К.х.н. О.В. Мосин

ОБЛАДАЕТ ЛИ ВОДА ПАМЯТЬЮ?

Молекула воды в самом простом приближении имеет очень простую структуру, напоминающую плоский угол. Стороны угла атомов водорода находятся по отношению к друг другу под углом 104,7° за счёт взаимного отталкивания двух положительно заряжённых атомов водорода (в парообразной воде и во льду этот угол увеличивается до 109^о).

Рис. Молекула воды

Поскольку у атома кислорода больше электронов (химики говорят, что атом кислорода более электроотрицательный), чем у атома водорода, электроны двух атомов водорода сдвигаются в сторону более электроотрицательного атома кислорода, приводя к тому, что два положительных заряда атомов водорода компенсируются равным по величине двум атомов водорода отрицательным зарядом атома кислорода. Поэтому электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Это приводит к тому, что молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах.

 Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр. Но такой тетраэдр – это только самый первый базовый уровень строения воды.

Рис. Структура молекулы воды: а) угловая; б) шаровая; в) тетраэдрическая

Второй уровень химической организации воды определяется возможностью тетраэдров воды образовывать многочисленные короткоживущие связи, названные водородными связями, которые связывают отдельные молекулы воды друг с другом в ассоциаты (кластеры), способные воспринимать, хранить и передавать самую различную информацию. Таким образом, вода – сложный полимер формулы (Н₂О)_n, составленный из повторяющихся групп, содержащих от трех до 12 и более одиночных молекул воды. Вследствие этого вода обладает аномальными значениями температуры замерзания и кипения. Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100^оС и закипать при температуре около +10^оС.

Рис. Образование водородной связи между двумя отдельными молекулами воды

Водородная связь намного слабее ковалентной связи, тем не менее играет очень важную роль во внутри- межмолекулярных взаимодействиях. Водородные связи во многом обусловливают аномальные физические свойства воды. Например, если рассматривать воду как простую совокупность молекул Н₂О, то оказывается, что её удельный вес должен составлять 1,84 г/см³, а температура её кипения будет равна 63,5°С. Но, как известно, при нормальной температуре и давлении удельный вес воды равен 1 г/см³, а кипит вода при 100°С. Исходя из этого, следует предположить, что внутри воды должны быть пустоты, где нет молекул Н₂О, то есть воде присуща особая структура. Это принципиальное открытие было сделано английским физиком Берналом. С тех пор в этой области проведено множество исследований, но полной ясности в этом вопросе еще нет.

Отличительная черта водородной связи – сравнительно низкая прочность, ее энергия в 5–10 раз ниже, чем энергия химической связи. По энергии она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой фазе.

Поскольку каждая молекула воды имеет четыре центра образования водородной связи (две неподелённые электронные пары у атома кислорода и два атома водорода), то каждая молекула воды способна образовывать водородные связи с четырьмя молекулами воды, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда.

Рис. Каждая молекула воды способно образовывать водородные связи с четырьмя соседними молекулами

В кристаллической структуре льда каждая молекула участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей.

Рис. Водородные связи в кристаллической решётке льда

В отличие от льда, в жидкой воде водородные связи легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты воды - её структурные элементы кластеры. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды. Водородные связи в воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают кооперативно в пределах короткоживущих групп молекул воды, названных “мерцающими кластерами”. Их время жизни оценивают в диапазоне от 10^-10 до 10^-11 с. Такое представление правдоподобно объясняет высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость. Считается, что благодаря именно таким свойствам вода служит одним из самых универсальных растворителей.

Рис. Модель мерцающих кластеров воды. На рисунке представлены как отдельные кластерно-ассоциативные структуры молекул воды, так и отдельные молекулы воды, не связанные водородными связями.

Вода – это громадный полимер множества молекул воды, связанных друг с другом водородными связями. Но классический полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими. Однако в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет частично (на 10%) ковалентный характер [Isaacs E. D., et al.,1999]. Даже частично ковалентный характер водородной связи “разрешает”, по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в полимерные устойчивые ассоциаты.