Динамика сетки водородных связей в воде и аморфном льде

Уникальная  особенность поведения воды при  охлаждении и образовании льда играет исключительно важную роль в природе  и жизни. Именно эта особенность  воды предохраняет от сплошного промерзания  в зимний период все водоемы земли - реки, озера, моря и тем самым  спасает жизнь.

В отличие  от пресной воды морская вода при  охлаждении ведет себя иначе. Замерзает  она не при 0°С, а при минус 1,8-2,1°С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет  максимальную плотность не при + 4°С, а при -3,5°С. Таким образом она  превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание  в пресных водоемах прекращается при охлаждении всей массы воды до +4°С, то в морской воде вертикальная циркуляция происходит даже при температуре  ниже 0°С. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно, создавая благоприятные условия  для развития животных и растительных организмов.

Особенно  благоприятной средой для обитателей морей и океанов являются талые  воды, образующиеся при таянии ледников и айсбергов. В безбрежных просторах  океанов плавающие горы-айсберги в основном скрыты под водой, однако могут представлять серьезную опасность  для судоходства. Трагедией века была названа гибель "Титаника", которая произошла в результате столкновения суперлайнера с огромным айсбергом 14 апреля 1912 года.

Все термодинамические  свойства воды заметно или резко  отличаются от других веществ.

Вода  чрезвычайно распространённое вещество в космосе, однако из-за высокого внутри жидкостного давления вода не может  существовать в жидком состоянии  в условиях вакуума космоса, отчего она представлена только в виде пара или льда.

Одним из наиболее важных вопросов, связанных  с освоением космоса человеком  и возможности возникновения жизни на других планетах, является вопрос о наличии воды за пределами Земли в достаточно большой концентрации. Известно, что некоторые кометы более чем на 50 % состоят из водяного льда. Не стоит, впрочем, забывать, что не любая водная среда пригодна для жизни — в частности, аккумуляторная батарея содержит 25 % раствор серной кислоты в воде (но жизнь в нем, очевидно, маловероятна, тем более, её возникновение).

Вода  широко распространена в Солнечной  системе, она есть почти везде, даже в атмосфере Венеры присутствует небольшое количество водяного пара. Наличие воды (в основном в виде льда) подтверждено на многих спутниках  Юпитера и Сатурна: Энцеладе, Тефии, Европе, Ганимеде и др. Вода присутствует в составе всех комет и многих астероидов. Учёными предполагается, что многие транснептуновые объекты  имеют в своём составе воду.

Жидкая  вода, предположительно, имеется под  поверхностью некоторых спутников  планет, наиболее вероятно, на Европе —  спутнике Юпитера.

Вода  играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования  и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых  организмов. Уникальность воды состоит  в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так  и неорганические вещества, обеспечивая  высокую скорость протекания химических реакций и в то же время —  достаточную сложность образующихся комплексных соединений. Благодаря  водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причем именно в том, который широко представлен на планете Земля  в настоящее время.

 

 

Аномалия  теплоёмкости.  Она заключается в следующем: При нагревании любого вещества теплоемкость неизменно повышается. Для любого вещества, но не воды. Вода - исключение, она и здесь не упускает возможности быть оригинальной: с повышением температуры изменение теплоемкости воды аномально; от 0 до 37°С она понижается и только от 37 до 100°С теплоемкость все время растет [7-9].

Рис.1.3.3. Температурная зависимость воды от удельной теплоёмкости

 

В пределах температур, близких к 37°С, теплоемкость воды минимальна. Именно эти температуры - область температур человеческого  тела, область нашей жизни. Физика воды в области температур 35-41°С (пределы возможных, нормально протекающих  физиологических процессов в  организме человека) констатирует вероятность достижения уникального состояния воды, когда массы квазикристаллической и объемной воды равны друг другу и способность одной структуры переходить в другую - вариабельность - максимальная. Это замечательное свойство воды предопределяет равную вероятность течения обратимых и необратимых биохимических реакций в организме человека и обеспечивает "легкое управление" ими.

Другая общеизвестная исключительная способность воды растворять любые вещества. И здесь вода демонстрирует необычные для жидкости аномалии, и в первую очередь аномалии диэлектрической постоянной воды. Это связано с тем, что ее диэлектрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость) очень велика и составляет 81, в то время как для других жидкостей она не превышает 10. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия двух заряженных частиц в воде будет в 81 раз меньше, чем, например, в воздухе, где эта характеристика равна единице. В этом случае прочность внутримолекулярных связей уменьшается в 81 раз и под действием теплового движения молекулы диссоциируют с образованием ионов. Необходимо отметить, что из-за исключительной способности растворять другие вещества вода никогда не бывает идеально чистой.

Аномальные  свойства воды, определяющие, в том  числе, и наличие жизни на Земле - её переменная плотность, высокая  теплоемкость и большое поверхностное  натяжение, объясняются двумя типами структур, в которые самоорганизуются молекулы жидкости, уверены авторы нового исследования.

Ученым  давно были известны 66 необъяснимых свойств воды, отличающих её от большинства  других химических веществ, встречающихся  в жидком состоянии. Так, в отличие  от всех известных жидкостей, плотность  которых монотонно увеличивается  с понижением температуры, плотность  воды максимальна при 4 градусах Цельсия, а при дальнейшем понижении температуры  вновь начинает убывать. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь  в реках и озерах - в противном  случае эти относительно мелкие водоемы  неизбежно промерзали бы до дна в  зимний период и были бы лишены всех живых организмов, за исключением, может  быть, простейших бактерий экстремофилов.

Объяснить эти свойства на основании лишь строения и химических параметров молекул  воды ученые до последнего времени  не могли. Секрет крылся в структуре, в которую самоорганизуются молекулы жидкой воды. Он долгое время оставался  неразгаданным, так как изучить  эту структуру теми же методами, что применяются для изучения строения твердых тел, практически  невозможно.

Команда Андерса Нильсона (Anders Nilsson), ведущего специалиста Стенфордского центра синхротронного излучения (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), сумела преодолеть эти  трудности благодаря новейшим методам  изучения строения жидкостей с использованием мощного рентгеновского излучения, получаемого с помощью больших  ускорителей элементарных частиц, называемых синхротронами. Один из использованных в работе синхротронов находится в Японии, а второй в США.

Ученые  выяснили, что существовавшие до сих  пор представления о молекулярной структуре воды были неверными - оказалось, что её молекулы формируют не одну структуру, а одновременно два типа структур, сосуществующих в жидкости вне зависимости от температуры. Один тип структуры формируется  в виде сгустков примерно по 100 молекул, структура которых напоминает структуру  льда. Второй тип структуры, окружающей сгустки, гораздо менее упорядочен.

Увеличение  температуры вплоть до точки кипения  воды приводит к некоторому искажению  структуры сгустков и уменьшению их количества и доминированию разупорядоченной структуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 1.4. Кристаллические льды

Лёд – кристаллическая форма  воды, обладающая по последним данным четырнадцатью структурными модификациями. Среди них имеются и кристаллические (природный лед) и 

 

 

Рис.1.4.1. Кристаллическая структура льда.

аморфные (кубический лед) и метастабильные модификации, различающиеся друг от друга взаимным расположением и физическими  свойствами молекул воды, связанные водородными связями, формирующими кристаллическую решетку льда. Все они кроме привычного нам природного льда Ih, кристаллизующего в гексагональной решетке, образуются в условиях экзотических — при очень низких температурах сухого льда и жидкого азота и высоких давлениях в тысячи атмосфер, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются кристаллические системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле.

В природе  лёд представлен главным образом, одной кристаллической разновидностью, кристаллизующейся в гексагональной решётке, напоминающей структуру алмаза, где каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях  от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных  в вершинах правильного тетраэдра . В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность, составляющая 0,931 г/см3.

Самое необычное  свойство льда — это удивительное многообразие внешних проявлений. При  одной и той же кристаллической  структуре он может выглядеть  совершенно по-разному, принимая форму  прозрачных градин и сосулек, хлопьев  пушистого снега, плотной блестящей  корки льда или гигантских ледниковых масс. Лёд встречается в природе  в виде материкового, плавающего и  подземного льда, а также в виде снега и инея. Он распространён  во всех областях обитания человека. Собираясь  в больших количествах, снег и  лед формируют особые структуры  с принципиально иными, чем у  отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Природный лед сформирован  в основном льдом осадочно-метаморфического происхождения, образовавшийся из твердых атмосферных осадков в результате последующего уплотнения и перекристаллизации. Характерная особенность природного льда — зернистость и полосчатость. Зернистость обусловлена процессами рекристаллизации; каждое зерно ледникового льда представляет собой кристалл неправильной формы, тесно примыкающий к другим кристаллам в ледяной толще таким образом, что выступы одного кристалла плотно входят в углубления другого. Такой лед получил название поликристаллического. В нем каждый кристалл льда представляет собой слой тончайших листочков, налегающих друг на друга в базисной плоскости, перпендикулярной к направлению оптической оси кристалла.

Общие запасы льда на Земле составляют согласно расчетам около 30 млн. км³ (табл. 1). Больше всего льда сосредоточено в Антарктиде, где толщина его слоя достигает 4 км. Также имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы и в кометах. Лед имеет столь большое значение для климата нашей планеты и обитания на ней живых существ, что ученые обозначили для льда особую среду — криосферу, границы которой простираются высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.

Табл. 1. Количество, распространение и время жизни льда.

Вид льда	Масса		Площадь распространения		Средняя концентрация, г/см2	Скорость прироста массы, г/год	Среднее время жизни, год
	г	%	млн. км2	%
Ледники	2.4·1022	98.95	16.1	10.9 суши	1.48·105	2.5·1018	9580
Подземный лёд	2·1020	0.83	21	14.1 суши	9.52·103	6·1018	30—75
Морской лёд	3.5·1019	0.14	26	7.2 океана	1.34·102	3.3·1019	1.05
Снежный покров	1.0·1019	0.04	72.4	14.2 Земли	14.5	2·1019	0.3—0.5
Айсберги	7.6·1018	0.03	63.5	18.7 океана	14.3	1.9·1018	4.07
Атмосферный лёд	1.7·1018	0.01	510.1	100 Земли	3.3·10—1	3.9·1020	4·10—3