Hajde da prvo saznamo strukturu termodinamičkog prethodnika vode - leda. Tako ćemo ponoviti put svih istraživača voda. Svaki od njih, pokušavajući razumjeti strukturu vode, prije ili kasnije došao je do potrebe da razumije strukturu leda.
Godine 1910. američki fizičar P. Bridgman i njemački istraživač G. Tammann otkrili su da led može formirati nekoliko polimorfnih kristalnih modifikacija. Trenutno je poznato 9 modifikacija leda imaju različite kristalne rešetke, različite gustine i temperature topljenja. Led koji nam je svima poznat naziva se “led I” i druge modifikacije leda postoje pri pritiscima većim od 2000 at. Na primjer, led III, nastao pri pritisku od 2115 atm, teži je od vode, a led VI (pri pritisku od oko 20.000 atm) se topi na temperaturi većoj od 80 °C. U normalnim uslovima možemo posmatrati samo led I, koji je najpotpunije proučen. Upravo o tome govorimo u nastavku.
Svaka molekula vode može formirati do četiri vodikove veze ako je u blizini dovoljan broj odgovarajućih susjeda, a zbog svojstva kooperativnosti svaka naredna veza zahtijeva manje energije za stvaranje, pa će se formirati s većom vjerovatnoćom od prethodni.
U ledu su svi molekuli međusobno povezani vodoničnim vezama. U ovom slučaju, četiri veze svakog molekula su lokalno organizirane u tetraedarsku strukturu, tj. četiri obližnja molekula nalaze se na vrhovima triedarske piramide, u čijem središtu je peti molekul vode.
Tako se tetraedarski oblik pojedinačnog molekula ponavlja u kristalnoj strukturi leda. Možda tu određenu ulogu igra činjenica da je H-O-H ugao molekule H 2 O gotovo jednak idealnom tetraedarskom kutu od 109°, a molekule vode, kao što znamo, ujedinjuju se pomoću vodikovih veza koje formiraju upravo u pravcu O-H. Ove trouglaste piramide se također mogu ujediniti u neku vrstu nadgradnje. U ledu se ova složena trodimenzionalna nadgradnja tetraedara proteže kroz cijeli volumen.
Počevši od bilo kojeg atoma kisika, krećući se od susjeda do susjeda putem vodikovih veza, možete izgraditi beskonačan broj različitih zatvorenih figura. Sve takve figure su neka vrsta "nabranih" poligona, a broj strana je uvijek višestruki od šest, a najkraći put od molekula "do sebe" prolazi duž stranica običnog šesterokuta. Stoga se struktura leda naziva heksagonalna ili heksagonalna.
Ako zaboravimo na tetraedre, možemo vidjeti da se molekularna struktura leda sastoji od cik-cak slojeva, pri čemu je svaki molekul H 2 O povezan s tri molekula u svom sloju i jednim molekulom u susjednom sloju. Broj susjeda jednog molekula (u ovom slučaju jednak četiri) naziva se koordinacijskim brojem i lako se mjeri difrakcijom X zraka. Kao što možete vidjeti, otvorena mreža vodikovih veza pretvara molekularnu strukturu leda u labavu strukturu s velikim brojem praznina.
Ako previše stisnete led I, on će se transformisati u druge kristalne oblike, a iako će se njegova struktura donekle promijeniti, osnovni elementi tetraedarske strukture će ostati. Pri umjerenim pritiscima (led II, VI i IX), neke od vodoničnih veza pomiču se iz tetraedarske strukture (što led čini nešto gušćim), ali svaka četiri obližnja atoma kisika i dalje su vezana vodoničnom vezom. Čak i pri vrlo visokim pritiscima (led VIII i VII), tetraedarska struktura je lokalno očuvana.
Molekularnu strukturu leda prvi je ustanovio početkom ovog stoljeća engleski naučnik William Bragg, koji je razvio metodu difrakcije rendgenskih zraka za analizu kristala. Otkrio je da je svaki molekul H2O u ledu okružen sa četiri druga molekula. Ali bio je u stanju da precizno prouči molekularnu strukturu leda ni Bragg ni bilo ko drugi u to vreme nije mogao da ustanovi kako su atomi kiseonika i vodonika locirani u ovoj strukturi. Bragg je koristio metodu difrakcije rendgenskih zraka, koja je u to vrijeme omogućavala promatranje samo relativno velikih atoma, poput kisika ili silicija. Mali atomi poput vodonika nisu vidljivi u rendgenskoj difrakciji. Tek kasnih 40-ih godina 20. stoljeća, kada su se pojavile nove, osjetljivije spektroskopske metode, bilo je moguće utvrditi lokaciju atoma vodonika u strukturi leda.
Međutim, još 1932. godine, Braggov učenik profesor Bernal je bio u stanju čisto spekulativno razumjeti kako bi atomi kisika i vodonika trebali biti locirani u molekularnoj strukturi leda.
Bernal je pošao od konfiguracije molekule H 2 O. Shvatio je da je molekula vode ta koja određuje cjelokupnu strukturu leda. Bernal je zaključio kako slijedi: svaki atom vodika može se „hvatati“ za samo jedan „strani“ atom kisika, povezujući tako dva atoma kisika („sopstveni“ i „strani“ atom) jednom vodikovom vezom, dakle, svaki molekul H 2 O mogu povezati pomoću vodikovih veza sa četiri susjedna molekula, od kojih dva tvore svoje atome vodika, a dva - atoma susjednih molekula, a budući da je molekula H 2 O „jednostrana“, ova konfiguracija bi trebala brzo ispuniti prostor, formirajući tetraedarska struktura.
Ove hipoteze su kasnije potvrđene spektroskopskim studijama i danas su poznate kao Bernal-Fowlerova pravila. Zaista, pokazalo se da je svaki atom kisika povezan s četiri atoma vodika smještena na O-O liniji. On je kovalentnom vezom povezan sa dva "svoja" atoma, a sa dva "strana" atoma vodoničnom vezom. Uopšteno govoreći, definicije "prijatelj" i "strani" ne opisuju tačno molekularni život leda. Kao što je utvrđeno, niti jedan vodonik nije fiksiran na mjestu. Svaki vodonik tačno poznaje samo svoju O-O vezu, ali na ovoj liniji ima dva moguća položaja - blizu "svojih" i blizu "stranih" atoma kiseonika. Na svakoj od ovih pozicija provodi u prosjeku polovinu svog života. Ako označimo, kao što je uobičajeno u hemiji, valentnu vezu s crticom i vodikovu vezu sa tačkama, onda možemo reći da se reakcija kontinuirano odvija u ledu:
O-H....O ↔ O....H-O
Kao što vidimo, molekularni život leda je prilično dinamičan. Ali ovo se odnosi samo na atome vodika, atomi kiseonika sjede čvrsto na svojim mjestima i udaljenost u svakom O-O paru ostaje nepromijenjena i jednaka je 2,76 A.
Očigledno je da nemir vodikovih atoma svakako mora utjecati na električna i dielektrična svojstva leda. Led ima prilično visoku električnu provodljivost. Možda se ova karakteristika leda objašnjava činjenicom da u prisustvu vanjskog električnog polja skokovi atoma vodika postaju usmjereniji.
Struktura pravog leda nije apsolutno idealna kao i svaki drugi kristal, sadrži nedostatke. Danski istraživač I. Bjerrum otkrio je da defekti leda mogu biti dva tipa: 1) nema ni jednog atoma vodonika na O-O liniji (Bjerrum L defekt); 2) postoje dva atoma vodonika na O-O liniji (D-defekt). Naravno, energija defekta je veća od energije veze bez defekata, tako da defekti ne sjede na istoj vezi cijelo vrijeme, već prilično intenzivno migriraju kroz cijelu strukturu leda. Pritom se ponašaju kao da su neke čestice različitih znakova. Dva identična defekta (na primjer, D-defekta) će se međusobno odbijati - na kraju krajeva, jedan defekt dovodi do povećanja lokalne energije, a još je energetski nepovoljnije imati dva defekta u blizini. Takođe je intuitivno jasno da će se dva različita defekta međusobno privući i kada se sretnu poništiti - uništiti jedan drugog.
U ledu je koncentracija defekata niska - samo jedan na 2,5 miliona molekula. Dakle, Bjerrumovi defekti za led su suptilnosti koje su gotovo neprimjetne za strukturu leda. Drugačija je situacija u vodi, gdje se koncentracija takvih defekata povećava 25 hiljada puta i iznosi jedan defekt na 100 molekula. Ova vrijednost je toliko značajna da postaje jasno da Bjerrum defekti igraju značajnu ulogu u vodi. Pokušano je čak i da se voda opiše kao led sa velikom koncentracijom nedostataka, što se, generalno gledano, pokazalo ne baš uspješnim, ali je ipak ovako izgrađena teorija mogla objasniti neke fenomene.
Sada pređimo na tečnu vodu. Moderno razumijevanje molekularne strukture vode datira iz članka engleskih naučnika Bernala i Fowlera, koji se pojavio 1933. u avgustovskom izdanju novostvorenog međunarodnog časopisa za kemijsku fiziku, Journal of Chemical Physics. Ovaj članak ostaje jedna od najznačajnijih prekretnica na trnovitom putu razumijevanja prirode.
U to vrijeme postojalo je prilično jednostavno - više filološko nego prirodnonaučno - objašnjenje anomalnih svojstava vode. Verovalo se da voda, pridružena tečnost, tj. njegovi molekuli se spajaju u velike supermolekule dehidrola (H 2 O) 2, (H 2 O) 3, . . . (H 2 O) n, zbog čega voda ima anomalna svojstva. Bilo je potpuno nejasno zašto i kako se molekule H 2 O ujedinjuju, kako su različiti saradnici raspoređeni po zapremini vode. I što je najvažnije, ovaj pristup, općenito govoreći, nije objasnio prirodu posebnih svojstava vode.
Pokušavajući da pronađe vlastito razumijevanje molekularne strukture vode, Bernal je počeo s analizom eksperimentalnih činjenica. Ne može se reći da su u to vrijeme, tridesetih godina 20. vijeka, ove činjenice bile dovoljne, ali ipak jesu. Zahvaljujući briljantnom istraživanju tvorca rendgenske kristalne analize, Williama Bragga, razjašnjena je molekularna struktura leda. Osim podataka o strukturi leda, Bernal je imao na raspolaganju rendgenske snimke tekuće vode, kao i takozvane funkcije radijalne distribucije dobijene pomoću takvih rendgenskih snimaka, tj. relativni sadržaj molekula koji se nalaze na određenim udaljenostima jedna od druge. Uz čisto eksperimentalne činjenice, Bernal je, naravno, imao priliku koristiti ideje, hipoteze i pretpostavke kojih se već poprilično nakupilo početkom 30-ih. Međutim, obilje ovih ideja moglo bi prije omesti nego pomoći razvoju teorije vode. S izuzetkom, možda, jedne stare ideje, koja datira još od čuvenog Wilhelma Roentgena, koji je predložio da se molekularna struktura leda nekako ponovi u strukturi tekuće vode. Svojevremeno je ova ideja bila veoma popularna među naučnicima, ali su svi pokušaji da se ona primeni na opisivanje prirode anomalnih svojstava vode završili neuspehom. Čak i najjednostavnije svojstvo vode - da je teža od leda - ne bi se moglo objasniti ovom idejom. Štaviše, činilo se da je ova osobina vode jednostavno u suprotnosti. U stvari, ako pretpostavimo postojanje neke izrazito iskrivljene strukture leda u vodi, tada bi voda trebala biti lakša. Svako kršenje jasne strukture, svaki poremećaj samo povećava volumen koji struktura zauzima. Stoga bi takva voda trebala biti lakša od leda.
Općenito, uprkos ljepoti i primamljivosti rendgenske ideje, niko je nije mogao koristiti do 30-ih godina. Ostala je u „banki ideja“ više kao estetska nego kao logička kategorija, kao opšta tvrdnja da je „voda tečnost koja još uvek čuva sećanje na kristalnu strukturu iz koje je nastala“ (formulacija francuskog fizičara Clémenta Duval).
Analizirajući prirodu vode, Bernal je proveo dosta vremena proučavajući led. On je već bio blizu teoriji leda o kojoj smo gore govorili. Ali sama teorija leda, koja se ne može transformirati u teoriju vode, nije od posebne vrijednosti. Ali sa vodom je sve bilo nejasno.
A onda se umešala slučajnost, što je značilo da je u kišnu jesen 1932. godine profesor Bernal otišao sa grupom engleskih naučnika u Sovjetski Savez. Sudbina je bila i da se na dan odlaska britanske delegacije na Moskvu spustila gusta jesenja magla. Aeroflot u to vrijeme nije mazio svoje klijente luksuznim salonima, pa Bernalu nije preostalo ništa drugo nego da luta aerodromom u magli. Sasvim slučajno, ispostavilo se da je njegov pratilac na ovim šetnjama vrlo radoznao čovjek, profesor R. Fowler. „Više od svega drugog“, prisećao se kasnije Bernal, „nas je zanimala magla koja nas je okruživala, i bilo je prirodno da smo počeli da pričamo o njoj. Magla se sastoji od vode... i profesora Fowlera, velikog stručnjaka za termodinamiku , ali ne baš dobro upućen u strukturna pitanja“, zamolio me da objasnim strukturu vode, kako ja razumijem ovaj problem. I onda sam ponovo razmislio o tome – u svjetlu naših moskovskih diskusija. Šetnja dvojice profesora trajala je više od dvanaest sati i pokazala se vrlo plodnom, uspjeli su pronaći jednostavno i lijepo rješenje za problem vode. Nekoliko mjeseci kasnije, zajednički rad Bernala i Fowlera pojavio se u štampi i postao osnova za moderno razumijevanje molekularne prirode vode.
Dok je pričao Fauleru o vodi, profesor Bernal je spomenuo i staru Rentgenovu ideju u koju je malo ljudi više verovalo. Sasvim neočekivano, našli su izuzetno važan argument u prilog ovoj ideji. Dobiven je "jednostavnom" metodom. “Šta bi se dogodilo s vodom”, upitao je Fowler da nema molekularnu strukturu, na primjer, kolika bi bila gustina takve vode? U takvoj vodi svaki molekul H 2 O mora biti okružen sa najmanje šest susjeda, kao i kod svakog gustog pakiranja. Može se izračunati da gustina takve vode ne bi bila 1 g/cm3, već 1,8 g/cm3. Budući da se ni na jednoj temperaturi gustoća prave vode ne približava ovoj cifri, slijedi da u tekućoj vodi na bilo kojoj temperaturi postoji neka vrsta molekularne strukture, najvjerovatnije slična molekularnoj strukturi leda. Upravo ova struktura sprečava da se molekule vode čvrsto zbije.
Kasnije je ova pretpostavka potvrđena analizom difrakcije rendgenskih zraka, uz pomoć koje je bilo moguće utvrditi da je takozvani „koordinacijski broj“ vode (tj. prosječan broj susjeda bilo kojeg molekula) 4,4. Budući da je koordinacijski broj leda 4, broj susjeda “prosječnog” molekula H 2 O tokom prelaska iz čvrstog u tečno stanje raste za samo 0,4 susjeda. Dakle, od svakih 10 molekula vode, 8 će i dalje biti okruženo sa četiri susjeda, a dva nova molekula će se pojaviti u blizini druga dva.
Da, ali šta sada učiniti s anomalnim ponašanjem leda tokom topljenja? Uostalom, činilo se da smo gore došli do zaključka da bi izobličenje strukture trebalo dovesti do smanjenja gustoće bilo koje tvari. Raspravljajući o ovoj kontradiktornosti, Bernal i Fowler su na kraju došli do zaključka da kada se led topi, ne dolazi do izobličenja, već do restrukturiranja strukture, s uništenjem dugog dometa leda, ali unutar malih područja molekularni kristal -slična struktura je očuvana. Tada se već znalo da bi takvo restrukturiranje moglo dovesti do povećanja gustine. Bernal i Fowler su u svom radu citirali podatke rendgenske difrakcije za tridimit i kvarc, koji su vrlo slični odgovarajućim podacima za led i vodu. Tridimit i kvarc su dva različita kristalna stanja silicijum dioksida, SiO 2 . Hemijski sastav kvarca i tridimita je isti, molekularne strukture su također iste - i u kvarcu i u tridimitu molekuli formiraju tetraedarske strukture. Ali gustina kvarca je otprilike 10% veća od gustine tridimnita. Zašto je ista struktura, isti molekuli, ali je gustina drugačija? Bernal i Fowler su znali odgovor na ovo pitanje. Pošto su i kiseonik i silicijum prilično veliki atomi, jasno su vidljivi na uzorcima difrakcije rendgenskih zraka, tako da su sve suptilnosti strukture ovih kristala bile razjašnjene već 30-ih godina. Ove suptilnosti su da je udaljenost između najbližih molekula u ovim kristalima ista, ali je udaljenost do sljedećih (ne najbližih) susjeda različita, tj. njihove prve koordinacione sfere su iste, a veličina druge sfere u kvarcu je 4,2 A, au tridimitu - 4,5 A. To objašnjava razlike u gustoći kvarca i tridimita.
Ako se prisjetimo da, prvo, led također ima tetraedarsku strukturu i, drugo, da se gustine leda i vode razlikuju za 9%, onda je lako razumjeti uvjerenje Bernala i Fowlera da je struktura leda slična onoj. struktura tridimita, a struktura vode je slična strukturi kvarca. Nisu svi detalji njihove teorije izdržali test vremena, kasnije su se pojavile sofisticiranije teorije, ali njihov članak u Journal of Chemical Physics ostaje jedna od najvažnijih prekretnica na teorijskom putu znanja o vodi.
Kao što se često dešava, Bernal-Fowlerova teorija se pokazala ispravnom samo u svom metodološkom dijelu, a mnogi njeni detalji nisu potvrđeni daljim eksperimentima. Konkretno, u tekućoj vodi nisu pronađene strukture slične kvarcu. Ali ideja o vodi kao tekućini s visoko razvijenim otvorenim okvirom nalazila je sve više i više potvrde.
Neosporno dostignuće 20. veka bilo je jasno razumevanje da je struktura leda na neki način očuvana u vodi, ili, da upotrebimo formulaciju Clémenta Duvala, voda pamti svoje poreklo. Ali zašto se ona seća, dok su druge tečnosti lišene ove sposobnosti? Uostalom, led (ako zaboravite da ne postoji u „svom“ temperaturnom rasponu) je, općenito, prilično običan kristal. Imati posebnu molekularnu strukturu nije toliko čudno. Svi kristali formiraju neke (ponekad iznenađujuće) strukture. Ali kada se rastape, stvaraju sasvim trivijalne, obične tečnosti. Led se takođe topi i proizvodi tečnost, ali je to neobično. Zašto? Da biste odgovorili na ovo pitanje, zapamtite da se molekule većine supstanci drže na čvorovima njihovih kristalnih struktura prilično slabim Van der Waalsovim ili električnim silama. Molekule H2O drže se u heksagonalnoj strukturi leda vodoničnim vezama, a razlika između njih i van der Waalsovih i elektrostatičkih interakcija je vrlo značajna. Vodikove veze su mnogo jače i, što je najvažnije, njihovo djelovanje je strogo usmjereno u prostoru. Posljednje svojstvo dovodi do toga da Prilikom topljenja leda, vodonična veza se prekida samo "odmah" i ne može se postepeno "pokvariti" prije nego što se konačno razbije. Ovo je vrlo bitna razlika između leda i drugih kristala. Na kraju krajeva, kada se kristal zagrije, prvo se povećava toplinsko kretanje pojedinih molekula, koje postupno sve više odstupaju od cijele jedinice idealne kristalne strukture. I tu se manifestuje efekat usmerenosti vodoničnih veza. Pretpostavimo da svi molekuli kristala sjede na čvorovima idealne strukture. I odjednom jedan molekul iskoči iz svog čvora i udalji se od njega na neku udaljenost. U običnoj materiji, ovaj molekul još uvijek održava vezu sa svojim susjedima u kristalnoj rešetki. Naravno, adhezija između njih se pogoršava, energija interakcije se povećava, ali veza ostaje. Ako se sličan događaj dogodi u ledu, onda će nemirna molekula nužno prekinuti sve svoje vodikove veze, ne može „malo“ odstupiti od čvora kristalne rešetke, zadržavajući sve svoje vodikove veze. Na kraju krajeva, vodonične veze njegovih susjeda protežu se do vrlo specifične točke u svemiru, a ako molekul napusti ovu tačku, onda time gubi priliku da "zatvori" svoja dva protona i dva usamljena elektrona. Na prvi pogled može se činiti da bi voda trebala brzo zaboraviti svoju kristalnu prošlost. Ispostavilo se da molekuli H 2 O "raskinu" sa svojom prošlošću odmah i nepovratno. Strogo govoreći, to bi trebao biti slučaj ako bi veliki broj molekula u ledu mogao odmah prekinuti sve svoje vodonične veze. Ali da bi se takav događaj dogodio u molekularnom životu leda, potrebno je koncentrirati dosta energije (na molekularnoj skali) na jednom mjestu odjednom.
Pojedinačni molekul vode ne može postepeno akumulirati energiju kako bi se odvojio od svojih susjeda kada dosegne određeni energetski nivo. Koristeći dobro poznati fizički rječnik, možemo reći da svaka molekula leda sjedi u dubokoj energetskoj rupi s potpuno okomitim rubovima. Iz takve rupe je vrlo teško iskočiti, a ako se iskočila molekula “posrne” odmah će završiti ispod, u strukturi idealnog leda. Stoga je, prvo, vjerojatnost prekida vodikovih veza mala, a drugo, otpuštanjem samo jedne molekule H2O iz kristalne strukture, led će odmah dati prilično veliki energetski doprinos kinetičkim procesima topljenja i na taj način može zadržati značajan broj molekula u kristalnoj strukturi.
Energetske rupe u kojima se nalaze druge supstance imaju drugačiji izgled. Između stanja koja odgovaraju kristalu i tečnosti, postoji niz međustanja. Stoga molekuli običnih tvari mogu postupno akumulirati energiju, krećući se od jedne međurupe do druge. Ako bilo koji molekul izgubi dio svoje energije, neće završiti na samom dnu rupe, već se može zadržati u nekom međustanju. Kao rezultat toga, svi molekuli kristala brzo su uključeni u proces topljenja. Prosječna energija molekula postepeno raste, dok pojedinačne fluktuacije u energiji molekula nisu prevelike. Ako oslikate topljenje običnog kristala u određenom fazno-energetskom prostoru, vidjet ćete da se tokom topljenja svi molekuli drže u prilično kompaktnoj grupi. Zapravo, svaka tačka u takvom prostoru označava energetski nivo molekula. Na početku topljenja, sve tačke će se spojiti u jednu čvrstu tačku, koja odgovara kristalnom stanju. U procesu topljenja obične materije, ova tačka će puzati prema gore, postepeno erodirajući i raspadajući se na zasebne tačke. Tada će se centralna tačka raspasti na manje tačke, koje će se takođe raspasti, a ovaj proces će se završiti formiranjem velikog, relativno gustog roja tačaka sa centrom koji odgovara tečnom stanju. Slika topljenja leda u ovoj interpretaciji izgledat će potpuno drugačije. Jedinstveni energetski profil molekula leda omogućava dovoljno velikom broju molekula H 2 O da zadrže kristalnu heksagonalnu strukturu vodoničnih veza u bilo kom trenutku, samo mali broj molekula vode zapravo učestvuje u procesu topljenja. Na početku topljenja, svi molekuli "sjede" na energetskom nivou koji odgovara stanju leda. Kako se led zagrije, pojedinačni molekuli se oslobode kristalne strukture i odmah se nađu na energetskom nivou molekula bez vodikovih veza. Postoji stalna razmjena između ova dva nivoa, neki od "tečnih" molekula su ugrađeni u heksagonalnu strukturu, iz koje se neki od molekula oslobađaju u isto vrijeme. Kako se led zagrijava, broj molekula koji izlaze iz strukture leda se povećava, a broj koji se vraćaju opada. Ali čak i nakon potpunog topljenja, prilično veliki dio vodikovih veza koje su postojale u ledu ostaje u vodi.
Gore opisana slika topljenja leda je idealizacija koja odgovara takozvanom dvostrukturnom modelu vode, tj. model u kojem su dozvoljena samo dva stanja molekula H 2 O - ili potpuno slobodni monomeri, ili potpuno uključeni u heksagonalnu strukturu. S tim u vezi, može se postaviti pitanje: da li je takva mješavina monomera i heksagonalne rešetke prihvatljiva? Podsjetimo: struktura leda je labava, u njoj ima mnogo praznina, a atomi su raspoređeni prilično prostrano. Svaka šupljina je okružena sa šest molekula H 2 O, a svaki molekul je okružen sa šest šupljina koje formiraju kontinuirane mikroskopske kanale. Autor jedne od prvih fizičkih teorija vode, sovjetski naučnik O. Samoilov, izračunao je veličinu šupljina i otkrio da one lako mogu da prime jednu molekulu vode bez dodirivanja ili uništavanja glavnog okvira vodoničnih veza. Samoilov je još 40-ih godina 20. vijeka sugerirao da se tokom topljenja leda pokidaju neke od vodoničnih veza, pojavljuju se slobodni H 2 O monomeri, koji djelimično ispunjavaju šupljine vodoničnog okvira.
Godine 1952. američki naučnici Heggs, Husted i Buchanan uspjeli su ustanoviti, na osnovu zavisnosti dielektričnih svojstava vode od temperature, da na 25 °C u tečnoj vodi 67% svih molekula H 2 O zadržava sve četiri vodikove veze, 23,2% ima tri vodonične veze, 7,6% - dvije vodonične veze, a samo 0,2% - potpuno slobodne molekule. Nesumnjivo je da je stvarna struktura vode složenija od one koju pretpostavljaju dvostrukturni modeli, međutim, zbog svoje jednostavnosti, oni su prilično jasni i pogodni su kao „nulta“ aproksimacija.
Predložene su i druge teorije o molekularnom stanju vode. Na primjer, engleski fizičar D.J. Pople je pretpostavio da kada se led otopi, vodonične veze uopće ne pucaju, već se nekako "savijaju". Profesor Bernal je, razvijajući svoju ideju, izgradio novu teoriju vode, prema kojoj molekuli H 2 O formiraju male zatvorene prstenove od četiri, pet ili više molekula. No, ogromna većina ovih prstenova, vjerovao je Bernal, sastoji se od samo pet molekula, budući da je ugao H-O-H u molekulu vode blizu 108° - ugao pravilnog pentagona.
L. Pauling je 1952. godine sugerirao da je struktura vode slična strukturi klatratnih hidrata tipa Cl 2 10H 2 O. Eyring je iznio teoriju značajnih struktura, koja sugerira da u vodi postoje dvije kristalne strukture: led I i led III. Vodikove veze u strukturi leda III su donekle stisnute i blago savijene, tako da je ovaj led 20% gušći od leda I.
G. Nameti i X. Scheraga su predložili da svaki molekul vode može biti u jednom od pet dozvoljenih energetskih stanja, što je određeno koliko vodoničnih veza formira (0, 1, 2, 3 ili 4). Pretpostavlja se da se molekuli okupljaju u "rojeve" nalik ledu. Koristeći uobičajenu analizu za statističku mehaniku, Nameti i Scheraga su pronašli broj molekula vode u odvojenim rojevima koji formiraju 4, 3 i 2 vodonične veze. Molarni volumen sistema dobijen na ovaj način ima minimum na 4 °C i drugi parametri dobro odgovaraju eksperimentalnim rezultatima. Međutim, teorija Nameta i Šeraga, kao i dvostrukturni model, u suprotnosti je sa brojnim spektroskopskim podacima. Ovo je uobičajena mana u svim teorijama koje pretpostavljaju postojanje jasno različitih struktura u vodi. Čini se da u stvarnoj vodi postoji širok i kontinuiran raspon različitih molekularnih struktura.
Sve teorije (ovdje smo spomenuli samo neke) su manje-više konzistentne sa promatranim eksperimentalnim podacima, ali za svaku od njih prije ili kasnije su otkrivene činjenice koje nisu mogle objasniti. To, naravno, ne znači da su teorije netačne. Svaki od njih predstavljao je određeni stepen aproksimacije pravoj stvarnoj slici fizičkog stanja vode i radio na budućoj konačnoj teoriji.
Pojavom kompjutera i mogućnošću simulacije raznih procesa na njima, bilo je moguće naglo smanjiti broj pouzdanih teorija. Uz pomoć ovakvih eksperimenata bilo je moguće precizno odrediti koji dio molekula vode zadržava sve četiri vodikove veze, koji dio zadržava tri, dvije, jedan i koliko potpuno slobodnih molekula monomera ima u vodi. Na slici je prikazan histogram distribucije vodikovih veza u vodi na 10 °C dobiven mašinskim eksperimentom.
Kao što vidite, u vodi postoji prilično značajan dio svih vrsta molekula - od potpuno slobodnih do vezanih u ponoć. Histogrami za ostale temperature su slični, ali se pri višim temperaturama maksimum histograma (koji je u slučaju 10°C na 2,3 vodonične veze po molekulu) pomiče u područje nižih vrijednosti broja vodoničnih veza.
Ispostavilo se da se i peterokuti i šestouglovi formiraju u vodi sa jednakim uspehom, bez ikakve prednosti jedan nad drugim. To, inače, znači da se vodonične veze mogu rastezati i savijati. Ovako dobiveni rezultat negirao je sve modele “ledenog brega”, koji su pretpostavili da je voda more potpuno slobodnih molekula u kojima plutaju manje-više veliki fragmenti ledenih struktura. Iako su prisutni klasteri sa 1, 2, 3... brojem vodoničnih veza, njihov udio je mali. Budući da ledene strukture formiraju samo šesterokute, takvo pješačenje, naravno, potpuno isključuje mogućnost pojave peterokutnih struktura u vodi.
Sumirajući rezultate brojnih kompjuterskih eksperimenata, možemo reći da se topologija molekularne strukture vode ne može tumačiti u obliku bilo koje heksagonalne strukture leda sa nasumično prekinutim vodikovim vezama. Štaviše, ova struktura je jedinstvena cjelina u bilo kojoj količini vode. Eksperimenti sa mašinama su pokazali da je mreža vodoničnih veza iznad "kritičnog praga perkolacije". To znači da će u bilo kojoj zapremini vode uvijek postojati barem jedan kontinuirani lanac vodoničnih veza koji prožima cijelu zapreminu vode.
Kako se sada, u svjetlu rezultata kompjuterskih eksperimenata, može zamisliti fizička priroda vode? Na molekularnom nivou, voda izgleda kao nasumično organizirana trodimenzionalna mreža vodoničnih veza. Lokalno, ova mreža teži tetraedarskoj konfiguraciji. To znači da se najbliži susjedi prosječne molekule vode uglavnom nalaze na vrhovima tetraedarske piramide koja okružuje molekul vode. Mreža sadrži značajan broj visoko napregnutih vodoničnih veza, a upravo te veze imaju fundamentalnu ulogu u nastanku posebnih anomalnih svojstava vode. Bilo koji molekul vode čije su veze dovoljno napete može brzo promijeniti čitavo svoje neposredno okruženje, prebacujući svoje napete veze na nove susjede. Sve to dovodi do činjenice da je ukupna topologija cjelokupne mreže vodoničnih veza vode izuzetno varijabilna i raznolika. Kako se led topi, definirana, ali labava tetraedarska struktura zamjenjuje se manje definiranom, ali kompaktnijom mrežom vodoničnih veza. Povećanje gustoće nastaje zbog formiranja kompaktnijih lokalnih struktura (na primjer, prijelaz na peterokute iz vodikovih veza) i zbog zakrivljenosti vodikovih veza. Kada se otopljena voda zagrije, prijelaz u kompaktnije strukture dominira do 4 °C, nakon čega prevladavaju procesi povezani s normalnim toplinskim širenjem.
Struktura tečnosti
Upotreba izraza „struktura“ za opisivanje leda je razumljiva. Led je kristalan i, naravno, ima unutrašnju strukturu. Ali kakva je struktura tečnosti? „Nije li nedostatak strukture — fluidnosti — odlučujući kvalitet tečnosti?“ - napisao je Bernal. Ispostavilo se da tekućina ima strukturu, i to ne samo jednu, već nekoliko. Sve je u vremenskoj skali.Ako je koordinatni sistem povezan sa bilo kojom fiksnom molekulom vode, tada će za posmatrača koji se nalazi u ovom sistemu, struktura vode zavisiti od karakteristične vremenske skale sa kojom će posmatrati molekularni život vode. Voda ima dva karakteristična vremenska parametra. Kao i svaka supstanca, bila tečnost ili čvrsta, postoji period vibracije pojedinačnog molekula τ υ. Za vodu, ova vrijednost je 10 -13 s. U tečnosti, pored perioda oscilovanja molekula oko njihovog ravnotežnog položaja τ υ, postoji još jedno karakteristično vreme – vreme „uređenog života“ τ D, tj. prosječni životni vijek jednog molekula date lokalne sredine. Za vodu τ D ~ 10 -11 s, tj. Prije nego što skoči na novo mjesto, molekul vode prolazi kroz 100 vibracija na jednom mjestu.
Ova dva parametra dijele vremensku skalu na tri regije, od kojih svaka ima svoju strukturu fluida. Ako posmatrač koristi dovoljno malu vremensku skalu, tj. će tražiti vrijeme mnogo manje od τ υ, tada će vidjeti haotično razbacane molekule, među kojima je teško razaznati bilo kakav red. Međutim, ovaj nasumični raspored molekula naziva se trenutni, ili M-struktura.
Da bi shvatio zašto se ovaj poremećaj još naziva strukturom, posmatrač treba da se pomeri na dužu vremensku skalu. Ali ne previše, tačnije, više od τ υ, već manje od τ D. U ovom vremenskom intervalu, stvarni molekuli više neće biti vidljivi, posmatrač će moći da vidi samo tačke oko kojih vibriraju. Ispostavilo se da se ove tačke u vodi nalaze prilično pravilno i formiraju jasnu strukturu nazvanu K-struktura, što znači "vibraciono usrednjeno".
M- i K-strukture vode slične su istim strukturama leda. Da biste vidjeli razlike između ovih struktura u vodi i ledu, potrebno ih je malo duže promatrati, tj. sa karakterističnim vremenom mnogo većim od τ D. Slika koja je uočena u ovom slučaju naziva se D-struktura - difuzijsko usrednjena. Za razliku od leda, D-struktura vode je potpuno zamućena zbog čestih skokova molekula vode na velike udaljenosti (ovi skokovi čine proces samodifuzije molekula vode). D-struktura je formirana difuzijskim usrednjavanjem K-struktura i ne može se opisati bilo kakvim posebnim rasporedom tačaka u prostoru. Spoljašnji posmatrač vidi da, u stvari, D-struktura tečnosti ne postoji (imajte na umu da je D-struktura, kao potpuno statističko usrednjavanje ansambla molekula, ono što određuje termodinamička svojstva vode.).
A ipak D-struktura postoji i može se vidjeti. Posmatrač koji se nalazi na određenom molekulu vode vidjet će da se njegov vlastiti molekul haotično kreće po cijeloj zapremini vode, svaki put završavajući u manje-više uređenom okruženju. Videće da će najčešće „njegov” molekul biti okružen sa četiri druga H 2 O molekula, nekada će biti pet suseda, nekada šest, u proseku, kao što znamo, biće ih 4,4. Dakle, D-struktura vode može se smatrati slikom vidljivom posmatraču.
Ovakav pristup opisivanju strukture vode najčešće se koristi pri interpretaciji spektroskopskih podataka, jer različite spektroskopske metode - X-zrake, NMR, dielektrična relaksacija, neutronsko Ramanovo raspršenje - mogu "čitati" molekularne podatke s različitim karakterističnim vremenima rezolucije.
Kretanje molekula se obično dokazuje Brownovim kretanjem. Kap vode u kojoj plivaju vrlo lagane čestice čvrste nerastvorljive supstance se ispituje pod mikroskopom i uočava se da se čestice nasumično kreću u masi vode. Svaka takva čestica se sastoji od mnogo molekula i ne pokazuje spontano kretanje. Čestice doživljavaju udare pokretnih molekula vode, zbog čega stalno mijenjaju smjer kretanja, što znači da se same molekule vode nasumično kreću.
dr.sc. O.V. Mosin
Molekul vode je mali dipol koji na svojim polovima sadrži pozitivne i negativne naboje. Pošto je masa i naboj jezgra kiseonika veća od mase jezgra vodonika, elektronski oblak se povlači prema jezgru kiseonika. U ovom slučaju, jezgra vodonika su "izložena". Dakle, elektronski oblak ima neujednačenu gustinu. U blizini jezgara vodika postoji nedostatak elektronske gustine, a na suprotnoj strani molekula, blizu jezgra kiseonika, postoji višak elektronske gustine. Upravo ta struktura određuje polaritet molekula vode. Ako epicentre pozitivnih i negativnih naboja povežete ravnim linijama, dobit ćete trodimenzionalni geometrijski lik - pravilni tetraedar.
Struktura molekule vode (slika desno)
Zbog prisustva vodoničnih veza, svaki molekul vode formira vodikovu vezu sa 4 susjedna molekula, formirajući otvoren mrežasti okvir u molekulu leda. Međutim, u tečnom stanju, voda je neuređena tečnost; Ove vodonične veze su spontane, kratkotrajne, brzo pucaju i ponovo se formiraju. Sve to dovodi do heterogenosti u strukturi vode.
Vodikove veze između molekula vode (slika ispod lijevo)
Činjenica da je voda heterogena po sastavu utvrđena je davno. Odavno je poznato da led pluta na površini vode, odnosno da je gustina kristalnog leda manja od gustine tečnosti.
Za gotovo sve druge tvari kristal je gušći od tekuće faze. Osim toga, čak i nakon topljenja, kako temperatura raste, gustina vode nastavlja da raste i dostiže maksimum na 4°C. Manje poznata je anomalija kompresibilnosti vode: kada se zagrije od tačke topljenja do 40°C, ona se smanjuje, a zatim povećava. Toplotni kapacitet vode također nemonotono ovisi o temperaturi.
Osim toga, na temperaturama ispod 30°C, s porastom tlaka sa atmosferskog na 0,2 GPa, viskoznost vode opada, a koeficijent samodifuzije, parametar koji određuje brzinu kretanja molekula vode jedna u odnosu na drugu, povećava.
Za ostale tečnosti odnos je suprotan i skoro nigde se ne dešava da se neki važan parametar ne ponaša monotono, tj. prvo se povećao, a nakon prolaska kritične vrijednosti temperature ili tlaka smanjio. Pojavila se pretpostavka da voda zapravo nije jedna tekućina, već mješavina dvije komponente koje se razlikuju po svojstvima, na primjer, gustoći i viskoznosti, a time i strukturi. Takve ideje počele su se javljati krajem 19. stoljeća, kada se nakupilo mnogo podataka o anomalijama vode.
Whiting je prvi predložio ideju da se voda sastoji od dvije komponente 1884. Njegovo autorstvo citira E.F. Fritsman u monografiji „Priroda vode. Teška voda”, objavljena 1935. 1891. W. Rengten je uveo koncept dva stanja vode, koja se razlikuju po gustini. Nakon njega pojavila su se mnoga djela u kojima se voda smatra mješavinom suradnika različitih sastava („hidrola“).
Kada je 1920-ih utvrđena struktura leda, pokazalo se da molekuli vode u kristalnom stanju formiraju trodimenzionalnu kontinuiranu mrežu u kojoj svaki molekul ima četiri najbliža susjeda smještena na vrhovima pravilnog tetraedra. J. Bernal i P. Fowler su 1933. godine sugerirali da slična mreža postoji u tekućoj vodi. Budući da je voda gušća od leda, vjerovali su da molekuli u njoj nisu raspoređeni kao u ledu, odnosno kao atomi silicija u mineralu tridimitu, već kao atomi silicija u gušćoj modifikaciji silicijum dioksida - kvarcu. Povećanje gustine vode pri zagrijavanju od 0 do 4°C objašnjeno je prisustvom komponente tridimita na niskim temperaturama. Tako je Bernal-Fowlerov model zadržao element dvostrukture, ali je njihovo glavno dostignuće bila ideja o kontinuiranoj tetraedarskoj mreži. Tada se pojavio čuveni aforizam I. Langmuira: “Okean je jedan veliki molekul.” Pretjerana specifikacija modela nije povećala broj pristalica teorije objedinjene mreže.
Tek 1951. godine J. Pople je stvorio model kontinuirane mreže, koji nije bio tako specifičan kao Bernal-Fowlerov model. Pople je zamišljao vodu kao nasumične tetraedarske mreže, veze između molekula u kojima su zakrivljene i različite dužine. Popleov model objašnjava zbijanje vode tokom topljenja savijanjem veza. Kada su se 60-70-ih godina pojavila prva određivanja strukture leda II i IX, postalo je jasno kako savijanje veza može dovesti do zbijanja strukture. Popleov model nije mogao objasniti nemonotonsku ovisnost svojstava vode o temperaturi i pritisku, kao ni modeli s dva stanja. Stoga su mnogi naučnici dugo vremena dijelili ideju o dvije države.
Ali u drugoj polovini 20. veka bilo je nemoguće maštati o sastavu i strukturi "hidrola" kao što su to činili početkom veka. Već je bilo poznato kako led i kristalni hidrati funkcionišu, a oni su znali mnogo o vodoničnoj vezi. Pored modela “kontinuuma” (Popleov model), nastale su dvije grupe “mješovitih” modela: klaster i klatrat. U prvoj grupi voda se pojavila u obliku klastera molekula povezanih vodikovim vezama, koji su plutali u moru molekula koji nisu uključeni u takve veze. Druga grupa modela tretira vodu kao kontinuiranu mrežu (koja se u ovom kontekstu obično naziva okvir) vodoničnih veza koje sadrže praznine; sadrže molekule koji ne stvaraju veze s molekulima okvira. Nije bilo teško odabrati svojstva i koncentracije dvije mikrofaze modela klastera ili svojstva okvira i stepen ispunjenosti njegovih praznina klatratnim modelima kako bi se objasnila sva svojstva vode, uključujući i poznate anomalije.
Među klaster modelima, najupečatljiviji je bio model G. Némethyja i H. Scheraghija: Slike koje su predložili, a koje prikazuju nakupine vezanih molekula kako plutaju u moru nevezanih molekula, uključene su u mnoge monografije.
Prvi model klatratnog tipa predložio je 1946. godine O.Ya. Samoilov: u vodi je očuvana mreža vodikovih veza slična heksagonalnom ledu, čije su šupljine djelomično ispunjene molekulama monomera. L. Pauling je 1959. godine stvorio drugu opciju, sugerirajući da bi osnova strukture mogla biti mreža veza svojstvena nekim kristalnim hidratima.
Tokom druge polovine 60-ih i početkom 70-ih uočena je konvergencija svih ovih pogleda. Pojavile su se varijante modela klastera u kojima su molekuli u obje mikrofaze povezani vodoničnim vezama. Zagovornici klatratnih modela počeli su da priznaju stvaranje vodoničnih veza između praznih i okvirnih molekula. Naime, autori ovih modela vodu smatraju kontinuiranom mrežom vodoničnih veza. I govorimo o tome koliko je ova mreža heterogena (na primjer, po gustoći). Ideja o vodi kao klasterima vezanim vodonikom koji plutaju u moru nevezanih molekula vode stavljena je na kraj ranih osamdesetih, kada je G. Stanley primijenio teoriju perkolacije, koja opisuje fazne prelaze vode, na vodeni model.
Godine 1999. poznati ruski istraživač vode S.V. Zenin je odbranio doktorsku disertaciju na Institutu za medicinske i biološke probleme Ruske akademije nauka o teoriji klastera, što je bio značajan korak u napretku ove oblasti istraživanja čiju složenost povećava činjenica da su nalaze se na raskrsnici tri nauke: fizike, hemije i biologije. Na osnovu podataka dobijenih trima fizičko-hemijskim metodama: refraktometrijom (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), tečnom hromatografijom visokih performansi (S.V. Zenin et al., 1998) i protonskom magnetnom rezonancom (C S.V. Zenin, 1993) konstruisan je i dokazan geometrijski model glavne stabilne strukturne formacije molekula vode (strukturirana voda), a zatim (S.V. Zenin, 2004) dobijena je slika ovih struktura pomoću mikroskopa u kontrastnoj fazi.
Nauka je sada dokazala da posebnosti fizičkih svojstava vode i brojne kratkotrajne vodikove veze između susjednih atoma vodika i kisika u molekuli vode stvaraju povoljne mogućnosti za formiranje posebnih povezanih struktura (klastera) koje percipiraju, pohranjuju i prenose širok spektar informacija.
Strukturna jedinica takve vode je klaster koji se sastoji od klatrata, čiju prirodu određuju dalekometne Coulombove sile. Struktura klastera kodira informacije o interakcijama koje su se desile sa ovim molekulima vode. U vodenim klasterima, zbog interakcije između kovalentnih i vodikovih veza između atoma kiseonika i atoma vodonika, može doći do migracije protona (H+) putem relejnog mehanizma, što dovodi do delokalizacije protona unutar klastera.
Voda, koja se sastoji od mnogih klastera različitih tipova, formira hijerarhijsku prostornu strukturu tekućih kristala koja može percipirati i pohraniti ogromne količine informacija.
Na slici (V.L. Voeikov) prikazani su dijagrami nekoliko jednostavnih struktura klastera kao primjer.
Neke moguće strukture klastera vode
Fizička polja vrlo različite prirode mogu biti nosioci informacija. Tako je utvrđena mogućnost daljinske informacijske interakcije tekuće kristalne strukture vode sa objektima različite prirode pomoću elektromagnetnih, akustičkih i drugih polja. Objekat uticaja može biti i osoba.
Voda je izvor ultra slabog i slabog naizmjeničnog elektromagnetnog zračenja. Najmanje haotično elektromagnetno zračenje stvara strukturirana voda. U tom slučaju može doći do indukcije odgovarajućeg elektromagnetnog polja, mijenjajući strukturne i informacijske karakteristike bioloških objekata.
Poslednjih godina dobijeni su važni podaci o svojstvima prehlađene vode. Proučavanje vode na niskim temperaturama je veoma interesantno, jer se može super ohladiti više od drugih tečnosti. Kristalizacija vode, u pravilu, počinje na nekim nehomogenostima - bilo na zidovima posude, bilo na plutajućim česticama čvrstih nečistoća. Stoga nije lako pronaći temperaturu na kojoj bi prehlađena voda spontano kristalizirala. Ali naučnici su to uspjeli i sada je temperatura takozvane homogene nukleacije, kada se formiranje kristala leda odvija istovremeno u cijelom volumenu, poznata po pritiscima do 0,3 GPa, odnosno pokriva područja postojanja led II.
Od atmosferskog pritiska do granice koja razdvaja led I i II, ova temperatura pada sa 231 na 180 K, a zatim se lagano povećava na 190 K. Ispod ove kritične temperature tečna voda je u principu nemoguća.
Struktura leda (slika desno)
Međutim, postoji misterija povezana s ovom temperaturom. Sredinom osamdesetih otkrivena je nova modifikacija amorfnog leda - led visoke gustine, što je pomoglo da se oživi ideja o vodi kao mješavini dvaju stanja. Kao prototipovi su smatrane ne kristalne strukture, već strukture amorfnog leda različite gustine. Ovaj koncept je u najjasnijoj formi formulisao E.G. Poniatovsky i V.V. Sinjicin, koji je 1999. napisao: „Voda se smatra regularnim rješenjem dvije komponente, lokalne konfiguracije u kojima odgovaraju kratkom dometu modifikacija amorfnog leda.” Štaviše, proučavajući poredak kratkog dometa u prehlađenoj vodi pod visokim pritiskom koristeći metode neutronske difrakcije, naučnici su uspeli da pronađu komponente koje odgovaraju ovim strukturama.
Posljedica polimorfizma amorfnog leda također je dovela do pretpostavki o razdvajanju vode na dvije komponente koje se ne miješaju na temperaturama ispod hipotetičke niskotemperaturne kritične tačke. Nažalost, prema istraživačima, ova temperatura pri pritisku od 0,017 GPa jednaka je 230 K - ispod temperature nukleacije, tako da još niko nije mogao da posmatra slojevitost tekuće vode. Dakle, oživljavanje modela dva stanja postavilo je pitanje heterogenosti mreže vodoničnih veza u tekućoj vodi. Ova heterogenost se može razumjeti samo korištenjem kompjuterskog modeliranja.
Govoreći o kristalnoj strukturi vode, treba napomenuti da je poznato 14 modifikacija leda, od kojih većina nije pronađena u prirodi, u kojoj molekule vode zadržavaju svoju individualnost i povezane su vodikovim vezama. S druge strane, postoje mnoge varijante mreže vodoničnih veza u klatratnim hidratima. Energije ovih mreža (ledova pod visokim pritiskom i klatratnih hidrata) nisu mnogo veće od energija kubnog i heksagonalnog leda. Stoga se fragmenti takvih struktura mogu pojaviti i u tekućoj vodi. Moguće je konstruirati bezbroj različitih neperiodičnih fragmenata, čiji molekuli imaju četiri najbliža susjeda smještena približno na vrhovima tetraedra, ali njihova struktura ne odgovara strukturama poznatih modifikacija leda. Kao što su pokazali brojni proračuni, energije interakcije molekula u takvim fragmentima bit će bliske jedna drugoj, i nema razloga da se kaže da bi bilo koja struktura trebala prevladavati u tekućoj vodi.
Studije strukture vode mogu se proučavati različitim metodama; spektroskopija protonske magnetne rezonance, infracrvena spektroskopija, difrakcija rendgenskih zraka, itd. Na primjer, difrakcija rendgenskih zraka i neutrona u vodi je proučavana mnogo puta. Međutim, ovi eksperimenti ne mogu pružiti detaljne informacije o strukturi. Nehomogenosti koje se razlikuju po gustoći mogu se uočiti rasipanjem rendgenskih zraka i neutrona pod malim uglovima, ali takve nehomogenosti moraju biti velike, sastoje se od stotina molekula vode. Bilo bi ih moguće vidjeti proučavanjem rasipanja svjetlosti. Međutim, voda je izuzetno prozirna tečnost. Jedini rezultat difrakcijskih eksperimenata je funkcija radijalne distribucije, odnosno udaljenost između atoma kisika, vodika i kisika-vodika. Iz njih je jasno da u rasporedu molekula vode ne postoji daljinski poredak. Ove funkcije propadaju mnogo brže za vodu nego za većinu drugih tekućina. Na primjer, raspodjela udaljenosti između atoma kisika na temperaturama blizu sobne daje samo tri maksimuma, na 2,8, 4,5 i 6,7 Å. Prvi maksimum odgovara udaljenosti do najbližih susjeda, a njegova vrijednost je približno jednaka dužini vodikove veze. Drugi maksimum je blizu prosječne dužine ivice tetraedra - zapamtite da se molekuli vode u heksagonalnom ledu nalaze duž vrhova tetraedra opisanog oko centralnog molekula. A treći maksimum, vrlo slabo izražen, odgovara udaljenosti do trećih i udaljenijih susjeda u vodikovoj mreži. Ovaj maksimum sam po sebi nije baš sjajan, a o daljim vrhovima ne treba govoriti. Bilo je pokušaja da se dobiju detaljnije informacije iz ovih distribucija. Tako je 1969. I.S. Andrianov i I.Z. Fisher je pronašao udaljenosti do osmog susjeda, dok se do petog susjeda pokazalo 3 Å, a do šestog - 3,1 Å. Ovo omogućava dobijanje podataka o udaljenom okruženju molekula vode.
Druga metoda za proučavanje strukture, neutronska difrakcija na kristalima vode, provodi se na potpuno isti način kao i difrakcija rendgenskih zraka. Međutim, zbog činjenice da se dužine raspršenja neutrona ne razlikuju toliko između različitih atoma, metoda izomorfne supstitucije postaje neprihvatljiva. U praksi se obično radi s kristalom čija je molekularna struktura već približno određena drugim metodama. Intenzitet difrakcije neutrona se zatim mjeri za ovaj kristal. Na osnovu ovih rezultata vrši se Fourierova transformacija pri kojoj se koriste izmjereni intenziteti i faze neutrona, izračunati uzimajući u obzir ne-vodonikove atome, tj. atoma kiseonika, čiji je položaj u modelu strukture poznat. Tada su na ovako dobijenoj Furijevoj karti atomi vodika i deuterijuma predstavljeni sa mnogo većim težinama nego na mapi gustine elektrona, jer doprinos ovih atoma rasejanju neutrona je veoma velik. Koristeći ovu mapu gustoće, možete, na primjer, odrediti položaje atoma vodika (negativna gustina) i deuterija (pozitivna gustina).
Moguća je varijacija ove metode koja se sastoji u tome da se kristal formiran u vodi prije mjerenja drži u teškoj vodi. U ovom slučaju, neutronska difrakcija ne samo da omogućava određivanje gdje se nalaze atomi vodika, već i identificira one od njih koji se mogu zamijeniti za deuterijum, što je posebno važno kada se proučava izotopska (H-D) izmjena. Takve informacije pomažu da se potvrdi da je struktura ispravno uspostavljena.
Druge metode također omogućavaju proučavanje dinamike molekula vode. To uključuje eksperimente na kvazielastičnom rasejanju neutrona, ultrabrzu IR spektroskopiju i proučavanje difuzije vode koristeći NMR ili označene atome deuterija. Metoda NMR spektroskopije zasniva se na činjenici da jezgro atoma vodika ima magnetni moment - spin, koji je u interakciji sa magnetnim poljima, konstantnim i promjenjivim. Iz NMR spektra može se prosuditi u kom okruženju se nalaze ovi atomi i jezgra, čime se dobija informacija o strukturi molekula.
Kao rezultat eksperimenata kvazielastičnog raspršenja neutrona u kristalima vode, izmjeren je najvažniji parametar - koeficijent samodifuzije pri različitim pritiscima i temperaturama. Da bi se sudio koeficijent samodifuzije na osnovu kvazielastičnog neutronskog rasejanja, potrebno je napraviti pretpostavku o prirodi molekularnog kretanja. Ako se kreću u skladu sa modelom Ya.I. Frenkel (poznati ruski teoretski fizičar, autor “Kinetičke teorije tečnosti” – klasične knjige prevedene na mnoge jezike), takođe se naziva modelom “skok-čekaj”, zatim “uređenim” životnim vremenom (vreme između skokova) molekul je 3,2 pikosekunde. Najnovije metode femtosekundne laserske spektroskopije omogućile su procjenu životnog vijeka prekinute vodonične veze: potrebno je protonu 200 fs da pronađe partnera. Međutim, sve su to prosječne vrijednosti. Detalje strukture i prirode kretanja molekula vode moguće je proučavati samo uz pomoć kompjuterske simulacije, koja se ponekad naziva i numerički eksperiment.
Ovako izgleda struktura vode prema rezultatima kompjuterskog modeliranja (prema doktoru hemijskih nauka G. G. Malenkovu). Opća neuređena struktura može se podijeliti na dvije vrste područja (prikazane kao tamne i svijetle kugle), koje se razlikuju po svojoj strukturi, na primjer, po zapremini Voronojevog poliedra (a), stepenu tetraedralnosti neposrednog okruženja ( b), vrijednost potencijalne energije (c), kao i prisustvo četiri vodonične veze u svakom molekulu (d). Međutim, ova područja će doslovno u trenutku, nakon nekoliko pikosekundi, promijeniti svoju lokaciju.
Simulacija se izvodi ovako. Ledena struktura se uzima i zagrijava dok se ne otopi. Zatim, nakon nekog vremena da voda "zaboravi" na svoje kristalno porijeklo, prave se trenutne mikrofotografije.
Za analizu strukture vode biraju se tri parametra:
- stepen odstupanja lokalnog okruženja molekula od vrhova pravilnog tetraedra;
-potencijalna energija molekula;
-volumen takozvanog Voronojevog poliedra.
Da biste konstruirali ovaj poliedar, uzmite rub od date molekule do najbližeg, podijelite ga na pola i povucite ravan kroz ovu tačku okomitu na ivicu. Ovo daje zapreminu po molekulu. Volumen poliedra je gustina, tetraedralnost je stepen izobličenja vodoničnih veza, energija je stepen stabilnosti molekularne konfiguracije. Molekuli sa sličnim vrijednostima svakog od ovih parametara teže da se grupišu u zasebne klastere. I regije niske i visoke gustine imaju različite energetske vrijednosti, ali mogu imati i iste energetske vrijednosti. Eksperimenti su pokazali da područja sa različitim strukturama, klasteri nastaju spontano i spontano se raspadaju. Celokupna struktura vode je živa i stalno se menja, a vreme tokom kojeg se te promene dešavaju je veoma kratko. Istraživači su pratili kretanje molekula i otkrili da oni vrše nepravilne vibracije sa frekvencijom od oko 0,5 ps i amplitudom od 1 angstrom. Uočeni su i rijetki spori skokovi angstroma koji traju pikosekundama. Općenito, za 30 ps molekul se može pomjeriti za 8-10 angstroma. Životni vek lokalne sredine je takođe kratak. Područja sastavljena od molekula sa sličnim volumnim vrijednostima Voronojevog poliedra mogu se raspasti za 0,5 ps, ili mogu živjeti nekoliko pikosekundi. Ali distribucija životnog veka vodikovih veza je veoma velika. Ali ovo vrijeme ne prelazi 40 ps, a prosječna vrijednost je nekoliko ps.
U zaključku treba naglasiti da Teorija klastera strukture vode ima mnogo zamki. Na primjer, Zenin sugerira da je glavni strukturni element vode klaster od 57 molekula nastalih fuzijom četiri dodekaedra. Imaju zajednička lica, a njihovi centri formiraju pravilan tetraedar. Odavno je poznato da se molekuli vode mogu nalaziti na vrhovima petougaonog dodekaedra; takav dodekaedar je osnova gasnih hidrata. Stoga nema ničeg iznenađujuće u pretpostavci postojanja ovakvih struktura u vodi, iako je već rečeno da nijedna specifična struktura ne može biti dominantna i postojati dugo vremena. Stoga je čudno što se pretpostavlja da je ovaj element glavni i da sadrži tačno 57 molekula. Od kuglica, na primjer, možete sastaviti iste strukture, koje se sastoje od dodekaedara koji se nalaze jedan uz drugi i sadrže 200 molekula. Zenin tvrdi da se proces trodimenzionalne polimerizacije vode zaustavlja na 57 molekula. Prema njegovom mišljenju, ne bi trebalo biti većih saradnika. Međutim, da je tako, heksagonalni kristali leda, koji sadrže ogroman broj molekula povezanih vodikovim vezama, ne bi se mogli taložiti iz vodene pare. Potpuno je nejasno zašto se rast Zeninove klastera zaustavio na 57 molekula. Da bi izbjegao kontradikcije, Zenin pakira klastere u složenije formacije - romboedre - od skoro hiljadu molekula, a originalni klasteri ne formiraju vodonične veze jedni s drugima. Zašto? Po čemu se molekuli na njihovoj površini razlikuju od onih unutra? Prema Zeninu, uzorak hidroksilnih grupa na površini romboedra pruža pamćenje vode. Posljedično, molekuli vode u ovim velikim kompleksima su kruto fiksirani, a sami kompleksi su čvrste tvari. Takva voda neće teći, a njena tačka topljenja, koja je povezana sa molekulskom težinom, treba da bude veoma visoka.
Koja svojstva vode objašnjava Zeninov model? Budući da je model baziran na tetraedarskim strukturama, može biti manje-više konzistentan sa podacima rendgenske i neutronske difrakcije. Međutim, malo je vjerovatno da model može objasniti smanjenje gustine tokom topljenja - pakovanje dodekaedara je manje gusto od leda. Ali najteže se složiti je model sa dinamičkim svojstvima - fluidnošću, velikom vrijednošću koeficijenta samodifuzije, kratkim korelacijskim i dielektričnim relaksacijskim vremenima, koja se mjere u pikosekundama.
dr.sc. O.V. Mosin
Reference:
G.G. Malenkov. Napredak u fizičkoj hemiji, 2001
S.V.Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Eksperimentalni dokaz prisustva vodenih frakcija. G. Homeopatska medicina i akupunktura. 1997.No.2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Hidrofobni model strukture suradnika molekula vode. J. Physical Chemistry 1994. T. 68. No. 4. P. 636-641.
S.V. Zenin Proučavanje strukture vode metodom protonske magnetne rezonancije. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Priroda hidrofobne interakcije. Pojava orijentacijskih polja u vodenim rastvorima. J. Physical Chemistry 1994. T. 68. No. 3. P. 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tjaglov, G.B.Sergeev, Z.A. Shabarova. Proučavanje intramolekularnih interakcija u nukleotidamidima korištenjem NMR. Materijali 2. svesavezne konf. Po dinamici Stereohemija. Odessa.1975.p.53.
S.V. Zenin. Strukturirano stanje vode kao osnova za kontrolu ponašanja i sigurnosti živih sistema. Teza. Doktor bioloških nauka. Državni naučni centar "Institut za medicinske i biološke probleme" (SSC "IMBP"). Zaštićeno 1999. 05. 27. UDK 577.32:57.089.001.66.207 str.
IN AND. Slesarev. Izvještaj o napretku istraživanja
Zadatak koji obavlja Mayerova ćelija je "lako" razlaganje molekula vode pod uticajem električne struje praćene elektromagnetnim zračenjem.
Da bismo to riješili, hajde da shvatimo šta je voda? Kakva je struktura molekula vode? Šta se zna o molekulima vode i njihovim vezama? U članku sam koristio razne publikacije koje su dostupne u dovoljnim količinama na internetu, ali se reproduciraju u velikim količinama, tako da mi nije jasno ko je njihov autor i glupo mi je citirati izvor. Štaviše, ove publikacije su „zbrkane“ do sramote, što otežava razumevanje i značajno produžava vreme studiranja. Analizom članaka izdvojio sam nešto što vas može uputiti u razumijevanje čime ćemo se baviti u procesu izdvajanja jeftine energije, tačnije u procesu razbijanja molekula vode na komponente - vodonik i kisik.
Dakle, pogledajmo najvažnije koncepte o strukturi molekula vode!
Voda je tvar čija je glavna strukturna jedinica molekula H2O, koja se sastoji od jednog atoma kisika i dva atoma vodika.
Molekula vode ima strukturu jednakokračnog trokuta: na vrhu ovog trokuta nalazi se atom kiseonika, a u njegovoj bazi dva atoma vodika. Ugao vrha je 104°27, a dužina stranice 0,096 nm. Ovi parametri se odnose na hipotetičko stanje ravnoteže molekule vode bez njenih vibracija i rotacija. Geometrija molekule vode i njene elektronske orbite prikazane su na slici.
Molekul vode je dipol koji na svojim polovima sadrži pozitivne i negativne naboje. Ako se “slobodna” molekula vode, koja nije povezana s drugim molekulima, stavi u električno polje, tada će se “okrenuti” svojim negativnim polovima prema pozitivnoj ploči električnog polja, a pozitivnim polovima prema negativnoj ploči. Upravo je ovaj proces prikazan na slici 1, pozicija 3B, objašnjavajući rad Mayer ćelije u članku “Voda umjesto benzina”.
Ako epicentre pozitivnih i negativnih naboja povežete ravnim linijama, dobit ćete trodimenzionalni geometrijski lik - pravilni tetraedar. Ovo je struktura same molekule vode.
Zbog prisustva vodoničnih veza, svaki molekul vode formira vodikovu vezu sa 4 susjedna molekula, formirajući otvoren mrežasti okvir u molekulu leda. To je uređeno stanje molekula vode koje se može nazvati "strukturom". Svaki molekul može istovremeno da formira četiri vodonične veze sa drugim molekulima pod strogo definisanim uglovima jednakim 109°28′, usmerenim ka vrhovima tetraedra, koji ne dozvoljavaju stvaranje guste strukture tokom zamrzavanja.
Kada se led topi, njegova tetragonalna struktura se raspada i formira se mješavina polimera koja se sastoji od tri-, tetra-, penta- i heksamera vode i slobodnih molekula vode.
U tečnom stanju voda je neuređena tečnost. Ove vodonične veze su spontane, kratkotrajne, brzo pucaju i ponovo se formiraju.
Kada su grupirani, tetraedri molekula vode formiraju različite prostorne i planarne strukture.
A od sve raznolikosti struktura u prirodi, osnovna je heksagonalna (šestostrana) struktura, kada je šest molekula vode (tetraedra) spojeno u prsten.
Ovakav tip strukture karakterističan je za led, snijeg i otopljenu vodu, koja se zbog prisustva takve strukture naziva „strukturirana voda“. Mnogo je napisano o korisnim svojstvima strukturirane vode, ali to nije tema našeg članka. Bilo bi logično da je strukturirana voda – formirajući heksagonalne strukture – najgora opcija za strukturu vode, koja se može koristiti za razlaganje na vodonik i kisik. Dozvolite mi da objasnim zašto: molekule vode, grupisane šest u heksamer, imaju električni neutralni sastav - heksameri nemaju pozitivne i negativne polove. Ako stavite heksamer strukturirane vode u električno polje, on na to neće reagirati ni na koji način. Stoga se logično može zaključiti da je potrebno da voda ima što manje uređenih struktura. U stvari, obrnuto je: heksamer nije potpuna struktura, postoji još zanimljiviji koncept - klaster.
Strukture ujedinjenih molekula vode nazivaju se klasteri, a pojedinačni molekuli vode nazivaju se kvanti. Klaster je volumetrijska kombinacija molekula vode, uključujući heksamere, koja ima i pozitivne i negativne polove.
U destilovanoj vodi klasteri su praktički električno neutralni, jer su kao rezultat isparavanja klasteri uništeni, a kao rezultat kondenzacije nisu se pojavile jake veze između molekula vode. Međutim, njihova električna provodljivost se može promijeniti. Ako se destilirana voda miješa magnetskom miješalicom, veze između elemenata klastera će se djelomično obnoviti i električna provodljivost vode će se promijeniti. Drugim riječima, Destilirana voda je voda koja ima minimalan broj veza između molekula . U njemu su dipoli molekula u pogrešno orijentisanom stanju, pa je dielektrična konstanta destilovane vode veoma visoka, a ona je i loš provodnik električne struje. Istovremeno, kako bi se povećala upravljivost klastera vode, u njega se dodaju kiseline ili lužine, koje sudjelovanjem u molekularnim vezama ne dopuštaju molekulima vode da formiraju heksagonalne strukture, stvarajući tako elektrolite. Destilirana voda je suprotnost strukturiranoj vodi, u kojoj postoji ogroman broj veza između molekula vode u klasterima.
Na mojoj web stranici postoje, a i dalje će se pojavljivati, članci koji su na prvi pogled “zasebni” i nemaju nikakve veze s drugim člancima. Zapravo, većina članaka na stranici međusobno je povezana u jednu cjelinu. U ovom slučaju, kada opisujem svojstva destilovane vode, koristim dipolnu teoriju električne struje, to je alternativni koncept električne struje, što je potvrđeno i u nauci i u praksi bolje od klasičnog koncepta.
Kada su izloženi energiji izvora električne struje, svi dipoli atoma vode (kao provodnik) rotiraju, orijentisani svojim sličnim polovima u jednom smjeru. Ako su molekule vode stvorile klastersku (međusobno orijentiranu) strukturu prije pojave vanjskog električnog polja, tada će za orijentaciju u vanjskom električnom polju biti potrebna minimalna količina energije iz izvora električne struje. Ako struktura nije organizirana (poput destilirane vode), tada će biti potrebna velika količina energije.
Napominjemo, „postoji popularno mišljenje“ da destilovana i otopljena voda treba da imaju ista elektroprovodna svojstva, jer i jedna i druga nemaju hemijske nečistoće (najčešće soli), hemijski sastav im je isti, a struktura molekuli vode su isti u otopljenoj vodi, isti je i u destilovanoj vodi.
U stvari, sve izgleda obrnuto, odsustvo nečistoća uopće ne ukazuje na svojstva električne provodljivosti vode. Bez razumijevanja, neki ljudi "ubijaju" baterije čak i u fazi punjenja elektrolitom, zamjene destilovane vode otopljenom vodom ili jednostavno pročišćene kroz ugljični filter. U pravilu, dopunjen akumulator koji je kupljen na tržištu automobila traje kraće od onog koji ste kupili suho punjenog i razrijeđenog sumpornom kiselinom s destiliranom vodom i sami ga dopunili. To je samo zato što je "spreman" elektrolit, odnosno napunjena baterija, sredstvo za zaradu u naše vrijeme, a da bi se utvrdilo kakva je voda korištena, mora se obaviti skup pregled, niko se time ne zamara. . Prodavca nije briga koliko će baterija u vašem automobilu trajati, a ni vi ne želite da se petljate s kiselinom. Ali, uvjeravam vas, baterija nad kojom se znojite bit će mnogo snažnija na temperaturama ispod nule od one napunjene gotovim flaširanim elektrolitom.
Nastavimo!
U vodi se grozdovi povremeno kolabiraju i ponovo formiraju. Vrijeme skoka je 10-12 sekundi.
Budući da je struktura molekule vode asimetrična, težišta njenih pozitivnih i negativnih naboja se ne poklapaju. Molekule imaju dva pola - pozitivan i negativan, stvarajući, poput magneta, polja molekularne sile. Takvi molekuli se nazivaju polarni ili dipoli, a kvantitativna karakteristika polariteta određena je električnim momentom dipola, izraženim kao proizvod udaljenosti l između električnih centara gravitacije pozitivnih i negativnih naboja molekula po naboju e u apsolutnim elektrostatičkim jedinicama: p = l e
Za vodu je dipolni moment vrlo visok: p = 6,13·10 -29 C m.
Klasteri vode na granicama faza (tečnost-vazduh) su raspoređeni u određenom redosledu, pri čemu svi klasteri osciliraju na istoj frekvenciji, dobijajući jednu zajedničku frekvenciju. Sa takvim kretanjem klastera, s obzirom da su molekule vode koje se nalaze u klasteru polarne, odnosno da imaju veliki dipolni moment, treba očekivati pojavu elektromagnetnog zračenja. Ovo zračenje se razlikuje od zračenja slobodnih dipola, jer su dipoli spojeni i osciliraju zajedno u klaster strukturi.
Učestalost oscilacija vodenih klastera i, shodno tome, frekvencija elektromagnetskih oscilacija može se odrediti sljedećom formulom:
Gdje a
— površinski napon vode na datoj temperaturi; M
— masa klastera.
Gdje V — volumen klastera.
Volumen klastera se određuje uzimajući u obzir dimenzije fraktalne zatvorene strukture klastera ili po analogiji sa dimenzijama proteinskog domena.
Na sobnoj temperaturi 18°C, frekvencija oscilovanja klastera f
jednaka 6,79 10 9 Hz, odnosno talasna dužina u slobodnom prostoru treba da bude λ
= 14,18 mm.
Ali šta će se dogoditi kada voda bude izložena vanjskom elektromagnetnom zračenju? Budući da je voda samoorganizirana struktura i sadrži oba elementa uređena u klastere i slobodne molekule, sljedeće će se dogoditi kada je izložena vanjskom elektromagnetnom zračenju. Kada se molekuli vode približe (razdaljina se mijenja od R 0 do R 1 ), energija interakcije se mijenja za veći iznos nego kada se udaljavaju jedni od drugih (razdaljina se mijenja od R 0 do R 2 ).
ali, budući da molekule vode imaju veliki dipolni moment, u slučaju vanjskog elektromagnetnog polja, vršit će oscilatorna kretanja (na primjer, od R 1 do R 2 ). U ovom slučaju, zbog navedene zavisnosti, primenjeno elektromagnetno polje će više doprineti privlačenju molekula, a samim tim i organizaciji sistema u celini, tj. formiranje heksagonalne strukture.
Ako u vodenoj sredini ima nečistoća, one se prekrivaju hidratantnom ljuskom na način da ukupna energija sistema teži da poprimi minimalnu vrijednost. A ako je ukupni dipolni moment heksagonalne strukture jednak nuli, tada se u prisustvu nečistoća heksagonalna struktura u njihovoj blizini poremeti na takav način da sistem poprima minimalnu vrijednost, u nekim slučajevima se heksagoni pretvaraju u peterokute; hidratantna ljuska ima oblik blizak lopti. Nečistoće (na primjer, ioni Na +) mogu stabilizirati strukturu, čineći je otpornijom na uništavanje.
Samoorganizovani sistem vode, kada je izložen elektromagnetnom zračenju, neće se kretati kao jedinstvena celina, već će se svaki element heksagonalne strukture, a u slučaju lokalnih primesa drugog tipa, pomerati, tj. geometrija konstrukcije će biti iskrivljena, tj. nastaju tenzije. Ovo svojstvo vode je vrlo slično polimerima. Ali polimerne strukture imaju duga vremena relaksacije, koja nisu 10 -11 –10 -12 s, već minuta ili više. Zbog toga energija kvanta elektromagnetnog zračenja, koja se pretvara u unutrašnju energiju organizirane vodene strukture kao rezultat njenih izobličenja, akumuliraće se dok ne dostigne energiju vodikove veze, koja je 500-1000 puta veća od energije elektromagnetne polje. Kada se ova vrijednost dostigne, vodikova veza puca i struktura se urušava.
Ovo se može uporediti sa snježnom lavinom, kada dolazi do postepenog, sporog nagomilavanja mase, a zatim do brzog kolapsa. U slučaju vode ne prekidaju se samo slabe veze između klastera, već i jače veze u strukturi molekula vode. Kao rezultat ove rupture, mogu se formirati H +, OH – i hidratizirani elektron e –. Plava boja čiste vode nastaje zbog prisustva ovih elektrona, a ne samo zbog raspršivanja prirodne svjetlosti.
Zaključak
Dakle, kada je izložena elektromagnetskom zračenju s vodom, energija se akumulira u strukturi klastera do određene kritične vrijednosti, tada se veze između klastera i drugih raskidaju i dolazi do lavinskog oslobađanja energije, koja se potom može transformirati u druge vrste.
Kandidat hemijskih nauka Aleksandar Smirnov, profesor na MIREA.
Vodi je data misteriozna moć
Biti sok života na Zemlji.
Leonardo da Vinci
Rice. 1. Struktura vode na temperaturi od 20 O C, horizontalna veličina - 400 mikrona. Bijele mrlje su emuloni.
Rice. 2. Struktura vodenih rastvora na 20 O C: A - destilovana voda; B - degazirana mineralna voda Borjomi; B - alkoholna tinktura 70%.
Rice. 3. Emuloni u dvostruko destilovanoj vodi na temperaturi 4 O C (A), 20 O S (B), 80 O C (B). Dimenzije fotografija su 1,5 × 1,5 mm.
Rice. 4. Promjene amplitude signala akustične emisije i temperature vode tokom procesa topljenja leda.
Rice. 5. Relativna promjena temperature kada se voda zagrije.
Detalji za one znatiželjne. Šema eksperimenta. Za kratko vrijeme, 0,5 grama vode je poteklo iz čaše sa pozitivnom elektrodom (anodom) kroz “most”.
“Plutajući vodeni most” dugačak oko 3 centimetra.
Naelektrisana staklena šipka iskrivljuje oblik "mosta" i razbija ga u potoke.
Ovako mogu izgledati emuloni, formirajući strukturu "most" nalik na niti.
Voda se obično smatra i praktično neutralnim otapalom u kojem se odvijaju biokemijske reakcije i kao supstanca koja prenosi različite tvari kroz tijelo živih organizama. Istovremeno, voda je neizostavan učesnik u svim fizičko-hemijskim procesima i, zbog svog ogromnog značaja, najistraženija supstanca. Proučavanje svojstava vode više puta je dovelo do neočekivanih rezultata. Čini se, kakvim iznenađenjima može biti ispunjena jednostavna reakcija oksidacije vodonika 2H 2 + O 2 → 2H 2 O? Ali rad akademika N. N. Semenova pokazao je da je ova reakcija razgranata, lančana. To je bilo prije više od sedamdeset godina, a oni još nisu znali za lančanu reakciju fisije uranijuma. Voda u čaši, rijeci ili jezeru nije samo ogromne količine pojedinačnih molekula, već njihove asocijacije, supramolekularne strukture – klasteri. Za opisivanje strukture vode predložen je niz modela koji manje-više tačno objašnjavaju samo neka njena svojstva, dok su u odnosu na druga u suprotnosti sa eksperimentom.
teoretski, klasteri se obično izračunavaju samo za nekoliko stotina molekula ili za slojeve u blizini interfejsa. Međutim, brojne eksperimentalne činjenice ukazuju na to da u vodi mogu postojati gigantske strukture molekularnog razmjera (radovi dopisnog člana Ruske akademije nauka E. E. Fesenka).
U pažljivo pročišćenoj dvostruko destiliranoj vodi i nekim otopinama uspjeli smo detektirati strukturne formacije koje se sastoje od pet frakcija veličine od 1 do 100 mikrona koristeći akustičnu emisiju i vizualizirajući ih laserskom interferometrijom. Eksperimenti su omogućili da se utvrdi da svako rješenje ima svoju strukturu, jedinstvenu za njega (sl. 1, 2).
Supramolekularni kompleksi su formirani od stotina hiljada molekula vode grupisanih oko vodikovih i hidroksilnih jona u obliku jonskih parova. Predlažemo naziv "emuloni" za ove supramolekularne komplekse kako bismo istakli njihovu sličnost sa česticama koje formiraju emulziju. Kompleksi se sastoje od pojedinačnih frakcija veličine od 1 do 100 µm, pri čemu su frakcije veličine 30, 70 i 100 µm značajno veće od ostalih.
Sadržaj pojedinačnih frakcija emulona zavisi od koncentracije vodonikovih jona, temperature, koncentracije rastvora i istorije uzorka (slika 3). U bidestilovanoj vodi na 4 o C, kompleksi su gusto zbijeni i formiraju teksturu koja podsjeća na parket. Kao što znate, voda na ovoj temperaturi ima svoju maksimalnu gustinu. Kada temperatura poraste na 20 o C dolazi do značajnih promjena u strukturi vode: količina slobodnih emulona postaje najveća. Daljnjim zagrijavanjem postepeno se urušavaju, njihov broj se smanjuje, a ovaj proces se u osnovi završava na 75 o C, kada brzina zvuka u vodi dostigne svoj maksimum.
Zbog dalekosežnog djelovanja elektrostatičkih sila, emuloni u vodi formiraju prilično stabilnu superrešetku, koja je, međutim, osjetljiva na elektromagnetne, akustične, toplinske i druge vanjske utjecaje.
Otkriveni supramolekularni kompleksi dosledno uključuju sve prethodno dobijene informacije o organizaciji vode u nanovolumenima i omogućavaju objašnjenje mnogih eksperimentalnih činjenica koje nisu imale koherentno, logično opravdanje. To uključuje, na primjer, formiranje "plutajućeg vodenog mosta" opisano u brojnim radovima.
Suština eksperimenta je da ako postavite dvije male čaše s vodom jednu do druge i u njih niže platinaste elektrode pod konstantnim naponom od 15-30 kV, tada se formira vodeni most prečnika 3 mm i dužine do do 25 mm će se formirati između posuda. "Most" dugo pluta, ima slojevitu strukturu, a voda se po njemu prenosi od anode do katode. Ovaj fenomen i sva njegova svojstva posljedica su prisustva emulona u vodi, koji očigledno imaju dipolni moment. Može se predvidjeti još jedno svojstvo fenomena: pri temperaturi vode iznad 75 o C, „most“ neće nastati.
Anomalna svojstva otopljene vode se takođe lako objašnjavaju. Kao što je navedeno u literaturi, mnoga svojstva otopljene vode - gustina, viskoznost, električna provodljivost, indeks prelamanja, moć rastvaranja i druga - razlikuju se od parametara ravnoteže. Svođenje ovih efekata na uklanjanje deuterijuma iz vode kao rezultat faznog prelaza (tačka topljenja “teškog leda” D 2 O 3,82 o C) je neodrživo, jer je koncentracija deuterijuma krajnje neznatna – jedan atom deuterija na 5- 7 hiljada atoma vodonika.
Proučavanje topljenja leda metodom akustične emisije omogućilo je po prvi put da se utvrdi da nakon potpunog otapanja leda, otopljena voda, koja je u metastabilnom stanju, postaje izvor akustičnih impulsa, što služi kao eksperimentalna potvrda. formiranje supramolekularnih kompleksa u vodi (slika 4).
Eksperimenti pokazuju da otopljena voda može biti u aktivnom metastabilnom stanju skoro 17 sati (nakon što se led otopi, njeni mikrokristali opstaju samo djelić sekunde i uopće ne određuju svojstva otopljene vode). Ovaj misteriozni fenomen objašnjava se činjenicom da kada se heksagonalna kristalna rešetka leda uništi, struktura tvari se dramatično mijenja. Kristali leda se uništavaju brže nego što se voda formirana od njih rekonstruiše u stabilno ravnotežno stanje.
Jedinstvenost faznog prijelaza led-voda leži u činjenici da u otopljenoj vodi koncentracija vodikovih jona H+ i hidroksil OH – kratko vrijeme ostaje neravnotežna, kao što je bila u ledu, odnosno hiljadu puta manja. nego u običnoj vodi. Nakon nekog vremena koncentracija H+ i OH – jona u vodi poprima svoju ravnotežnu vrijednost. Budući da vodik i hidroksilni joni igraju odlučujuću ulogu u formiranju supramolekularnih kompleksa vode (emulona), voda ostaje neko vrijeme u metastabilnom stanju. Reakcija njegove disocijacije H 2 O → H + + OH – zahtijeva značajan utrošak energije i odvija se vrlo sporo. Konstanta brzine ove reakcije je samo 2,5∙10 –5 s –1 na 20 o C. Stoga bi vrijeme povratka rastopljene vode u ravnotežu teoretski trebalo da bude 10-17 sati, što se i uočava u praksi. Istraživanja dinamike promjena koncentracije vodikovih jona u otopljenoj vodi s vremenom to potvrđuju. Neobična svojstva otopljene vode daju povoda da se govori o „pamćenju“ vode. Ali „pamćenje“ vode treba shvatiti kao zavisnost njenih svojstava od praistorije i ništa više. Moguće je na različite načine - zamrzavanjem, zagrijavanjem, ključanjem, ultrazvučnim tretmanom, izlaganjem raznim poljima itd. - vodu prevesti u metastabilno stanje, ali će ona biti nestabilna i neće dugo zadržati svoja svojstva. Optičkom metodom otkrili smo u otopljenoj vodi prisustvo samo jedne frakcije supramolekularnih formacija veličine 1-3 mikrona. Moguće je da niži viskozitet i ređa prostorna mreža emulona u otopljenoj vodi povećavaju rastvorljivost i brzinu difuzije.
Realnost postojanja emulona potvrđuje klasična metoda termičke analize (slika 5). Grafikon prikazuje jasno definisane vrhove koji ukazuju na strukturne promjene u vodi. Najznačajniji odgovaraju 36 o C – temperatura minimalnog toplotnog kapaciteta, 63 o C – temperatura minimalne kompresibilnosti, a posebno karakterističan vrh je na 75 o C – temperatura maksimalne brzine zvuka u vodi. Oni se mogu tumačiti kao neobični fazni prijelazi povezani s destrukcijom emulona. Ovo nam omogućava da zaključimo: tečna voda je veoma jedinstven dispergovani sistem, koji uključuje najmanje pet strukturnih formacija sa različitim svojstvima. Svaka struktura postoji u određenom, karakterističnom temperaturnom rasponu. Prekoračenje temperature iznad kritičnog nivoa za datu strukturu dovodi do njenog raspada.
Književnost
Zatsepina G. L. Fizička svojstva i struktura vode. - M.: Izdavačka kuća Moskovskog univerziteta. - 1998. - 185 str.
Kuznjecov D.M., Gaponov V.L., Smirnov A.N. O mogućnosti proučavanja kinetike faznih prelaza u tečnom mediju metodom akustične emisije // Inženjerska fizika, 2008, br. 16-20.
Kuznjecov D.M., Smirnov A.N., Syroeshkin A.V. Akustična emisija tokom faznih transformacija u vodenoj sredini // Russian Chemical Journal - M.: Ros. chem. o njima D. I. Mendeleeva, 2008, v. 52, br. 114-121.
Smirnov A.N. Struktura vode: novi eksperimentalni podaci. // Nauka i tehnologija u industriji, 2010, br. 4, str. 41-45.
Smirnov A. N. Akustična emisija tokom hemijskih reakcija i fizičkih i hemijskih procesa // Russian Chemical Journal. - M.: Ros. chem. o njima D. I. Mendelejeva, 2001, v. 45, str. 29-34.
Smirnov A. N., Syroeshkin A. V. Supranadmolekularni kompleksi vode // Russian Chemical Journal. - M.: Ros. chem. o njima D.I. Mendeleeva, 2004, t. 48, br. 125-135.
Detalji za radoznale
Kako se pojavljuje “most”?
Formiranje "vodenog mosta" opisano je u radovima holandskog fizičara Elmara Fuchsa i njegovih kolega.
Platinaste elektrode su uronjene u dvije male posude s vodom koja stoji u blizini i na njih se primjenjuje konstantan napon od 15-20 kV. Na fotografijama se jasno vidi da se prvo u anodnom staklu, a potom i u katodnom staklu pojavljuju uzvišenja na površini vode, koja se spajaju, formirajući kružni vodeni most promjera 2-4 mm između posuda. Nakon toga, čaše se mogu pomicati jedna od druge za 20-25 mm. Most postoji dosta dugo, formirajući „most plutajućih voda“. Voda teče duž „mosta“. Krajevi “mosta” su suprotno nabijeni, pa voda u posudama poprima različite pH vrijednosti: 9 i 4. “Most” se sastoji od tankih mlaznica; kada se do njega prinese nabijena staklena šipka, ona se rascijepi u nekoliko krakova. Visoka eksperimentalna tehnologija omogućila je snimanje kretanja sfernih formacija duž površine „vodenog mosta“.
Voda može biti u tri agregatna stanja - gasovito, tečno i čvrsto. U svakom od ovih stanja struktura vode nije ista. Ovisno o sastavu tvari u njoj, voda poprima nova svojstva. Čvrsto stanje vode također dolazi u najmanje dvije vrste: kristalno - ledeno i nekristalno - staklasto, amorfno (stanje vitrifikacije). Prilikom brzog zamrzavanja pomoću, na primjer, tekućeg dušika, molekuli nemaju vremena za formiranje kristalne rešetke, a voda poprima čvrsto staklasto stanje. Upravo ovo svojstvo vode omogućava da se živi organizmi, kao što su jednoćelijske alge, listovi mahovine Mnium, koji se sastoje od dva sloja ćelija, zamrznu bez oštećenja. Smrzavanje sa stvaranjem kristalne vode dovodi do oštećenja ćelija.
Kristalno stanje vode karakterizira veliki izbor oblika. Odavno je zapaženo da kristalne strukture vode podsjećaju na radiolariju, listove paprati i ciste. Tom prilikom, A. A. Lyubishchev je sugerirao da su zakoni kristalizacije donekle slični zakonima formiranja živih struktura.
Fizička svojstva vode. Voda je najnenormalnija supstanca, iako se uzima kao standardna mjera gustine i zapremine za druge supstance.
Gustina. Sve tvari povećavaju volumen kada se zagrijavaju, dok smanjuju svoju gustinu. Međutim, pri pritisku od 0,1013 MPa (1 atm.) u vodi u rasponu od 0 do 4 0 C, kako se temperatura povećava, zapremina se smanjuje i uočava se maksimalna gustina (na ovoj temperaturi 1 cm 3 vode ima masa od 1 g). Prilikom smrzavanja volumen vode se naglo povećava za 11%, a kada se led topi na 0°C, također se naglo smanjuje. Sa povećanjem pritiska, tačka smrzavanja vode opada svakih 13,17 MPa (130 atm.) za 1 0 C. Stoga, na velikim dubinama pri temperaturama ispod nule, voda u okeanu se ne smrzava. Sa povećanjem temperature na 100 0 C, gustoća tekuće vode smanjuje se za 4% (na 4 ° C njena gustoća je 1).
Tačke ključanja i smrzavanja (taljenja). Pri pritisku od 0,1013 MPa (1 atm.), tačke smrzavanja i ključanja vode su na 0°C i 100°C, što oštro razlikuje H20 od jedinjenja vodonika sa elementima grupe VI periodnog sistema Mendeljejeva. U seriji H2Te, H2Se, H2S, itd. Kako se relativna molekulska težina povećava, točke ključanja i smrzavanja ovih tvari se povećavaju. Kada bi se ovo pravilo poštovalo, voda bi morala imati tačku smrzavanja između -90 i -120°C, a tačku ključanja između 75 i 100°C. Tačka ključanja vode raste sa povećanjem pritiska, a tačka smrzavanja (taljenja) opada (Dodatak 1).
Toplota fuzije. Latentna toplota fuzije leda je veoma visoka - oko 335 J/g (za gvožđe - 25, za sumpor - 40). Ovo svojstvo se izražava, na primjer, u činjenici da led pri normalnom tlaku može imati temperaturu od -1 do -7°C. Latentna toplota isparavanja vode (2,3 kJ/g) je skoro 7 puta veća od latentne toplote fuzije.
Toplotni kapacitet. Toplotni kapacitet vode (tj. količina topline potrebna za povećanje temperature za 1 °C) je 5 do 30 puta veći od toplinskog kapaciteta drugih tvari. Samo vodonik i amonijak imaju veći toplotni kapacitet. Osim toga, samo tekuća voda i živa imaju specifični toplinski kapacitet koji opada s povećanjem temperature od 0 do 35°C (tada počinje rasti). Specifični toplotni kapacitet vode na 16°C konvencionalno se uzima kao jedinica, služeći kao standard za druge supstance. Budući da je toplinski kapacitet pijeska 5 puta manji od onog tečne vode, onda se uz isto zagrijavanje suncem voda u rezervoaru zagrijava 5 puta manje od pijeska na obali, ali isto puta duže zadržava toplinu. Visok toplotni kapacitet vode štiti biljke od naglog porasta temperature pri visokim temperaturama zraka, a visoka toplina isparavanja uključena je u termoregulaciju u biljkama.
Visoke tačke topljenja i ključanja i visok toplotni kapacitet ukazuju na snažno privlačenje između susjednih molekula, zbog čega tečna voda ima visoku unutrašnju koheziju.
Voda kao rastvarač. Polaritet molekule vode određuje njenu sposobnost otapanja tvari bolje od drugih tekućina. Otapanje kristala anorganskih soli vrši se zbog hidratacije iona koji ih čine. Organske tvari, uključujući karboksil i hidroksil, vrlo su topljive u vodi. Karbonil i druge grupe s kojima voda stvara vodikove veze. (dodatak 1)
Voda u biljci nalazi se u slobodnom i vezanom stanju (Dodatak 2). Slobodna voda je pokretna, ima gotovo sva fizičko-hemijska svojstva čiste vode i dobro prodire kroz ćelijske membrane. Postoje posebni membranski proteini koji formiraju kanale unutar membrane koji su propusni za vodu (akvaporini). Slobodna voda ulazi u različite biohemijske reakcije, isparava tokom transpiracije i smrzava se na niskim temperaturama.
Vezana voda - ima izmijenjena fizička svojstva uglavnom kao rezultat interakcije sa nevodenim komponentama. Uobičajeno, vezana voda se uzima kao voda koja se ne smrzava kada temperatura padne na -10°C.
Vezana voda u biljkama je:
1) Osmotski vezan
2) Vezani koloidi
3) Kapilarno povezan
Osmotski vezana voda je vezana za jone ili supstance male molekularne težine. Voda hidratizira otopljene tvari - jone, molekule. Voda se elektrostatički veže i formira monomolekularni sloj primarne hidratacije. Vakuolarni sok sadrži šećere, organske kiseline i njihove soli, anorganske katione i anjone. Ove supstance osmotski zadržavaju vodu.
Koloidno vezana voda – uključuje vodu koja se nalazi unutar koloidnog sistema i vodu koja se nalazi na površini koloida i između njih, kao i imobiliziranu vodu. Imobilizacija je mehaničko hvatanje vode tokom konformacijskih promjena makromolekula ili njihovih kompleksa, pri čemu je voda zatvorena u ograničenom prostoru makromolekula. Značajna količina koloidno vezane vode nalazi se na površini vlakana ćelijskog zida, kao iu biokoloidima citoplazme i matriksu membranskih struktura ćelije.
Voda koja hidratizira koloidne čestice (prvenstveno proteine) naziva se koloidno vezana, a otopljene tvari (mineralne soli, šećeri, organske kiseline itd.) se nazivaju osmotski vezane. Neki istraživači vjeruju da je sva voda u ćeliji vezana u jednom ili drugom stepenu. Fiziolozi konvencionalno shvaćaju vezanu vodu kao vodu koja se ne smrzava kada temperatura padne na -10 °C. Važno je napomenuti da svako vezivanje molekula vode (dodavanje otopljenih tvari, hidrofobne interakcije, itd.) smanjuje njihovu energiju. To je ono što leži u osnovi smanjenja vodenog potencijala ćelije u odnosu na čistu vodu.
Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Ona varira u zavisnosti od uslova okoline, starosti i vrste biljaka. Dakle, sadržaj vode u listovima zelene salate je 93-95%, kukuruzu - 75-77%. Količina vode varira u različitim biljnim organima: listovi suncokreta sadrže 80-83% vode, stabljike - 87-89%, korijenje - 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za seme sušeno na vazduhu, u kome su inhibirani vitalni procesi. Voda se nalazi u živim ćelijama, mrtvim elementima ksilema i međućelijskim prostorima. U međućelijskim prostorima voda je u stanju pare. Glavni organi za isparavanje biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međućelijske prostore listova. U tečnom stanju voda se nalazi u različitim dijelovima ćelije: ćelijskoj membrani, vakuoli, protoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio ćelije, gdje njen sadržaj dostiže 98%. Pri najvećem sadržaju vode, sadržaj vode u protoplazmi je 95%. Najmanji sadržaj vode karakterističan je za ćelijske membrane. Kvantitativno određivanje sadržaja vode u ćelijskim membranama je teško; čini se da se kreće od 30 do 50%.
Različiti su i oblici vode u različitim dijelovima biljne ćelije. U vakuolarnom ćelijskom soku dominira voda zadržana spojevima relativno niske molekularne težine (osmotski vezana) i slobodna voda. U ljusci biljne ćelije voda je vezana uglavnom visokopolimernim spojevima (celuloza, hemiceluloza, pektinske tvari), odnosno koloidno vezana voda. U samoj citoplazmi nalazi se slobodna voda, koloidno i osmotski vezana. Voda koja se nalazi na udaljenosti do 1 nm od površine proteinske molekule je čvrsto vezana i nema pravilnu heksagonalnu strukturu (koloidno vezana voda). Osim toga, u protoplazmi postoji određena količina jona, pa je dio vode osmotski vezan.
Fiziološki značaj slobodne i vezane vode je različit. Većina istraživača vjeruje da intenzitet fizioloških procesa, uključujući stope rasta, prvenstveno ovisi o sadržaju slobodne vode. Postoji direktna korelacija između sadržaja vezane vode i otpornosti biljaka na nepovoljne vanjske uslove. Ove fiziološke korelacije se ne primjećuju uvijek.
