Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №10 - Журнал «Домашняя лаборатория»

Молекулы Н2О полностью определяют свойства воды, а их взаимодействие между собой описывается классическим поведением молекул в жидкости. Эта точка зрения была общепринятой очень долгое время, однако к настоящему времени стали появляться теоретические и экспериментальные данные, которые свидетельствуют о том, что «классический» общепринятый взгляд не отражает полной картины.

В последнее время все большее подтверждение находит тот факт, что строение воды представляет собой сложную надмолекулярную структуру. Этому посвящается все больше работ, как теоретического, так и экспериментального характера [1,2]. Существующие экспериментальные данные свидетельствуют, что молекулы воды образуют кластеры. Эти кластеры, в зависимости от условий их образова ния, могут иметь различную пространственную организацию и свойства. Также известно, что вода обладает свойством структурной памяти, которая, обусловлена особенностями строения кластеров [2]. Проще говоря, если молекула Н2О задает основные свойства воды, то с помощью кластеров определяется огромное множество ее разнообразных дополнительных свойств, регистрируемых методами молекулярной спектроскопии. Большое количество экспериментальных исследований в области структурообразования воды [2,3,4,7] привело к тому, что было предпринято и предпринимается множество попыток теоретически описать внутреннюю структуру воды. Однако имеется множество нерешенных вопросов, связанных с определением того качества, которое понимается под термином «структура жидкости» [5].

1. Водные кластеры

Известно, что на образование молекулы Н2О в атоме кислорода используются два внешних электрона с 2р оболочки для соединения с атомами водорода. Два оставшихся электрона на 2р оболочке и два электрона на 2s образуют между собой пары и химически не очень активны. Однако можно предположить (и этому есть доказательства [7]), что орбитали электронов на оболочках 2s и 2р гибридизируются таким образом, что четыре неспаренных электрона могут образовывать водородные связи с соседними молекулами воды (рис. 1).

Рис. 1. Конфигурация электронных облаков внешних электронов кислорода в молекуле воды [2].

Стоит уточнить, что в молекуле Н2О связывающая орбиталь между атомами водорода и кислорода в молекуле занята электроном с водорода и одним электроном с кислорода. Однако незанятыми остаются разрыхляющие орбитали кислорода и водородов с соседних молекул, и именно на них могут перейти четыре электрона с гибридизированных орбиталей атома кислорода. На каждый из атомов водорода приходится одна "дополнительная" разрыхляющая орбиталь, на которую уходит пара электронов с кислорода (на водороде уже не осталось свободных электронов), то есть с помощью четырех неспаренных электронов кислорода можно установить связь с двумя атомами водорода. Разрыхляющая орбиталь имеет намного меньшую стабильность, чем связывающая, поэтому для связи двух молекул воды может использоваться механизм, отличный от описанного здесь. Мы будем придерживаться точки зрения, что между молекулами воды существуют водородные связи, которые намного слабее связей внутри молекулы, однако достаточно сильны, чтобы организовать метастабильную структуру.

Возможны два варианта: молекула воды образует связь с одной соседней молекулой или с двумя (рис. 2). На рисунке 2а показано возможное зарождение ленточной структуры, а на 2б — объемной. Объемные структуры могут быть различны по своему строению и свойствам.

Эксперименты, проведенные около десяти лет назад [1], показывают, что вода при комнатной температуре на 50 % состоит из надмолекулярных образований (кластеров) типа (Н2О)2, (Н2О)4, (Н2О)6. Были рассчитаны возможные устойчивые структуры [2], которые образуют простейшие конгломераты молекул типа (Н2О)3, (Н2О)4, (Н2О)5 (рис. 3). Как видно эти структуры имеют плоскую геометрию, однако, исследования, проведенные для структуры (Н2О)6, показывают, что, во-первых, она будет самой устойчивой из выше перечисленных, а во-вторых, будет иметь уже трехмерную структуру гексамера (рис. 4). Как видно из рисунка 3, каждая из этих структур имеет атомы водорода, которые еще не участвовали в водородных связях. При определенных условиях с помощью этих атомов водорода простейшие кластеры воды могут образовывать связи и соседними кластерами или молекулами, образуя намного более сложные структуры.

Рис. 3. Схематическое изображение тримера, тетрамера и пентамера — простейших образований (кластеров) молекул воды.

1 — атом водорода, 2 — атом кислорода, 3 — водородная связь.

Рис. 4. Клеткоподобная равновесная структура гексамера (Н2О)6 [4].

Рассмотрим вопрос образования кластеров. Предположим, что в начальный момент уже существует зародыш, состоящий из нескольких единиц или десятков молекул. При дальнейшем его развитии очевидно предположить, что он будет продолжать присоединять к себе все новые молекулы воды. Разница в массах между кластером и молекулой такова, что при их столкновении энергия кластера значительно не изменится, однако молекула может потерять значительную часть своей кинетической энергии теплового движения, при этом существует большая вероятность ее захвата в кластер. Этот процесс захвата будет продолжаться до тех пор, пока не сравняются объемная и поверхностная энергии кластера, что приведет к его равновесию и окончанию роста. Важную роль в этом процессе будет играть тип строения атома: очевидно, что захватить новую молекулу цепочечному кластеру намного сложнее, чем объемному (строение и свойства объемных кластеров тоже могут различаться между собой). Решающим же фактором при развитии кластера будет внешнее воздействие. Именно оно может спровоцировать возникновение однотипных зародышей и их дальнейший рост, что приведет появлению в воде одинаковых кластеров (возможно даже их объединение в один общий) и, следовательно, к появлению определенного свойства или группы свойств. Можно сказать, что поле внешней среды будет формировать определенную структуру кластеров воды, которые, в свою, очередь могут однозначно свидетельствовать об информации их породившей. Кластеры воды — это своеобразные ячейки памяти.

Слияния возможны и при столкновении двух кластеров, что приводит к их резкому росту. Этот процесс роста будет продолжаться до тех пор, пока не сравняется объемная и поверхностная энергия кластера, что в свою очередь сильно зависит от внешних условий. К внешним условиям, в данном случае, можно отнести например, характеристики электромагнитного и электрических полей, температуру. С помощью электромагнитного и электрических полей можно управлять процессом образования новых кластеров, а температура влияет на их устойчивость. Известно, что водородная связь относительно непрочная, но в простейших кольцевых структурах кластеров, из-за их симметрии, происходит упрочнение водородных связей, что позволяет простейшим кластерам не распадаться вплоть до температур близких к температуре кипения. Однако в общем случае, связи, которые устанавливаются между простейшими кластерами, не будут симметричны, и не будет происходить их упрочнения, поэтому сложные структуры могут существовать только при относительно невысоких температурах порядка комнатной. При более высоких температурах тепловые флуктуации будут разрушать водородные связи сложных надмолекулярных образований, оставляя только простейшие кластеры. При понижении температуры до нулевой вода