Кластерная структура воды

Водный кластер — объединение молекул воды, соединённых между собой посредством водородных связей. Существование таких кластеров было предсказано теоретически и обнаружено экспериментально. Простейшим примером самого малого водного кластера является димер воды — (Н2О)2, то есть две молекулы воды.

Как известно уже более полувека — молекула воды полярна. Положительные и отрицательные заряды в ней слегка смещены относительно концов молекулы, и в результате она обладает довольно большим дипольным моментом и создает вокруг себя электрическое поле. Тонкий эксперимент однозначно доказал, что кластеры воды обладают большими электрическими дипольными моментами, и тем самым обуславливают необычные физические и химические свойства структурированной воды. В жидком состоянии вода представляет собой не хаотическую мешанину молекул, а упорядоченную и динамически меняющуюся энергетическую структуру из водных кластеров. Каждый отдельный кластер живет очень небольшое время, однако распадаясь на отдельные молекулы, эти молекулы вновь объединяются в кластеры, а поведение кластеров влияет на структуру воды.

Если излагать кратко, упрощая модели протекания реальных процессов, то структурированность воды можно описать следующим образом: Общеизвестная формула Н20 говорит о том, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водород.

Рассмотрим, каким образом формируется такая молекула:

• 1. Атом водорода это положительно заряженное ядро и вращающийся на орбите отрицательно заряженный электрон.
• 2. Атом кислорода — положительно заряженное ядро, вокруг которого на трех орбитах вращается 8 электронов. Но последняя орбита «не достроена» — готова принять 2 электрона от других элементов.
• 3. Эти электроны кислород перетягивает от двух атомов водорода (по одному от каждого). Таким образом, устанавливается связь между атомом кислорода и двумя атомами водорода.
• 4. В результате и получаем молекулу Н2О, которая состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Итак, атомы водорода отдали электроны атому кислорода. При этом от атомов водорода остаются только ядра, несущие положительный заряд (+), а у кислорода, после принятия электронов, получился избыток отрицательного заряда (два -). В результате в полученной молекуле четыре центра образования новых связей, т. е. четыре «островка», которые могут установить новые связи с другими элементами — два положительных и два отрицательных.

Вот эти «островки» и устанавливают новые связи с другими молекулами — это водородные связи. Разумеется, водородные связи устанавливаются между противоположными зарядами.

На рассмотренная нами молекула (в центре) установила посредством четырех водородных мостов связи с четырьмя другими молекулами. У каждой из этих четырех молекул по три свободных «заряженных» бугорка — два отрицательных и один положительный. Т. е. 12 (4×3) центров образования готовых связей. Указанные 12 центров могут присоединить еще 12 молекул воды.

Вероятность дальнейших новообразований резко падает и без привлечения дополнительных энергии, просто не возможно. Образовавшаяся многомолекулярная фигура замыкается и силами притяжения и отталкивания разворачивается в объёмную фигуру напоминающую шар из сот.

Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.