, вважає їх досить довготривалими елементами структури.

Незважаючи на те, що різні моделі пропонують кластери, що відрізняються за своєю геометрією, всі вони постулюють, що молекули води здатні об'єднуватися з утворенням полімерів. Але класичний полімер – це молекула, всі атоми якої об'єднані ковалентними зв'язками, а чи не водневими, які донедавна вважалися чисто електростатичними. Однак у 1999 р. було експериментально показано, що водневий зв'язок між молекулами води у льоду має частково (на 10%) ковалентний характер [Isaacs E. D., et al., 1999]. Навіть частково ковалентний характер водневого зв'язку "дозволяє",щонайменше 10% молекул води об'єднуються в досить довгоживучі полімери (неважливо, який конкретної структури). А якщо у воді є полімери води, то навіть слабкі на абсолютно чисту воду, а тим більше її розчини, можуть мати важливі наслідки.

Модель структурованої води визначає майже всі її аномальні властивості, що мають величезне практичне значення - вода найаномальніша з усіх відомих природі речовин. Діаметр молекули води 2,8 А (1 ангстрем = 10-10м). Якщо розглядати воду як просту сукупність молекул Н2О, то виявляється, що її питома вага має становити 1,84 г/см3, а температура її кипіння дорівнюватиме 63,5°С. Але, як відомо, при нормальній температурі та тиску питома вага води дорівнює 1 г/см3, а кипить вода за 100°С. Виходячи з цього слід припустити, що всередині води повинні бути порожнечі, де немає молекул Н2О, тобто воді властива особлива структура. Це важливе відкриття було зроблено англійським фізиком Берналом. З того часу в цій галузі проведено безліч досліджень, але повної ясності у цьому питанні ще немає.