Физика и химия аномальных свойств воды

Водородные связи

Образование водородных связей обусловлено квантово-механическими особенностями взаимодействия протонов водорода с ядром кислорода и электронными орбитами разных уровней в молекуле воды. кроме электростатического взаимодействия, благодаря которому положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, действуют еще и другие межмолекулярные силы — дисперсионные и обменные.

Если бы можно было непосредственно увидеть молекулу воды, то мы бы обнаружили, что она окутана электронным облаком и похожа на упругий пушистый шарик с двумя бугорками. При сближении двух молекул их электронные облака немного деформируются и в этот момент между ними возникают силы взаимного притяжения. Это — дисперсионные силы. В случае, когда электронные облака сближаются еще больше и начинают перекрываться, между ними согласно квантово-механическому запрету Паули возникают силы отталкивания. Эти силы носят название обменных или ядерных.

Молекулы воды в любом агрегатном состоянии располагаются между собой таким образом, что электростатические и дисперсионные силы притяжения строго уравновешиваются обменными силами отталкивания. Прочность и длина водородных связей определяются в основном именно этими условиями.

Каждая молекула воды способна образовывать четыре водородных связи. Согласно правилам Бернала-Фаулера молекула воды характеризуется следующими особенностями: а) атом кислорода каждой молекулы Н2О связан с четырьмя атомами водорода: с двумя «своими» он связан ковалентной связью, а с двумя «чужими» — с помощью водородных связей; б) на линии кислород — кислород может располагаться только один протон водорода; в) пространственная связь тройки О-Н…О, где черточкой обозначена ковалентная связь, а точками — водородная, не может быть произвольной, а имеет четкую направленность.

Другой особенностью водородных связей является кооперативность, т.е. донорно-акцепторное их взаимодействие.

В мире физико-химических процессов огромное значение имеет сила химических и физических связей. Образование и разрыв ковалентных, ионных, водородных, ван-дер-ваальсовских и других сил и связей межатомного и межмолекулярного взаимодействия составляют основу всего живого, органического и неорганического. И здесь водородные связи между молекулами воды имеют свое неповторимое лицо. О них можно говорить как о связях в меру сильных, так и в меру слабых. В сравнении с ковалентными связями, действующими внутри молекулы воды, водородные связи, скрепляющие в кристаллах льда эти молекулы между собой, оказываются слабее в 24 раза.

Все четыре водородные связи каждой молекулы воды могут быть заполнены и зафиксированы только во льду. Рыхлость структуры льда и воды обусловлена действием водородных связей. Атом водорода, как мост, скрепляет два кислородных атома, принадлежащих двум разным молекулам воды. При этом энергия, которая осуществляет эту связь, промежуточная между энергией обычной химической связи (действующей, например, между атомами кислорода и водорода в одной и той же молекуле воды) и энергией молекулярного притяжения соседних молекул. Атом кислорода, входящий в состав каждой молекулы воды, способен соединяться водородными мостиками-связями с четырьмя другими атомами кислорода. В наиболее чистом и полном виде подобная система водородных связей образуется в кристалле обыкновенного льда. В нем каждая молекула объединена водородной связью с четырьмя ближайшими соседями. В целом кристалл представляет собой каркасное сооружение, образованное «сеткой» водородных связей со множеством пустот между ними. Именно при таком строении возникает ажурная структура льда, которая объясняет ряд его свойств. В этих пустотах, по мнению некоторых физиков, сконцентрирован целый мир сверхтонкой материи и энергии, несущий ту или иную информацию.

При плавлении льда и нагревании талой воды идеальная правильность расположения молекул воды и строения сетки водородных связей нарушается. Чем выше поднимается температура, тем большее число водородных мостиков разрушается под действием теплового движения, и молекулы занимают все более плотную упаковку. Пустоты в структуре воды уменьшаются. Поэтому вода сжимается, несмотря на то, что тепловое движение одновременно стремится увеличить среднее расстояние между молекулами. Только при температуре выше +4оС вода начинает расширяться.

Природа особенностей, отличающих воду от многих других жидкостей, — это водородные связи между ее молекулами и несовпадение в них положительных и отрицательных зарядов.

Водородные связи, более мощные, чем силы взаимного притяжения (ван-дер-ваальсовы), играют решающую роль в обмене веществ. они соединяют все биомолекулы, в том числе молекулы воды, которые образуют матрицу жизни. Ни в каком другом веществе водородные связи не проявляются в такой мере, как в воде. Водородные связи рвутся под действием теплового движения молекул воды. Чем больше водородных связей между молекулами воды, тем более они благоприятны для жизни, ибо в основе обмена веществ лежит миграция протонов и электронов по водородным связям. Единственный цемент в строительстве живого — водородные связи. Водородные связи очень прочны. Согласно теоретическим расчетам, стержень диаметром 2 см, изготовленный из идеально чистой воды, должен был бы выдержать растягивающую силу 14 тонн.

Написать ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *