 Вода - простая и необыкновенная
Хотя вода имеет простую химическую формулу, она обладает аномальными свойствами. Это связано с тем, что молекулы воды связаны между собой водородными связями. Вопреки представлениям, существовавшим еще несколько десятков лет назад, вода в жидком состоянии представляет не хаотичную смесь отдельных молекул, но достаточно сложную и изменяющуюся структуру кластеров воды. Каждый отдельный элемент этой структуры существует недолго, но именно кластеры определяют структуру воды, и ее необычные свойства.
Кластеры воды и полярность
Кластеры воды (H20)n, их свойства и динамика в данный момент активно изучается. В отличии от кластеров металла, которые имеют стабильную структуру, кластеры воды, имеющие в составе от нескольких до нескольких десятков молекул, остаются жидкими даже при низких температурах - они могут менять форму, переходя из одной формы в другую.
Электрические свойства кластеров воды
Эти особенности кластеров воды определяют их электрические свойства. Со средины двадцатого столетия известно, что молекула воды полярна. Молекула воды представляет собой диполь, и поэтому вокруг нее возникает электрическое поле. Если же взять большое количество молекул, например, кружку воды, то заряд молекул уравновесит друг друга, и общее электрическое поле исчезнет. Но сколько молекул воды нужно для такого равновесия? И полярны ли кластеры воды?
|
|
Полярны ли кластеры воды?
До недавнего времени это было достоверно неизвестно, а данные экспериментов последних двадцати лет были противоречивыми. Трудность в экспериментах состояла в том, что кластеры изучались в толще воды, а выделить отдельные кластеры и подробно изучить их не представлялось возможным.
Все показал эксперимент
Эксперименты, проведенные осенью 2006 года в Университете Южной Калифорнии, пролили свет на этот вопрос. Результаты экспериментов были опубликованы в статье .... Было доказано, что водные кластеры размером от 3 до 18 молекул, обладают выраженным диполным моментом.
Эксперимент, которым была доказана полярность кластеров воды, впечатляет. В ваккумную камеру помещался герметичный сосуд с водой, из которого вода испарялась в ваккум через специальное отверстие, имевшее форму реактивного сопла. Струйка пара, выходившая из него, разгонялась до сверхзвуковой скорости. Таким образом, благодаря холодному испарению воды, в паре сохранялись различные водные кластеры. Пройдя через камеру длиной в метр, струйка пара отклонялась под воздействием неоднородного электрического поля, и попадала в масс-спектограф. Масс-спекттограф расщеплял струю пара на несколько отдельных пучков, в зависимости от размера водных кластеров. По тому, насколько отклонялась струйка пара в электрическом поле, был измерен дипольный момент кластеров.
|
Кластеры воды полярны!
Дипольный момент кластеров был измерен, и и это уже во многом проясняет структурную организацию воды. Как было сказано выше, когда кластеры воды находятся в большом количестве вместе, становится сложным достоверно измерить их электрическое взаимодействие. Но не только эти удивительные свойства структуры воды показал эксперимент физиков из Калифорнии...
Неожиданные свойства полярных кластеров воды
Данные эксперимента говорят о том, что кластеры, содержащие более восьми молекул воды, более упорядочены чем меньшие. Это неожиданный результат. Но пожалуй, самый большой интерес представляет следующее: данный опыт был проведен при температуре водных кластеров в -70 и -150 градусов Цельсия. Расчеты показывали, что при столь низких температурах, кластеры воды должны замерзнуть, что изменило бы их электрические характеристики. Но этого не призошло, а значит, кластеры воды остаются жидкими даже при очень низких температурах.
Выводы
Из всего вышесказанного, можно следать вывод, что такая простая на первый взгляд вода, обладает уникальными свойствами. Для их более детального изучения необходимы новые эксперименты, а нам стоит задуматься, какую воду мы пьем, и какой должна быть вода для того, чтобы полностью удовлетворить потребность нашего организма.
|
