Вода, особенности строения, ее аномалии. Виды равновесий воды, страница 3

3. Жидкая вода занимает промежуточное положение между паром и льдом. Невозможность точно определить структуру жидкой воды с помощью современных методов исследования привела к возникновению множества теорий строения воды. В большинстве теорий в качестве отправной точки используется структура льда. Модели, построенные на этой основе, можно разделить на две группы. В одной из них структура воды рассматривается как неоднородное образование, в другой – как однородное.

В качестве примера неоднородной модели приведем схему Фрэнка – Вина. Жидкая вода представляется им конгломератом «мерцающих кластеров (роев)», состоящих из соединенных водородными связями молекул воды («льдоподобные» ассоциаты), которые плавают в более или менее «свободной» воде (рис. 7).

Вследствие кооперативной природы водородной связи, которая, образовавшись где-то в одном месте, создает благоприятные условия для возникновения новых связей и как бы распространяет саму себя через соседние молекулы, кластеры постоянно существуют в текущей жидкости. Они непрерывно образуются и разрушаются в соответствии со случайными тепловыми флуктуациями жидкости.

Время существования кластера («полужизни» его) составляет 10^-10– 10^-11 с, затем кластер разрушается и возникает вновь, что и обусловливает характерное для этих скоплений мерцание. Свободные и связанные молекулы координированы по-разному: первым свойственна более плотная упаковка по сравнению со вторыми.

Структурно-однородная модель жидкой воды разработана О.Я. Самойловым. Ближнюю упорядоченность в воде, т.е. вза- иморасположение ее молекул в непосредственной близости друг от друга, он рассматривает как слегка нарушенный тепловым движением льдоподобный каркас, пустоты которого частично заполнены мономерными молекулами воды. Вода является, таким образом, единым целым, любые элементарные объемы которого в каждый данный момент структурно соответствуют друг другу. Работы последних лет свидетельствуют о том, что модель О. Я. Самойлова, по-видимому, лучше всего приближается к истине и соответствует известным структурным и термодинамическим особенностям воды. Так, рентгенографические исследования М. Д. Данфорда и X. А. Леви подтвердили, что в жидкой воде сохраняется размытый тепловым движением льдоподобный каркас с частично заполненными пустотами. По данным М. Ф. Вукса, изучение рассеяния света в воде показало, что в ней не существует значительных структурных неоднородностей и поэтому представление о воде как о конгломерате «кластеров», плавающих в «свободной» воде, не выдерживает критики; по мнению названного автора, наиболее правдоподобной является модель О.Я. Самойлова. А. Ф. Скрышевский, резюмируя результаты теоретических и экспериментальных исследований по структуре воды, пишет: «...можно заключить, что ближний порядок в воде представляет собой синтез двух структур: а) тетраэдрической, унаследованной от льда; б) более плотной структуры, возникшей в результате перехода части молекул в полости решетки льда. Первой структуре соответствует более устойчивое состояние молекул, второй — менее устойчивое (текучее) состояние. Молекулы, находящиеся в положениях равновесия тетраэдрической структуры, образуют друг с другом водородные связи. Те из молекул, которые перешли в полости этой структуры, сравнительно слабо взаимодействуют с соседними молекулами каркаса» (1971, с. 199—200).

Структурно-однородная модель воды О.Я. Самойлова позволяет наглядно представить процессы, связанные с тепловым перемещением частиц воды. Известно, что тепловое движение частиц жидкости состоит в основном из колебаний, вращательных движений около каких-то временных положений равновесия и скачкообразных перемещений из одного положения в другое. Скачкообразные движения называют трансляционными, по своей сущности они соответствуют  явлению самодиффузии частиц жидкости. Движения эти имеют характер активированных скачков, поскольку положения равновесия частиц жидкости окружены сравнительно большими потенциальными барьерами, для преодоления которых молекула должна обладать достаточной энергией – энергией самодиффузии.