Идеальная структура воды

От: Михаил Баданов

Вопрос: Олег, здравствуйте. Как Вы считаете, идеальная структура воды, её структурная картина идеальной воды должна больше походить на структуру кремнезема (двуокиси кремния) или на структуру кристаллического кремния (Si)?

------

Ответ:

Здравствуйте, Михаил.

В настоящее время существуют несколько моделей, описывающих структуру жидкостей – микрокристаллические, квазикристаллические, фрактальные и фрактально-клатратные модели. Согласно микрокристаллической модели Дж. Бернала и П. Фаулера в жидкости существуют группы молекул – микрокристаллы, содержащие несколько десятков или сотен молекул, внутри которых сохраняется порядок твердого тела. Предполагается, что молекулы воды расположены в воде не так, как во льду, а подобно атомам кремния в минерале тридимите или в более плотной модификации кремнезёма – кварце (Si₂O).

Самая интересная особенность кварца заключается в том, что подобно воде его кристалл обладает тетраэдрической структурой (рис. 1). Поскольку внешних связей всего четыре, а внутренних – в три раза больше, то это позволяет тетрамерам в жидкой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать ослабленные тепловыми колебаниями молекул воды внешние водородные связи. Это и объясняет текучесть воды и другие ее свойства. Так как каждый такой тетрамер воды имеет еще и четыре незадействованные внешние водородные связи, то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК (рис. 2-5).

Современными методами анализа структуры было доказано, что молекулы воды также способны за счет водородных связей образовывать аналогичные структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул Н₂О.

Рис. 1. Кристаллическая структура кварца (слева) и тетраэдрическая структура воды (справа).

Рис. 2. Элементарные кремнекислородные единицы-ортогруппы SiO₄^4- в структуре Mg-пироксена в минерале энстатите (а) и диортогруппы Si₂O₇^6- в Са-пироксеноиде волластоните (б).

Рис. 3. Основные типы кремнекислородных цепочечных группировок (по Белову): а-метагерманатная, б - пироксеновая, в - батиситовая, г-волластонитовая, д-власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пироксмангитовая, и-метафосфатная, к-фторобериллатная, л - барилитовая.

Рис. 4. Основные типы ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а - силлиманитовая, амфиболовая, ксонотлитовая; б-эпидидимитовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукитовая; д-фенакитовая призматическая; е-эвклазовая инкрустированная.

Рис. 5. Фрагмент слоистой кристаллической структуры минерала мусковита KAl₂(AlSi₃O₁₀^.OH)₂, иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрическими слоями крупных катионов Al³⁺ и K⁺, напоминающие двухцепочечную структуру ДНК.

Другая особенность кварца заключается в том, что его кристаллы оптически активны, т. е. способны взаимодействовать с поляризованным светом, в т. ч на поверхности кристалла. Поэтому, на поверхности кристаллов кварцев была возможна избирательная абсорбция L- и D-изомеров. Этот факт может объяснить стереоселективность эволюции.

Предполагаемая структура воды могла быть обусловлена ее древней реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами, преобладающими в земной коре, в контакте с которыми пребывала вода. С силикатными породами связано и развитие древнейших форм жизни на Земле.

Существуют и другие модели, описывающие структуру воды и ее аномальные свойства, подробнее о которых Вы можете ознакомиться на нашем сайте.

С уважением,
О.В. Мосин