<< вернуться назад   хотите разместить рекламу на сайте?

Главная / Статьи / Структура и структурирование воды

Структура и структурирование воды

28.08.08
 

Структура и структурирование водыСуществует большое количество различных теорий и моделей, объясняющих структуру и свойства воды. Общим у них является представление о водородных связях как основном факторе, определяющем образование структурированных агломератов. Вода кооперативная система, в ней существуют цепные образования водородных связей. И всякое воздействие на воду распространяется эстафетным путем на тысячи межатомных расстояний. При объяснении многих экспериментальных данных чаще всего используют двухструктур- ные модели, предполагающие одновременное присутствие в воде льдоподобной и плотноупакованной структур. Феноменологическая двухструктурная модель выражает в упрощенном виде полиморфизм структур ближнего порядка. При этом не рассматривается молекулярное строение компонентов, лишь предполагается, что в отличие от льдоподобной в разупорядоченной структуре молекулы упакованы более плотно и не соединены водородными связями. В этой модели изменение структуры воды под влиянием внешних полей или примесей характеризуется только сдвигом структурного равновесия в ту или иную сторону. Особенности водородной связи в воде обусловливают возможность возникновения и исчезновения долгоживущих микрообластей со льдоподобной структурой — мерцающих групп. Их плавление и распад не связаны со значительными энергетическими изменениями. Важной проблемой является оценка энергии, необходимой для изменения структуры воды. Однако часто отмечают, что разрыв водородных связей является обязательной предпосылкой изменения структуры воды. Для такого изменения необходимо затратить энергию порядка 16,7-25,1 кДж/моль. Однако имеется ряд веских соображений, свидетельствующих о необязательном разрыве водородных связей. Структурные изменения под влиянием различных внешних воздействий — температуры, давления, магнитных полей — определяются также величиной изгиба водородных связей (изменением угла между линией, соединяющей центры ближайших молекул воды, и направлением связи О - Н одной из этих молекул). Энергия, необходимая для изгиба водородных связей, неизмеримо меньше энергии их разрыва. Кроме того, одновременная деформация угла и длины связи молекул энергетически более выгодна, чем деформация только угла или только длины связи. Таким образом, изменение структуры воды возможно при затрате энергии, намного меньшей энергии водородных связей.
Модель структурирования воды, основанная на изменении угла связи между двумя атомами водорода от 104° до 109° при энергетическом активировании молекулы Н2О. Такие молекулы воды с двумя положительными и двумя отрицательными зарядами, образующими тетраэдр, являются основой для образования "жидких кристаллов" элементов структурированной воды. Наиболее стабильный жидкий кристалл состоит из 8 тетраэдрических молекул и называется Stella Octangula. Различные заряды, расположенные по углам жидкого кристалла (ЖК), придают ему сильный заряд односторонней полярности, который обусловливает тенденцию молекулы к ориентации в электрическом поле. Это означает, что при помещении чистой воды в электрическое поле происходит переориентация молекул, направленная на его нейтрализацию.
При присоединении молекул друг к другу их заряды складываются. Вследствие данного эффекта аддитивности заряда при наличии вышеупомянутой структуры воды прочность водородных связей возрастает. Именно прочность водородных связей определяет способность воды к смачиванию различных веществ (стекла, тканей и т.д.) за счет притяжения положительных и отрицательных зарядов соответственно на атомах водорода и кислорода к зарядам, имеющимся на поверхности вещества, с которым вода вступает в контакт (при условии, что данное вещество является полярным).
Когда вода начинает замерзать, благодаря водородным связям начинают образовываться кристаллические структуры с преобладанием гексагональной формы. Окончательно сформировавшаяся структура льда состоит из тетраэдров, образующих более крупные гексагональные структуры, имеющие вид снежинок.
Число возможных способов соединения тетраэдрических молекул друг с другом и стабильных конфигураций ЖК на их основе не ограничено. Считается возможным существование таких агломератов, как объединение трех октаэдрических структур, а также таких супермолекул, как структура в форме додекаэдрического тетраэдра и объединение 16 таких структур в единый конгломерат.
В целом вода рассматривается как сложная комплексная система, состоящая из структурированных фрагментов, окруженных свободными молекулами, не связанными жесткой структурой водородных связей, и отдельными протонами и гидроксилами, что можно образно охарактеризовать как "айсберги в море хаоса".