Как взаимодействует талая вода и согретая в смеси?
Олег, я поражен вашей осведомленностью и глубиной знаний. Примите от меня уверение в глубоком уважении. Сегодня я поливал талой, согретой до комнатной температуры водой куски льда, надеясь, что обтекая лед, вода восстановит подутраченные свойства до талой. И стал сомневаться: прав ли я? Возможно, теплая вода скорее разрушит свойства ледяной, нежели лёд "научит" своим свойствам теплую воду? Как вообще взаимодействует талая вода и согретая в смеси? Как они влияют друг на друга? Буду благодарен вам за ответ и бесконечно польщен вашим вниманием.
_______________
Здравствуйте, уважаемый Александр Владиславович!
Спасибо за интересный вопрос. По поводу структуры и свойств воды можно много размышлять и дискутировать, но мне кажется, что правомерно предположить, что в данном случае происходят одновременно два процесса – процесс формирования новых центров кристаллизации и процесс их разрушения. Думается, оба этих процесса лимитируются скоростями протекания, зависящими в свою очередь от внешних условий, температуры и как следствие этого тепловых скоростях движения молекул воды. То что, вода “восстановит” свои свойства до талой возможно, так как в ней будут сосуществовать разрушенные кристаллы льда, центры кристаллизации. Также очевидно, что кристаллическая решётка льда будет разрушаться, а молекулы воды переходить в раствор и образовывать посредством водородных связей новые ассоциаты. Но и в жидкой воде сохраняются короткоживущие водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — обломки структур льда, — состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Поэтому вопрос лишь в скоростях этих двух взаимно компенсирующих процессов и могут ли они или нет взаимно компенсировать друг друга. Если ответ на этот вопрос положительный – никакого эффекта вообще не будет. В противном случае можно ожидать существование двух различных процессов – структуризации и деструктуризации воды.
По моему мнению, кристаллическая решётка льда будет разрушаться не полностью – в воде всё равно останутся льдоподобные структуры, а следовательно сохранится кластерная структура воды, т.е. наличие в ней ассоциатов-кластеров. Дальнейшая их судьба будет зависеть от температуры, которая увеличивает скорости теплового движения молекул воды в них, поэтому короткоживущие водородные связи внутри кластеров в какой то момент времени перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов, что приводит к разрушению кластеров воды и переходов их в другие более мелкие кластеры. В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время жизни кластеров по разным оценкам составляет 10-10-12 секунд. Именно поэтому вода – это совокупность свободных молекул воды и ассоциатов воды, в основе которых лежит кристаллоподобные образования – кластеры воды. По данным некоторых исследователей, в обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% - это кластеры (структурированная вода). Количество связанных в водородные связи молекул в кластерах по некоторым данным может достигать сотен и даже тысяч единиц. При этом структурные элементы воды чувствительны на любое внешнее воздействие, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия.
Теперь остановлюсь подробнее на структуре льда и процессе его плавления. Структура кристалла льда напоминает ажурный тетрагональный каркас, где каждая молекула воды участвует в 4 водородных связях с соседними молекулами воды, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем ковалентная связь, но достаточно сильная, чтобы удержать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру (при этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный).
Когда лёд плавится, его структура разрушается, водородные связи рвутся и образуется смесь ассоциатов – кластеров воды, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс показан ниже. В воде ассоциаты периодически разрушаются и образуются снова. Время их жизни составляет 10-10 – 1012 секунд.
На микрофотографии ниже показаны “льдоподобные” кластеры, оставшиеся после плавления льда:
При этом специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде, так как при плавлении кристалла льда разрушается только 15% всех водородных связей в молекуле, остальные 75% идут на формирование новых кластеров воды. Затем, по истечении времени происходит разрушение кластеров воды за счёт всё возрастающего теплового движения молекул воды, и как следствие этого разрыва водородных связей, поэтому физико-химические свойства талой воды начинают самопроизвольно меняются, постепенно приближаясь к свойствам обычной воды. Вода как бы “забывает”, что она была льдом. Вообще, наличие организованных элементов в воде – это всего лишь теория, объясняющая аномальные свойства воды. Поэтому строить какие-либо гипотезы и умозаключения по данному вопросу пока преждевременно. Мы пока ещё находимся на раннем этапе пути к формированию более полных представлений о структуре воды.
С уважением,
О. В. Мосин