Структура воды
Из книги Мартина Чаплина "Water structure and science"
Вода имеет структуру. Структура зависит от температуры, количества примесей, в том числе, ионов, поверхностей, с которыми вода контактирует, электрических и магнитных полей и других факторов.
Молекулы воды в идеале могут образовывать четыре связи с другими молекулами воды, причем под определенными углами. Определенность углов задает геометрическую структуру, а именно - выстроенные молекулы воды образуют пустоты (кластеры). Получается такая ажурная равномерная, связная сеть, по которой могут пробегать волны небольших укорочений или удлинений связей (информация).
В пустоты могут встраиваться ионы, молекулы, но только определенного размера и свойств. Некоторые подходят по размеру идеально, и тогда ажурная сетка воды геометрически не нарушается, ей нужно будет только перераспределить заряд "гостя". Другие чуть больше/меньше имеющихся полостей, тогда ажурной сетке нужно еще и растянуться или сжаться. Третьи вообще не подходят по размеру и либо сидят за пределами кластерной структуры, либо разрушают ее.
То есть, ажурная сетка воды далеко не всё принимает в себя. Играет роль не только размер "гостя", но и его плотность заряда. Если у гостя распределение плюсов/минусов более-менее совпадает с таковым воды - и по величине зарядов, и по расстоянию от "+" до "-", то вода охотно смачивает такое вещество, оно будет иметь гидрофильную поверхность. Если же распределение плюсов/минусов у гостя отличается, вода будет плохо контактировать с таким веществом, оно будет гидрофобным в той или иной степени.
Гидрофобная поверхность не принимает протянутые к ней связи воды. В итоге вода должна будет часть своих неиспользованных на связи зарядов как-то компенсировать самостоятельно в самой себе. Она вынуждена будет изогнуть углы связей, получится очень напряженная структура. Если из четырех возможных связей одна остается неиспользованной, оставшиеся три упрочняются, становятся жестче. Если две связи не использовано, оставшиеся две еще жестче. Так что обычно компенсация неиспользованных, не принятых гидрофобным "соседом" зарядов выражается в более жесткой кластеризации и увеличении полостей в слое воды у гидрофобной поверхности. Такая поверхностная вода изгоняет из себя прежние ионы и готова принять в свои полости новые ионы/молекулы с "менее плотным" распределением зарядов, те, которые в глубине бы не были приняты. Так, например, вода на поверхности контакта с воздухом более готова принять в себя молекулы кислорода, чем вода в глубине.
Еще интересно, что такая вода с неиспользованными связями более "агрессивна", то есть, в ней полно молекул, готовых покинуть структуру, перейти в состояние пара. Поэтому трещины и мелкие отверстия гидрофобного материала заполняются не водой, а паром, "не смачиваются". Вода с такой более "гидрофобной" структурой в чем-то похожа на подогретую воду, ведь в нагретой воде тоже много молекул, готовых покинуть объем жидкости. Как будто гидрофобная поверхность, не приняв "протянутую руку" связи от молекулы воды, придала этой молекуле дополнительную тепловую/химическую энергию.
Беспорядок наводят и молекулы/ионы, у которых "плотность заряда" намного отличается от водной. Малый ион, если он не может встроиться в каркас, будет разрушать ажурную сетку, вырывать из нее молекулы воды, которые выстраиваются вокруг него во много слоев, пока на самом внешнем слое не образуется плотность заряда, соответствующая средней плотности воды. Так, известно, что один ион SO4 может собрать вокруг себя 500 тысяч молекул Н2О! Образуется этакая зона беспорядка вокруг иона с отсутствием пустот, а значит, с большей плотностью воды. И каждая молекула воды в этой зоне имеет меньше четырех связей с соседями, а значит, там полно "агрессивных" молекул, готовых покинуть водный коллектив.
Если ион большой по объему и при этом с малым зарядом (I-, Cs+, SCN-), он не может проникнуть в воду, является "гидрофобным".
Так что обычная вода - это смесь участков с ажурной структурой и неупорядоченных. Чем ниже температура воды, тем больше в ней каркасных структур. Чем выше температура - тем больше нарушается красивая геометрия, становится больше беспорядка. Чем больше мелких ионов - тем больше беспорядка, плотнее вода, тем больше в ней "активных" молекул, готовых покинуть воды и вторгнуться во что-то другое (вылететь в воздух, проникнуть в чужеродную молекулу). Если же много ионов с подходящей геометрией и распределением заряда, ажурная структура воды стабилизируется. Например, такая стабилизированная структура преобладает внутри живых клеток, где вода скреплена массой макромолекул. В такую стабильную ажурную структуру с трудом проникают мелкие ионы Na, они остаются снаружи клетки, зато хорошо подходят по размеру ионы К, которые и заходят внутрь клетки (а там уже куча жизненных процессов идет на основе такого асимметричного распределения ионов).
Стабилизированная структура воды "низкоактивная", то есть, не поддерживает роста, ни своего, ни микробов. В пищевых продуктах для длительного хранения связывают воду - подсушивая, добавляя сахара или соли. А для роста и развития нужно больше свободной "активной" воды (Ну, это тоже каждый знает, - что семена и цветы нужно поливать. И в раковых клетках больше воды.). Зато стабилизированная структура воды лучше проводит информацию по сетке устойчивых связей, способных поддерживать бег волн, в том числе, скорость звука в ней больше.
Кластеры могут вбирать в себя много газов. Но вглубь теплой воды газы не пойдут, так как там кластеров не так уж много. А вот в воде, приближающейся к температуре замерзания кластеров уже много, и лед активно вбирает в себя газы, до 160-180 объемов газа на 1 объем газогидрата.
На рисунке каркас воды (мелкие молекулы) с ксеноном (крупные шары, синие и голубые в зависимости от размера занятой полости)
Магнитное поле упрочняет кластерную структуру воды, то есть, повышает ее сродство к гидрофобным веществам, ускоряет растворение в ней газов, и одновременно способствует изгнанию из нее более гидрофильных веществ, которые будут оседать в виде мелких легко удаляемых кристаллов вместо образованию крупнокристаллической накипи на стенках. Наверняка магнитное поле должно способствовать и образованию газогидратов - за счет способности к укрепления кластеров.
Вода имеет структуру. Структура зависит от температуры, количества примесей, в том числе, ионов, поверхностей, с которыми вода контактирует, электрических и магнитных полей и других факторов.
Молекулы воды в идеале могут образовывать четыре связи с другими молекулами воды, причем под определенными углами. Определенность углов задает геометрическую структуру, а именно - выстроенные молекулы воды образуют пустоты (кластеры). Получается такая ажурная равномерная, связная сеть, по которой могут пробегать волны небольших укорочений или удлинений связей (информация).
В пустоты могут встраиваться ионы, молекулы, но только определенного размера и свойств. Некоторые подходят по размеру идеально, и тогда ажурная сетка воды геометрически не нарушается, ей нужно будет только перераспределить заряд "гостя". Другие чуть больше/меньше имеющихся полостей, тогда ажурной сетке нужно еще и растянуться или сжаться. Третьи вообще не подходят по размеру и либо сидят за пределами кластерной структуры, либо разрушают ее.
То есть, ажурная сетка воды далеко не всё принимает в себя. Играет роль не только размер "гостя", но и его плотность заряда. Если у гостя распределение плюсов/минусов более-менее совпадает с таковым воды - и по величине зарядов, и по расстоянию от "+" до "-", то вода охотно смачивает такое вещество, оно будет иметь гидрофильную поверхность. Если же распределение плюсов/минусов у гостя отличается, вода будет плохо контактировать с таким веществом, оно будет гидрофобным в той или иной степени.
Гидрофобная поверхность не принимает протянутые к ней связи воды. В итоге вода должна будет часть своих неиспользованных на связи зарядов как-то компенсировать самостоятельно в самой себе. Она вынуждена будет изогнуть углы связей, получится очень напряженная структура. Если из четырех возможных связей одна остается неиспользованной, оставшиеся три упрочняются, становятся жестче. Если две связи не использовано, оставшиеся две еще жестче. Так что обычно компенсация неиспользованных, не принятых гидрофобным "соседом" зарядов выражается в более жесткой кластеризации и увеличении полостей в слое воды у гидрофобной поверхности. Такая поверхностная вода изгоняет из себя прежние ионы и готова принять в свои полости новые ионы/молекулы с "менее плотным" распределением зарядов, те, которые в глубине бы не были приняты. Так, например, вода на поверхности контакта с воздухом более готова принять в себя молекулы кислорода, чем вода в глубине.
Еще интересно, что такая вода с неиспользованными связями более "агрессивна", то есть, в ней полно молекул, готовых покинуть структуру, перейти в состояние пара. Поэтому трещины и мелкие отверстия гидрофобного материала заполняются не водой, а паром, "не смачиваются". Вода с такой более "гидрофобной" структурой в чем-то похожа на подогретую воду, ведь в нагретой воде тоже много молекул, готовых покинуть объем жидкости. Как будто гидрофобная поверхность, не приняв "протянутую руку" связи от молекулы воды, придала этой молекуле дополнительную тепловую/химическую энергию.
Беспорядок наводят и молекулы/ионы, у которых "плотность заряда" намного отличается от водной. Малый ион, если он не может встроиться в каркас, будет разрушать ажурную сетку, вырывать из нее молекулы воды, которые выстраиваются вокруг него во много слоев, пока на самом внешнем слое не образуется плотность заряда, соответствующая средней плотности воды. Так, известно, что один ион SO4 может собрать вокруг себя 500 тысяч молекул Н2О! Образуется этакая зона беспорядка вокруг иона с отсутствием пустот, а значит, с большей плотностью воды. И каждая молекула воды в этой зоне имеет меньше четырех связей с соседями, а значит, там полно "агрессивных" молекул, готовых покинуть водный коллектив.
Если ион большой по объему и при этом с малым зарядом (I-, Cs+, SCN-), он не может проникнуть в воду, является "гидрофобным".
Так что обычная вода - это смесь участков с ажурной структурой и неупорядоченных. Чем ниже температура воды, тем больше в ней каркасных структур. Чем выше температура - тем больше нарушается красивая геометрия, становится больше беспорядка. Чем больше мелких ионов - тем больше беспорядка, плотнее вода, тем больше в ней "активных" молекул, готовых покинуть воды и вторгнуться во что-то другое (вылететь в воздух, проникнуть в чужеродную молекулу). Если же много ионов с подходящей геометрией и распределением заряда, ажурная структура воды стабилизируется. Например, такая стабилизированная структура преобладает внутри живых клеток, где вода скреплена массой макромолекул. В такую стабильную ажурную структуру с трудом проникают мелкие ионы Na, они остаются снаружи клетки, зато хорошо подходят по размеру ионы К, которые и заходят внутрь клетки (а там уже куча жизненных процессов идет на основе такого асимметричного распределения ионов).
Стабилизированная структура воды "низкоактивная", то есть, не поддерживает роста, ни своего, ни микробов. В пищевых продуктах для длительного хранения связывают воду - подсушивая, добавляя сахара или соли. А для роста и развития нужно больше свободной "активной" воды (Ну, это тоже каждый знает, - что семена и цветы нужно поливать. И в раковых клетках больше воды.). Зато стабилизированная структура воды лучше проводит информацию по сетке устойчивых связей, способных поддерживать бег волн, в том числе, скорость звука в ней больше.
Кластеры могут вбирать в себя много газов. Но вглубь теплой воды газы не пойдут, так как там кластеров не так уж много. А вот в воде, приближающейся к температуре замерзания кластеров уже много, и лед активно вбирает в себя газы, до 160-180 объемов газа на 1 объем газогидрата.
На рисунке каркас воды (мелкие молекулы) с ксеноном (крупные шары, синие и голубые в зависимости от размера занятой полости)
Магнитное поле упрочняет кластерную структуру воды, то есть, повышает ее сродство к гидрофобным веществам, ускоряет растворение в ней газов, и одновременно способствует изгнанию из нее более гидрофильных веществ, которые будут оседать в виде мелких легко удаляемых кристаллов вместо образованию крупнокристаллической накипи на стенках. Наверняка магнитное поле должно способствовать и образованию газогидратов - за счет способности к укрепления кластеров.