Вода — чуть ли не самое загадочное вещество нашей планеты. Будучи нормальным мономолекулярным соединением, она должна кипеть при —70 °С, а замерзать почти при —100 °С!
Ни одна из существующих более чем 20 моделей структуры жидкой воды не может описать этот феномен полностью, в единстве его свойств. Ясно одно: в воде одновременно существует несколько состояний, обусловленных наличием водородных связей между ее молекулами. Их энергия более чем втрое превышает ван-дер-ваальсовские силы взаимодействия, что, собственно, и отличает воду от газов и сближает ее по структуре с твердыми телами. Именно это обстоятельство позволило Дж. Берналу и Р. Фаулеру еще в 1932 г. сравнить структуру жидкой воды с твердым кварцем.
Углубившись в проблему, можно сделать вывод, что мономолекула Н20 — эфемерное образование, не более чем продукт кипения, а реальная вода — тетрамер H8O4, в котором четыре молекулы соединены в компактный тетраэдр двенадцатью «сильными» внутренними водородными связями (нечто вроде пакета молока). В жидкой воде, в тумане, в пару над
кипятком тетрамеры объединяются в своего рода полимер такими же, но уже «слабыми» внешними водородными связями. Ведь для соединения с другими тетрамерами у каждого из них остаются только 4 связи, как у одной молекулы Нг0, следовательно, они ослаблены вчетверо! Именно эта особенность позволяет тяжелым тетрамерам надламывать, изгибать и даже вращать водородные (Н—) связи. Элементарность вчетверо утяжеленного тетрамера обусловливает резко сдвинутый вверх температурный интервал существования жидкой фазы, а постоянность полимеризации тетрамеров посредством слабых Н-связей — растянутость этого интервала на 96°!
Во льду все тетрагидроли соединены между собой прямыми водородными связями в ажурный каркас, строение которого хорошо изучено (см. рис.). Когда лед тает, связи надламываются и изгибаются, что сближает тетрамеры и делает жидкость более плотной, чем лед. А при 4 °С наступает уникальное состояние, когда все Н-связи между тетрагидролями максимально изогнуты, чем и обусловлены минимальный объем пустот каркаса и максимальная плотность воды. Вращение же Н-связей вокруг осей объясняет аномальную текучесть даже при отсутствии разрывов в таком идеальном полимере.
В интервале между 4° и 70 °С происходит постепенный разрыв Н-связей между тетрамерами (дальше гнуться некуда!). И что удивительно: при температуре нашего тела достигается поистине уникальное состояние — разорвана половина «слабых» водородных связей. Это определяет равную вероятность течения разнообразных обратимых биохимических реакций в крови живых организмов и обеспечивает легкое «управление» ими. Интервал в 33° (4°—37°—70°) намеча-
ет еще одну точку на температурной кривой, где разорваны почти все межтетрамерные Н-связи и наряду со свободными тетрагидролями остаются только их короткие цепочки и ленты. Наконец при 100 °С, когда скрытая теплота испарения воды ровно в три раза превышает количество, нужное для плавления льда и дальнейшего нагрева до этого состояния, происходит вроде бы окончательный распад уже теперь одиночных тетрамеров на молекулы Н20.
Тут же, над кастрюлей, они снова объединяются в тетрагидроли и их полимерные ансамбли с выделением тепла — 540 кал/г. Благодаря такому противодействию (в полном соответствии с принципом Ле Шателье) исключается, казалось бы, неизбежная потеря воды нашей планетой.
Как геолог, добавлю, что форму эту «структурная память» воды унаследовала от главной строительной единицы земной тверди — кремнекислородного тетраэдра — как наиболее энергетически выгодную. Ведь, в сущности, весь кислород земной воды и атмосферы в прошлом был «силикатным». Существование правых и левых (по распределению внутренних тетрамерных водородных связей) тетрагидролей предполагает наличие в кипящем 3,8 млрд лет назад праокеане Земли правых и левых тетрамерных цепочек. Они-то и могли играть роль матрицы в очищении органических соединений, синтезировавшихся тогда. Кстати, кварц, жизнь которого тесно связана с водой, имеет правые и левые кристаллические формы. А подобное в мире минералов встретишь не часто...
Левый и правый тетрамеры воды (проекция на плоскость). Большие круги
— ионы кислорода, черные точки — протоны, сплошные линии — протонные водородные
связи, точечные линии — электронные водородные связи
Возвращение на страничку со
списком (Back)