СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА СТРУКТУРУ ВОДЫ

Представлен современный взгляд на структуру воды и с этих позиций рассматриваются ее аномальные свойства.

Мономолекулярную воду Н20 в обычных условиях (нормальная температура и давление) лучше рассматривать ассоциированной, так как она не существует в виде Н20 вплоть до 200°С. Молекулы воды в момент своего образования самопроизвольно связываются друг с другом исходя из строения только сильными водородными связями в тетрамер Н804-(Н703) ОН.Знание структуры воды и возможность ее регулирования имеет практическое значение при ее использовании в производственных процессах, в технологии очистки, при активировании природных, растительных и животных объектов.

Структуру воды можно целенаправленно формировать с помощью физических и химических воздействий и таким образом получать воду различного качества: очищенную, дистиллированную, дегазированную, аэрированную, активированную с различной биологической активностью и повышенной растворяющей способностью.
Знание структуры воды и возможность ее регулирования имеет практическое значение при ее использовании в производственных процессах, в технологии очистки, при активировании природных растительных и животных объектов.
Создание необходимой структуры воды приближает человечество к пониманию роли и ответственности ее в жизни людей, их здоровья и долголетия.
Аномальные свойства воды
Вода и ее свойства достаточно хорошо описаны в справочной литературе, монографиях и в большом количестве научных статей. Она продолжает оставаться предметом постоянных исследований, благодаря тому, что до настоящего времени не существует строго однозначного представления об ее структуре, которая обусловливает ее свойства.
В справочниках обычно отмечают 5 аномальных свойств воды, но их можно дополнить до 13:1.
Вода - это жидкость, а не газ, как это следовало бы ожидать с учетом малой величины молекулярной массы. Все вещества, получаемые из двух газов при обычных условиях, тоже должны быть газообразными. Однако, взаимодействие газообразных водорода и кислорода приводит к получению жидкой воды. В молекуле воды два атома водорода соединенных с одним атомом кислорода двумя ковалентными связями 0 - Н. Неподеленные пары электронов атома кислорода воздействуют на электроны, образующие ковалентные связи, таким образом, что могут:
отталкивать их, что вызывает уменьшение валентного угла от 109° до 105° градусов;
увеличивать дипольный момент молекулы Н2О вследствие несимметричности распределения зарядов. Если величина дипольного момента гидроксильной 0 - Н -связи обычно составляет 1,7 D, то дипольный момент молекул воды возрастает до 1,84 D, что способствует образованию водородных Н-связей одной молекулы воды с другими молекулами;
повышать прочность Н-связи с другими молекулами воды из ближнего окружения, ориентируя их таким образом, чтобы между атомами кислорода находился только один атом водорода по типу 0 - Н ••• 0.

2. Химическое строение воды предопределяет очень небольшую молекулярную массу ее мономолекулы - всего 18. Меньшая молекулярная масса характерна только для четырех газов: водорода, гелия, метана и аммиака. Очень короткая ковалентная связь Н - 0, равная 0,096 нм, способствует малому размеру молекулы воды - ее диаметр составляет 2,76 (0,276 нм). Только два вещества - водород и гелий - имеют меньший размер. Самая короткая 0 - Н-связь является и самой прочной химической связью.

3. Вода, вопреки своему химическому строению, имеет высокие температуры плавления Тпл=0°С и кипения Тк=100 °С. Все другие вещества с близкой молекулярной массой и очень малым размером молекул имеют подобные характеристики лишь при очень низких минусовых температурах - ниже - 150°С.

4. Летучесть воды крайне мала. Низкая летучесть воды, высокие Тпл, Тк и теплота испарения НИСП по сравнению с другими жидкостями близкой молекулярной массы, свидетельствует о значительной величине сил межмолекулярного взаимодействия в ней.

5. Теплота испарения НИСП воды очень велика и требуется значительно больше времени ее нагревать, чем какую-либо другую жидкость, чтобы испарить одно и тоже количество вещества. Это играет важную положительную роль при испарении влаги с поверхности воды, земли и всех видов растений, которое протекает медленно даже при воздействии Солнца, что способствует существованию жизни на Земле.Температура кипения жидкости зависит от числа Н-связей. Чем больше водородных связей в жидкости, тем выше ее температура кипения, что видно из таблицы.
Большую величину теплоты испарения жидкостей, например, воды 44,86 кДж/моль при 100°С, 40,65 кДж/моль при 0°С, этанола 35,38 кДж/моль, метанола - 35,38 кДж/моль и ацетона - 29,67 кДж/моль - можно связать с разрывом межмолекулярных водородных Н-связей при переходе в парообразное состояние. Большинство жидкостей переходят в него в виде мономолекул, соединенных слабыми силами Ван-дер-Ваальса, при этом теплоты испарения невелики: например, НИСП четыреххлористого углерода составляет 10,4 кДж/моль; возможен переход в пар в виде димеров - уксусная кислота и другие карбоновые кислоты, этанол, метанол, или даже n-меров: низшие спирты, муравьиная кислота и т. п. Энергия межмолекулярной связи силами Ван-дер-Ваальса составляет около 4 кДж/моль, что в пять раз меньше энергии водородной Н-связи в воде (21,5 кДж/моль).

6. Водяной пар в отличие от других газов, составляющих атмосферу, при разных температурах может изменять свое агрегатное состояние, переходя в жидкое - воду или твердое состояние - снег, град, лед.

7. Плотность воды в интервале температур (0 -100)°С наибольшая при 4°С, а не при 0°С, то есть при замерзании. Охлаждение воды до температур ниже 4°С сопровождается некоторым уменьшением плотности, особенно при переходе в лед. При 0°С любое другое вещество в твердом состоянии тяжелее, чем в жидком, плотность льда составляет 915 кг/м3, а плотность воды - 1000 кг/м3.

8. Вода очень полярна: ее молекула представляет собой дипольмагнитную частицу с положительным и отрицательным полюсами, что приводит к возникновению особо прочных водородных связей; дипольный момент молекулы - 1,84 D.

9. Поверхностное натяжение воды в 1,5-3 больше, чем у большинства жидкостей и составляет 72,8 мН/м при 20°С. Значение поверхностного натяжения линейно убывает с повышением температуры и при 100°С достигает значения 58,5 мН/м. Поверхностное натяжение - важная характеристика любого вещества, а численное значение позволяет судить о его полярности, физической и химической активности, указывает на его способность и меру смачивать твердые материалы, адсорбироваться на их поверхности и диффундировать в их объем, притягивать из воздуха газообразные и твердые вещества.По сравнению с другими жидкостями вода проявляет уникальную способность образовывать прочную поверхностную пленку. Это достигается добавлением в нее солей, благодаря чему поверхностное натяжение образующихся растворов резко возрастает.

10. Вода имеет высокую удельную теплоемкость - 4,184 Дж/(г.град), что почти вдвое больше, чем у большинства простых жидкостей. Жидкости с высокой теплоемкостью при получении определенного количества тепла нагреваются меньше. Теплоемкость воды с повышением температуры сначала уменьшается, а затем вновь возрастает, что связывают с перестройкой Н-связей между молекулами.

11. Вязкость воды уменьшается с повышением давления, тогда как у всех других жидкостей она повышается.

12. Теплоустойчивость молекул воды также высока. Диссоциация молекул до атомов водорода и кислорода начинается с 2000°С и возрастает по мере повышения температуры и продолжительности ее воздействия. Согласно теории гибридизации, гибридные SР3-орбитали атома кислорода образуют прочные ковалентные б-связи с S-орбиталями водорода.

13. Вода - самый универсальный и распространенный растворитель среди жидкостей; в ней растворяются многие неорганические вещества, а также органические вещества, содержащие в молекуле функциональные группы (спирты, кислоты, сахара, амины); в том или ином количестве она находится почти во всех материалах, даже гидрофобных.
В целом структура воды считается рыхлой. Экспериментально это объясняют тем, что при смешении некоторых объемов воды и спирта получающийся общий объем жидкости меньше, чем сумма их отдельно взятых объемов.
Молекулы воды в ближнем порядке называли псевдокристаллами, димерами, тримерами, тетрамерами, пентамерами, тетраэдрическими структурами (Бериал и Фаулер), додекаэдрическими решетками (Полинг, 1960 г), клатратными каркасами и т. п.

Представляется, что большинство взглядов ученых на структуру воды можно объединить и объяснить рядом аномальных свойств жидкой воды, если ввести понятие об устойчивом первичном ассоциате, состоящем из четырех молекул воды, связанных между собой сильными Н-связями. Это - тетрамер Н804. В таком подходе следует принять, что вода состоит из тетрамеров, соединенных друг с другом слабыми Н-связями, а мономолекул Н20 в любом физическом состоянии (твердом, жидком и газообразном) не существует.
Вода - это смесь полиассоциатов, строение которых можно представить общей формулой[Н804]n, где n = 1 - 6 и больше.К одному тетрамеру может присоединиться до 6 тетрамеров с образованием олигомеров различной молекулярной массы. Первым из них является олигомер Н1608 из двух тетрамеров, содержащий 8 молекул воды.
Структура воды характеризуется пространственной сеткой слабых Н-связей. Сетка мало регулярна и мало стабильна, поскольку Н-связи легко разрушаются и возникают вновь. В целом ассоциаты образуют различные полигональные структуры, легко перестраивающиеся при различных воздействиях: физических (нагревании и охлаждении, сильном перемешивании, воздействии магнитных и электрических полей, звуков др.) и химических (растворении малоактивных газов, неорганических и органических веществ и т. п.).
Вода, как лабильная система, подчиняется принципу Ле Шателье - Брауна, который описывает термодинамическое равновесие подобных систем. Внешнее воздействие выводит такую систему из равновесия и в ней возникают процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия, вернуть систему в прежнее состояние. Этим объясняется тот факт, что омагниченная вода после устранения приложенного к ней магнитного поля через некоторое время теряет приобретенные свойства, то же испытывает талая, дождевая и быстро охлажденная вода и т. д.
Воздействия любой природы на воду вызывают изменения степени упорядочности полиассоциатов, которые происходят одновременно во всем объеме воды и носят кооперативный характер. Изменения физической структуры воды на уровне полиассоциатов сказываются на ее макросвойствах, которые человек видит визуально или с помощью точных приборов. Например, воду можно активировать и придать ей биологическую активность, что непосредственно не ощущается. Однако действие такой воды на конкретный объект приводит к явно выраженным результатам - семена быстрее прорастают, растения развиваются активнее, человек чувствует себя лучше, многие микробы гибнут и т. п.
Заключение

1. Вода - это не смесь мономолекул Н20, а сложная система из их ассоциатов с различной структурой и пространственной организацией, а также с определенной упорядоченностью молекул в виде тетраэдрических, додекаэдрических и других образований, в пустотах которых расположены мономолекулы воды, не участвующих в ассоциатах.

2. Воду следует считать сложной смесью олигомеров [Н804]п=1-6 с различной молекулярной массой (72 - 500), основу которых составляют первичные ассоциаты в виде термически устойчивых тетрамеров с молекулярной массой 72, связанные сильными (в тетрамерах) и слабыми (между тетрамерами) и очень слабыми водородными связями между собой и с растворенными газами (N2,02, С02, СО и др.), входящими в состав воздуха, с минеральными (соли магния, кальция и др.) и с органическими примесями (щелочными солями гуминовых кислот, извлекаемыми водой из торфа, бурого и каменного угля и др.).

3. Структура воды непостоянна, легко изменяется при хранении, при сильных и слабых физических (изменение температуры и давления, воздействие магнитного поля и звука, сильного перемешивания и др.) и химических воздействиях (добавление кислот, спиртов, кетонов, сложных эфиров, водорастворимых солей элементов и др.).

4. Структуру воды можно изменять различными способами. Особенно важно понимать:
все изменения структуры воды происходят в пределах от тетрамера Н804 до олигомеров [Н804]n и пространственного их объединения;
можно создавать и получать определенную структуру воды, приближающейся к тетрамеру Н804, как наиболее совершенному и постоянному;
в медицине считают, что вода с постоянной и низкомолекулярной структурой наиболее полезна, так как является основным компонентом среды любого живого организма, принимает участие в процессе транспортировки и образования жизненно важных веществ. Способна образовывать Н-связи, гидратировать структуры организма, в которых вода и ионы обмениваются и входят в клетки;
наиболее полезной является вода (nН804), получаемая при магнитной (омагниченная вода) и электрообработке (в том числе серебряная вода), при дегазации, кипячении с последующим быстрым охлаждением до 10 - 25°С, родниковая, при плавлении льда и снега (ледяная, талая вода), минеральная (подземная), из скважин и др.
надо помнить, что биологической активностью обладает свежее приготовленная или собранная вода, так как после нескольких часов хранения (2 -7 часов) она теряет свою активность и становится обычной водой вследствие поглощения воздуха и газов, укрупнения молекул (структурирования) и образования пространственных сеток.

5. Любое воздействие на воду способствует временной перестройке не только ее структуры, но и снижению или увеличению молекулярной массы структур. Известно, что время, наблюдаемое для различных перестроек (время релаксации) изменяется в широких пределах, от 10-10 - 1014 с для молекулярных жидкостей до 10-2 - 104 с для вязких жидкостей и кристаллов.

6. Уменьшение ассоциации воды позволяет получать ее с разными свойствами, например, с повышенной биологической активностью. Чем крупнее ассоциаты воды и, чем длительнее она хранится (стареет), тем менее она активна.

7. При нагревании обычной ассоциированной воды до кипения образуется пар, состоящий не из мономолекул воды, а в основном из тетрамеров и более крупных обломков ассоциатов. Мономолекулы воды Н20 образуются при температурах выше 200°С после длительного разрушения ассоциатов.

8. Воздух и другие газы, особенно С02, образуют слабые Н-связи с ассоциатами воды и участвуют в организации пространственных структур.

9. При замерзании воды получается лед с плотностью 905 - 917 кг/м3, который фактически представляет собой частично вспененное вещество за счет растворенных газов (Н. Маэно).

Начатое почти 180 лет назад изучение необычных, аномальных, непривычных свойств воды продолжает оставаться актуальным по сей день.

То, что этот аспект включен в научные хорошо финансируемые программы НАТО и РФФИ, позволяет с большой долей уверенности полагать, что перед научным миром и человечеством возникнет еще не одна проблема, связанная с водой, с ее структурой.
На сегодняшний день можно говорить о том, что структура воды в жидкой фазе микрогетерогенна. В ней существуют протяженные пространственно локализованные области, в которых ассоциированы посредством водородных связей молекулы, в основном – это устойчивые тетрамеры с первым уровнем Н-связей и ассоциаты в виде неопределенной смеси олигомеров.
А.Ф. Николаев