Японцы разобрались в причинах уникальности свойств воды

Все знают, что свойства воды отличаются от большинства жидкостей: она расширяется при замерзании (поэтому лед легче), при сжатии снижается ее вязкость и так далее. Эти, казалось бы, аномальные свойства нам еще в школе объясняют наличием водородных связей между молекулами. Однако подробности пока мало изучены, хотя тема крайне важна и для химии, и для физики. Специфические свойства воды также используют в медицине и технических дисциплинах.

Изображение структуры воды в фазовом состоянии Si34 (слева)
и фазовая диаграмма в координатах λ/давление (справа)
© Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

В Институте промышленных наук Токийского университета смогли продвинуться в понимании феномена строения воды.

Вода в жидком состоянии образует тетраэдрические структуры локального характера, которые формируются при помощи водородных связей, — это известно давно. Японские ученые определили, что вода — не просто «неупорядоченная вода», в которой плавают «частицы» «тетраэдрической воды»: система имеет диаграмму состояния, аналогичную твердым фазам.

Разработана модель, которая рассматривает жидкую воду как систему, состоящую из двух фаз. Первая — неупорядоченное состояние с высокой вращательной симметрией. Проще говоря, это отсутствие какой-либо определенной закономерности в «направлениях» молекул в жидкости. Вторая фаза не просто упорядочена тетраэдрально, но и термодинамически находится в неравновесном состоянии. Взаимодействие этих состояний описывается параметром лямбда (λ), физический смысл которого — оценка относительной силы межмолекулярных взаимодействий парного и тройного характера. То есть обычного, между двумя свободными молекулами, и между молекулами, составляющих тетраэдрическую структуру. Соответственно, рост параметра λ указывает на увеличение упорядоченности системы. Эта модель выглядит простой, но хорошо предсказывает аномальное поведение воды как жидкости.

Читайте также:  Древние плезиозавры могли жить не только в морской, но и в пресной воде

Один из руководителей исследования Джон Руссо поясняет: «…С увеличением λ тетраэдрические оболочки, образующиеся вокруг каждой молекулы, становятся энергетически более стабильными». Тем самым компенсируются затраты энергии на упорядочивание структуры в целом. Ученые, изменяя λ, смоделировали диаграммы фазовых состояний, строение которых может быть весьма неожиданным. Так, на рисунке слева изображена структура воды типа Si34 — она образуется при отрицательном давлении. При этом ее строение — клатратное, то есть, по сути, является соединением включения: часть молекул воды находится в полостях структуры, образованной другими ее молекулами. Выявленная зависимость не линейная, максимальное влияние на свойства воды происходит при λ = 23,15.

Хадзиме Танака, один из руководителей проекта, отметил важную роль исследования для физической химии. Связь макроскопических параметров, таких как вязкость, с микроскопическими структурами, произведенная при помощи сравнительно простой модели, — действительно важное достижение. С практической точки зрения понимание структуры воды должно помочь разработкам эффективных фильтров для тонкой очистки.

Читайте также:  Украденная голова динозавра раскрыла странное скрещивание видов

Источник: naked-science.ru

Похожие статьи:

  1. Ученые создали сложную молекулу в виде тройной ленты Мёбиуса
  2. Кристаллическая решетка под микроскопом
  3. Сероводород установил рекорд высокотемпературной сверхпроводимости
  4. Четыре новых элемента таблицы Менделеева получили названия
  5. Российские химики открыли первое «настоящее» соединение гелия
  6. Ученым удалось впервые измерить прямым способом силу водородных связей в молекулах

Метки Физика, Химия. Закладка постоянная ссылка. « Археологи нашли следы ранее неизвестной цивилизации на юге Амазонии Спустя более века после открытия ученые выяснили механизм важной химической реакции »

Добавить комментарий Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован.

Комментарий

Имя

Сайт

Δ

Источник материала: sci-dig.ru

Поделиться новостью: