ТАК ВОТ ОНА КАКАЯ, ВОДА !
О ней сложены былины и песни, ее считают святой и живой, ее уважают и почитают, без нее невозможна жизнь. С недавних пор ее стали строго учитывать в масштабах всей планеты. «Ты, – сказал А.Экзюпери, – сама жизнь!» Ее изучают теоретики и экспериментаторы, химики и физики, биологи и гидрологи, представители многих других отраслей знания. Каждый из нас общается с ней ежедневно, ежечасно.
Речь пойдет о таком, казалось бы, простом, но пока еще полном нераскрытых загадок веществе, как вода, о некоторых недавних работах по строению воды.
Хорошо известно, что одиночная молекула воды имеет форму уголка, что вода – полимер, что полимеризация осуществляется за счет слабых водородных связей. Изучено строение воды в газовой фазе – там даже при температуре кипения присутствует небольшое количество димеров. Исследовано строение льда, точнее 11 модификаций льда (при повышенных давлениях кристаллы льда формируются из молекул иначе, чем в обычном льде). Но каково строение полимеризованной жидкой воды, из какого числа мономерных (простых) молекул состоит полимер? Вариантов ответов на эти вопросы существует великое множество, но только в последние годы получены ответы, приближенные к истине. А истина открывает дорогу к пониманию свойств воды, выявлению механизмов химических и, главное, биохимических процессов, протекающих в среде воды и с участием воды.
Изучить строение полимеров воды оказалось довольно сложно, поскольку вода – смесь различных полимеров, которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом, полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.
Разделить эту смесь на отдельные компоненты невозможно. Казалось бы, выход – спектральные исследования, ведь с их помощью удается решать очень непростые задачи: например, изучать состав межзвездных облаков и строение крайне неустойчивых химических соединений. Но обычные спектральные методы исследования воды тоже дают мало информации, т. к. спектры отдельных полимеров близки между собой и накладываются друг на друга. Казалось бы, положение безнадежное. Лишь в простейшем случае – у димерной воды – около 20 лет назад удалось установить строение. Дальше экспериментальные исследования почти не продвинулись.
Выход был найден лишь в 1990-е гг.
Когда появились лазеры и лазерная спектроскопия
стала обычной, удалось создать такую
разновидность метода, которая позволяла
определять характеристики отдельных полимеров и
даже судить об их строении. Группа
исследователей из Калифорнийского университета
(г. Беркли, США) под руководством доктора
Р.Дж.Сайкалли в 1992 г. расшифровала строение
тримера, в 1996 г. – тетрамера и пентамера, а затем и
гексамера. К этому времени уже было установлено,
что жидкая вода состоит из полимерных частиц (их
нередко называют также кластерами), содержащих
именно от трех до шести молекул воды.
Приходилось ли вам видеть групповые затяжные прыжки парашютистов-любителей, когда несколько человек, не раскрывая куполов парашютов, сближаются в воздухе и берутся за руки? Такие прыжки снимают видеокамерой и часто показывают по телевизору.
Молекулы воды, образующие кластеры, напоминают взявшихся за руки парашютистов в свободном полете.
На рис. 1 показано строение три-, тетра- и пентамера. Все они цикличны, т. е. образуют довольно устойчивые «кружки». Правда, одиночная молекула воды мало похожа на человека, поэтому можно представить, что в своем свободном полете без парашюта молекулы держатся друг за друга, не схватившись обеими руками за руки соседа, рука в руку, а иначе: каждая держит одной «рукой» другую за «пояс». Вторая «рука» каждой молекулы свободна и направлена либо вниз, либо вверх от плоскости треугольника, квадрата и пятиугольника. (Если соблюдать масштаб, то приходится допускать: или что в «руке» есть крюк, который цепляется к «поясу», или что у «пояса» имеется свободный конец, который и захватывает «рука».)
С некоторой натяжкой, но строение цикличных кластеров все же довольно похоже на фигуры, образуемые смелыми парашютистами.
Более сложным оказалось строение гексамера (рис. 2). Самая простая структура – шесть молекул воды в вершинах шестиугольника, – как выяснилось, не столь прочна, как структура клетки. Более того, структуры призмы, раскрытой книги или лодки тоже оказались менее устойчивыми. В шестиугольнике может быть только шесть водородных связей, а экспериментальные данные говорят о наличии восьми. Это значит, что четыре молекулы воды используют для связывания по одной «руке», как и в циклических полимерах, а две молекулы воды – по две «руки». Приходится допустить, что к «поясу» двух молекул воды здесь протянуты по две «руки».
Эта структура, показанная на рис. 2, прочнее всех остальных.
Структуры кластеров воды были найдены и теоретически, сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать. Более того, именно сопоставлением экспериментально найденных и рассчитанных параметров удалось доказать, что полимеры имеют то строение, которое описано выше.
Теоретики смотрят шире: они,
например, уже предсказали строение пока не
открытого кластера из 7 молекул воды. Гептамер,
как ожидается, должен иметь тоже объемное
строение, причем здесь уже 10 водородных связей,
три «двуруких» молекулы и три молекулы с двумя
«руками» соседей у «пояса».
Ученые задались также вопросом: а каков размер самых маленьких капель воды, т. е. каков наименьший размер кластера, проявляющего уже свойства жидкой воды? Проведенные в 1998 г. расчеты показали, что это – гексамер.
Совсем недавно удалось построить такую модель структуры жидкой воды, которая позволила ответить на вопрос, почему плотность воды максимальна при 4 °С. Предполагалось, что вода состоит из больших, почти неподвижных кластеров, имеющих полости, а в этих полостях находятся малые кластеры. Повышение температуры от 0 до 4 °С вызывает разрыв водородных связей в больших кластерах, что увеличивает плотность. Дальнейшее повышение температуры мало меняет структуру кластеров, и за счет термического расширения плотность уменьшается.
Так это или не так, но рассчитанная по такой модели плотность достигает максимальной величины именно при 4 °С.
О том, насколько далеко продвинулось понимание структуры жидкой воды в последние годы, насколько современная модель отличается от модели десятилетней давности, можно судить, сопоставив написанное выше со статьей «Вода» в 1-м томе «Химической энциклопедии».
Исследования самого важного для жизни вещества продолжаются и обещают новые открытия.
И с п о л ь з о в а н н а я л и т е р а т у р а
Scienсe, 1996, v. 271, p. 62;
Chemiсal & Engineering News, 1996, v. 74, № 2;
Nature, 1996, v. 381, p. 501;
Chemical & Engineering News, 1996, v. 74, № 25;
Chem. Phys. Lett., 1997, v. 266, p. 473;
Science News, 1998, v. 153, № 12;
J. Phys. Chem., 1998, v. 102, № 44, p. 8641.
Э.Г.Раков