Аномалии воды: Молекулы в ресторане

Что есть проще воды? Мы знакомы с ней с самого младенчества, она окружает нас повсюду, она несет жизнь. Однако многое в ее структуре на молекулярном уровне до сих пор остается загадкой. А некоторые свойства воды пока объяснить никак не удается.

В целом, сегодня ученые насчитывают 66 «аномальных» свойств, присущих обычной воде. Это – и необычно сильное поверхностное натяжение (сильнее только у ртути), и высокая теплоемкость, и странно меняющаяся плотность (она увеличивается с понижением температуры и достигает максимума примерно при 4 градусах).

Все эти необычные свойства воды бесценны для жизни на Земле. Из-за аномалий плотности водоемы замерзают, начиная с поверхности, и позволяют рыбам и другим их обитателям спокойно зимовать подо льдом. Сильное поверхностное натяжение не только позволяет некоторым насекомым передвигаться по поверхности, но и дает растениям возможность всасывать влагу из почвы и доставлять ее высоко в кроны. А высокая теплоемкость делает температуру мирового океана стабильной, влияя на климат всей планеты.

«Понять природу этих аномалий более чем важно, - говорит Андерс Нильсон (Anders Nilsson), стэнфордский физик, под руководством которого недавно завершилось еще одно интересное исследование, посвященное «странностям» воды, - ведь вода – обязательная основа нашего собственного существования: нет воды – нет жизни. Наша работа позволяет объяснить эти аномалии на молекулярном уровне, при температурах, подходящих для жизни».

То, как организованы молекулы H₂O в твердой водной фазе – льде – было установлено довольно давно. Они формируют тетраэдрическую решетку (из пирамид с треугольными сторонами), каждая молекула в которой связана с 4-мя другими. Тут уместно вспомнить отличную статью из январского номера «Популярной Механики», в которой мы рассказывали о снеге и снежинках – о науке и некоторых мифах, связанных с ними. Скажем, правда ли, что каждая снежинка неповторима? Читайте: «Белая магия».

Но вот с жидкой водой дело оказалось куда сложнее – и интересней. Уже более века структура ее остается предметом самого пристального изучения, самых смелых гипотез и самых жарких дискуссий. Наиболее общепринятая модель, которая описывается сегодня в учебниках, подразумевает, что раз лед обладает тетраэдрической структурой, то и вода должна иметь такую же, только гораздо менее упорядоченную, охватывающую лишь несколько молекул.

Чтобы изучить этот вопрос, Андерс Нильсон с коллегами использовали мощнейшие пучки рентгеновских лучей, полученных на синхротронах SLAC в Стэнфорде и SPring-8 в Японии, направляя их на образцы чистой жидкой воды. Изучив то, как лучи рассеивались этими образцами, ученые пришли к выводу о том, что «тетраэдрическая модель» некорректна. К их удивлению, вода при комнатной температуре одновременно образует 2 вида структур – одна из них высоко упорядоченная тетраэдрическая, а другая – полностью разупорядоченная.

Эти два вида структур существуют в воде как бы по отдельности. Тетраэдрические формируют скопления, объединяя в среднем до 100 молекул, как бы погруженные в регионы с разупорядоченной структурой. Жидкая вода представляет собой постоянно «колеблющуюся» среду, молекулы которой непрерывно переходят из одной структуры в другую – по крайней мере, при температурах от комнатной и почти до точки кипения. По мере роста температуры упорядоченных тетраэдрических структур становится все меньше, однако размеры их, как ни странно, остаются прежними.

«Вы можете представить это, как переполненный ресторан, - поясняет Андерс Нильсон. - Часть людей сидит за большими столами, занимая значительную часть помещения. Это тетраэдрические структуры. Другие танцуют под музыку между столами, кто попарно, кто по 3-4 человека. По мере того, как музыка становится все более заводной (температура растет), танцующие движутся все быстрее. Существует также постоянный “обмен”: одни садятся за столы отдохнуть, другие присоединяются к танцующим. Если музыка достигает определенного накала, целые столы сдвигаются в сторону, а люди с них поднимаются потанцевать. И наоборот, если танец успокаивается, стол возвращается на место, и люди снова усаживаются за него».

Интересно, что такое представление о молекулярной структуре жидкой воды при обычной температуре подкрепляет другие исследования, посвященные необычному «переохлажденному» состоянию воды. В этой необычной форме она не замерзает даже далеко ниже нуля. Обнаружив это интересное состояние, теоретики попытались объяснить его и предложили подходящую модель: молекулярная структура переохлажденной воды должна состоять из двух типов – тетраэдрической и разупорядоченной, соотношение которых зависит от температуры. Словом, все так, как описал Нильсен и его коллеги.

Какие же выводы об аномалиях воды можно сделать, исходя из модели, полученной учеными? Возьмем, к примеру, плотность. Молекулы, организованные в тетраэдрические структуры, менее плотно упакованы, чем в разупорядоченных, и эта плотность упаковки в них почти не зависит от температуры. А в разупорядоченных она хотя и выше, но меняется: при повышении температуры плотность снижается, поскольку молекулы начинают «танцевать» активнее, а значит – и чуть дальше друг от друга. Итак, при повышении температуры большая часть молекул переходит в разупорядоченные структуры, и сами эти структуры становятся менее плотными. Это объясняет и очень высокую теплоемкость воды. Энергия, которая поглощается водой с ростом температуры, в значительной степени расходуется на переход молекул из тетраэдрических структур в разупорядоченные.

Читайте также еще об одной аномалии воды, едва не погубившей экспедицию легендарного полярника Фритьофа Нансена – и о том, чем она объясняется: «Физика мертвой воды».

По пресс-релизу Stanford University

Две структуры жидкой воды: на переднем плане – тетраэдрическая, на заднем - разупорядоченная

Тетраэдрическая кристаллическая решетка льда: каждая молекула связана с 4-мя другими

Вода – вещество удивительное во многих отношениях. При определенных условиях внутри нанотрубок она

может течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Это единственное на Земле вещество,

которое при замерзании расширяется