Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.5. Структурные особенности воды
Жидкая вода имеет очень сложную структуру, и многие ее особенности до сих пор не нашли четкого объяснения. Для воды характерна ярко выраженная способность к самоорганизации вследствие образования водородных связей [36–38].
Первичными структурами могут являться димеры, тримеры, …, полимеры, из которых в дальнейшем образуются циклические структуры в основном пяти- и шестичленные, которые далее формируют различные пространственные многогранники. Наиболее привлекательными являются многогранники, имеющие ось симметрии пятого порядка (додекаэдр и икосаэдр), так как это объясняет многие свойства воды, например, ее текучесть, способность образовывать газовые гидраты и др. Из этих структурных элементов в дальнейшем могут образовываться длинные цепи и пространственные структуры, заполняющие весь объем. Структура жидкой воды была предметом обширных исследований [4, 39, 40].
Предложенные различные теории и структурные модели воды обладают тем недостатком, что, с одной стороны, удовлетворительно объясняют только часть наблюдаемых явлений, с другой, – часто противоречат одна другой. Имеющихся в настоящее время экспериментальных данных недостаточно, чтобы разрешить эти противоречия. Применявшиеся ранее теоретические и экспериментальные методы исследования не позволяют детально выяснить сложную структуру воды. Изучение структуры воды породило множество концепций, для большинства которых признаются наличие упорядоченных доменов в воде. Эти теории (структурных дефектов Самойлова, структур Бернара-Фалуера, «гидратов» Полинга, мерцающих кластеров Франка и Вена и многие другие) интенсивно обсуждались в целом ряде монографий [4, 40–44].
Методы рассеяния рентгеновского излучения или нейтронов
[4, 40–44] не подтверждают образования в воде упорядоченных структур с размерами больше десятков ангстрем, что не согласуется с данными по гистерезисным температурным аномалиям показателя преломления воды или аномальным рассеянием света в водных растворах органических соединений [45–46]. В жидкой воде зарегистрирован эффект ИК-люминесценции. Существование полос ИК-люминесценции связано с присутствием в воде полых кластеров (клатратов). Кластеры воды теоретически рассчитываются обычно только для десятков молекул, или вблизи межфазной границы, например, раздела вода/лед представляет собой достаточно определенную структуру глубиной до 15 Å (0,15 нм) [4, 47].
Многие свойства воды, например, ее текучесть, способность образовывать газовые гидраты, предполагают образование протяженных упорядоченных структур, например, континуальную модель воды. Данные по акустической эмиссии из водных растворов в области от 500 до 2,5 кГц предполагают источник генерации звуковых волн с линейными размерами на много порядков большими, чем молекулярные кластеры. В воде движение частиц гидрофильных суспензий, отличается от любых видов конвекции высокой степенью упорядоченности и анизотропностью и быстро восстанавливается после любых гидродинамических возмущений. Это указывало на то, что структуры, образованные упорядоченными гигантскими комплексами воды исполняют роль направляющих, вдоль которых движутся дисперсные частицы.
Иногда вода моделируется как полностью диссоциирующий набор атомов с точечными диполями, самосогласованно определенными на каждом атоме кислорода. Поляризуемость кислорода не фиксирована, но зависит от геометрии системы. Несмотря на ограниченное число свободных параметров, модель удовлетворительно воспроизводит геометрические и колебательные свойства микрокластеров: длины связей и дипольные моменты согласуются с экспериментально и неэмпирически найденными в пределах 10–20 % и качественно воспроизводят не только геометрию основного состояния, но и некоторые локальные минимумы [4, 46, 47].