Японцы разобрались в причинах уникальности свойств воды

Ученые Токийского университета подробно изучили строение воды как жидкости и выяснили, что ее свойства зависят от соотношения двух фазовых состояний.

24K
Выбор редакции

Все знают, что свойства воды отличаются от большинства жидкостей: она расширяется при замерзании (поэтому лед легче), при сжатии снижается ее вязкость и так далее. Эти, казалось бы, аномальные свойства нам еще в школе объясняют наличием водородных связей между молекулами. Однако подробности пока мало изучены, хотя тема крайне важна и для химии, и для физики. Специфические свойства воды также используют в медицине и технических дисциплинах.

 

В Институте промышленных наук Токийского университета смогли продвинуться в понимании феномена строения воды.

 

Вода в жидком состоянии образует тетраэдрические структуры локального характера, которые формируются при помощи водородных связей, — это известно давно. Японские ученые определили, что вода — не просто «неупорядоченная вода», в которой плавают «частицы» «тетраэдрической воды»: система имеет диаграмму состояния, аналогичную твердым фазам.

 

Разработана модель, которая рассматривает жидкую воду как систему, состоящую из двух фаз. Первая — неупорядоченное состояние с высокой вращательной симметрией. Проще говоря, это отсутствие какой-либо определенной закономерности в «направлениях» молекул в жидкости. Вторая фаза не просто упорядочена тетраэдрально, но и термодинамически находится в неравновесном состоянии. Взаимодействие этих состояний описывается параметром лямбда (λ), физический смысл которого — оценка относительной силы межмолекулярных взаимодействий парного и тройного характера. То есть обычного, между двумя свободными молекулами, и между молекулами, составляющих тетраэдрическую структуру. Соответственно, рост параметра λ указывает на увеличение упорядоченности системы.

 

Эта модель выглядит простой, но хорошо предсказывает аномальное поведение воды как жидкости.

 

Один из руководителей исследования Джон Руссо поясняет: «…С увеличением λ тетраэдрические оболочки, образующиеся вокруг каждой молекулы, становятся энергетически более стабильными». Тем самым компенсируются затраты энергии на упорядочивание структуры в целом. Ученые, изменяя λ, смоделировали диаграммы фазовых состояний, строение которых может быть весьма неожиданным. Так, на рисунке слева изображена структура воды типа Si34 — она образуется при отрицательном давлении. При этом ее строение — клатратное, то есть, по сути, является соединением включения: часть молекул воды находится в полостях структуры, образованной другими ее молекулами.

 

Изображение структуры воды в фазовом состоянии Si34 (слева) и фазовая диаграмма в координатах λ/давление (справа) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

 

Изображение структуры воды в фазовом состоянии Si34 (слева) и фазовая диаграмма в координатах λ/давление (справа) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

 

Выявленная зависимость не линейная, максимальное влияние на свойства воды происходит при λ = 23,15.

 

Хадзиме Танака, один из руководителей проекта, отметил важную роль исследования для физической химии.

 

Связь макроскопических параметров, таких как вязкость, с микроскопическими структурами, произведенная при помощи сравнительно простой модели, — действительно важное достижение. С практической точки зрения понимание структуры воды должно помочь разработкам эффективных фильтров для тонкой очистки.

24K

Комментарии
Ну все, теперь все понятно

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку