Что мы знаем и чего не знаем о воде (А.В. Якунов)

ÔÈÇÈÊÀ
( Продолжение.
Начало в № 2 2015)
То, что вода – необычное
вещество, не поддающееся простому описанию, учёные поняли
давно. Ещё в 1891 г. знаменитый
физик Вильгельм Конрад
Рентген (1845-1923), проанализировав известные к тому времени экспериментальные факты, предложил модель, в которой вода представляет собой
смесь двух жидкостей, имеющих
различную плотность.
Одно их первых теоретических
исследований
структуры воды связано с
именами Джона Десмонда
Бернала (1901-1971) и
Ральфа Говарда Фаулера
(1889-1944).
Они, на основе рентгеноструктурных исследований строения льда и жидкой
воды, пришли к выводу о
тетраэдрическом расположении молекул воды в пространстве. Это положение
послужило основой для построения многочисленных
моделей и теорий строения
воды: на сегодняшний день
их насчитывается несколько десятков.
В частности, кластерная
модель предполагает существование в воде двух фаз: рыхлой
льдоподобной и плотной аморфной (рис.1). Льдоподобная
фаза сохраняет каркас кристаллической решётки льда с его
тетраэдрическим расположением молекул и свободными
полостями внутри тетраэдров.
В аморфной фазе молекулы
расположены хаотично, пустот
нет, эта фаза более плотная, чем
льдоподобная. При повышении
температуры доля льдоподобной
фазы сокращается, а аморфной
возрастает, и при аморфная фаза
становится преобладающей.
В рамках клатратной модели рассматривается заполнение полостей льдоподобной фазы отдельными молекулами из
аморфной фазы. По мере повы-
Рис. 1. Кластерная модель воды
шения температуры всё большее
число молекул занимает полости льдоподобного каркаса.
Континуальная модель постулирует в воде наличие непрерывной сетки водородных связей, причём часть из них замкнута, а часть разорвана.
Лучшим аргументом в пользу
той или иной теоретической модели, является, очевидно, резуль-
ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ЧЕГО НЕ ЗНАЕМ О ВОДЕ
тат эксперимента. В настоящее
время структуру воды исследуют
различными методами, например, с помощью рассеяния рентгеновского излучения, электронов или нейтронов. Также широко используют методы диэлектрической, спин-резонансной и
колебательной спектроскопии.
Каждому из этих методов отвечает определённое характерное время взаимодействия с исследуемым веществом. Другими
словами, молекулярную структуру воды можно изучать в
разных временных масштабах. Получаемые результаты
будут описывать тот или
иной тип структуры (см.
«Страна знаний» №2 2015).
Так, с помощью анализа
углового распределения интенсивности рассеянного
рентгеновского излучения
можно изучить моментальную структуру, отражающую ближайшее окружение
молекулы воды.
Для описания взаимного расположения молекул
вводят функцию радиального распределения W(r). Эта
функция пропорциональна
вероятности нахождения какойлибо молекулы на расстоянии r
от исходной молекулы (рис. 2) и
позволяет, хотя и не всегда однозначно, определить среднее расстояние между соседними молекулами и число ближайших соседей.
Именно изучение функции
радиального распределения показывает, что молекулы воды
8
рошее, а вода в этом смысле,
образуют группы, имеювообще, выделяется особо.
щие тетраэдрическую симЭто при том что, на первый
метрию, подобную струквзгляд, спектр КРС воды
туре льда.
весьма прост и довольно
Вода часто преподнолегко регистрируется при
сит сюрпризы учёным даже
наличии соответствующей
в тех экспериментальных
аппаратуры.
исследованиях, где, казаТеоретические расчёты
лось бы, всё давно точно
показывают, что изолироизмерено и многократно
ванная молекула воды может
проверено.
осуществлять различные коНесколько лет назад
лебательные движения, в том
группа японских физиков
числе два типа валентных
обнаружила необычное
колебаний (рис. 3) с частотаявление (Japanese Journal
ми ~
n = 3656,65 cm-1 (симметof Applied Physics, v.46, №1,
2007). В воде, просторичные) и ~
n2= 375579 cm-1
явшей в герметично за(антисимметричные) сооткрытом стеклянном сосуветственно.
де на солнце в течение 30
Напомним, что в колеРис. 2. Функция радиального
минут, заметно изменяетбательной
спектроскопии
распределения для жидкости
ся функция радиального
частоты колебаний для
распределения, что свидетель- можно привести эксперименты удобства отсчитывают в обратствует о перестройке структуры по комбинационному рассеянию ных сантиметрах: ~n=n/с, где n –
света (КРС). Этому направлению частота колебаний в герцах,
воды.
После трёх часов пребыва- посвящены тысячи научных ста- с– скорость света.
ния в темноте структура возвра- тей, но до полного понимания
Эксперименты с разреженспектров КРС воды ещё далеко.
щается к первоначальной.
ным водяным паром показывают
КРС принадлежит к методам наличие в колебательных спекОдин из исследователей в
переписке с автором настоящей колебательной спектроскопии. трах соответствующих узких
статьи честно признался, что Если прозрачное вещество осве- спектральных линий.
они не имеют научного объ- тить лазерным пучком с частоВ жидком состоянии сильяснения удивительному фено- той световой волны n0, то в рас- ное межмолекулярное взаимомену. А если выражаться в тер- сеянном свете обнаружатся действие приводит к тому, что
минах «альтернативной науки», спектральные линии с комбини- частоты колебаний понижаютто получается, что вода, точно рованными частотами n0 ± n1, и ся, а контуры линий – расшигубка, «впитывает» в себя сол- n0 ± n2, n0 ± n3... где n1,n2,n3... – ча- ряются. В спектре КРС жидкой
нечную энергию и хранит её стоты собственных колебаний воды регистрируется одна
некоторое время.
интенсивная полоса (рис. 4),
молекул исследуемого вещества.
В отличие от некоторых
Для кристаллов метод КРС которая, в первом приближесвоих соотечественников (см. почти идеально согласуется с нии, представляет собой сумму
«Страна знаний» №2), японские теоретическими расчётами. Для двух контуров, соответствуюучёные, являясь настоящими про- жидкостей согласие не столь хо- щих симметричным и асимметфессионалами, не старичным колебаниям.
ли сопровождать свои
Отметим, что непубликации никакиупругое, т.е. с измененими сенсационными
ем частоты, рассеяние
комментариями. Прасвета в воде можно наво интерпретировать
блюдать с помощью
результаты своих эксфиолетовой лазерной
периментов они преуказки, сфокусировав
доставили научной
её луч внутрь запаобщественности.
янной аптечной ампуВ качестве ещё
лы с водой для инъекРис. 3. Два типа валентных колебаний молекулы
одного примера «неций. Если при этом наводы (симметричные) и (антисимметричные),
соответственно.
уступчивости» воды
ходиться в темной ком-
ÑÒÐÀÍÀ
ÇÍÀÍÈÉ
№ 4 2015
9
нате, то внутри ампулы будет
заметна голубовато-зеленая дорожка рассеянного света. Цвет
свечения как раз и определяется комбинированными частотами и n0 - n1 и n0- n2.
По величине смещения
частот относительно теоретически рассчитанных и расширению спектральных контуров
можно судить о влиянии соседних молекул и, в результате, построить модель, описывающую
ближний порядок.
Однако при более тщательном измерении формы
спектральной
полосы
выясняется, что она представляет
собой сумму более чем двух
компонентов.
Вполне оправданным можно считать разложение на три
контура: третий соответствует
колебаниям иного типа, так называемым, деформационным,
присутствие которых на данном участке спектра обусловлено тонкими процессами в конденсированной среде.
Рис. 4. Спектральная полоса
валентных колебаний и ее
разложение на две компоненты
Впрочем, уже здесь у исследователей возникают разногласия, как по интерпретации природы третьего компонента, так
и по их общему количеству. И
действительно: разложение на
четыре или даже пять контуров
даёт формально более чистую
картину спектра. Компьютерные программы легко справляются с этой операцией.
Учёные с нескрываемым
удивлением убеждаются: чем качественнее аппаратура, чем мощ-
нее источники и чувствительнее приёмники оптического излучения (одним словом, чем
точнее выполняются измерения), тем больше спектральных
составляющих воды требуется
привлекать к описанию «неуступчивой» валентной полосы.
В настоящее время некоторыми авторами преодолена
отметка 10, и это далеко не
предел. Но, по мере увеличения
этого числа, прояснить физическую природу составляющих
воды становится всё более затруднительно.
Вода как бы дразнит исследователя, маня за собой в дремучие чащи, где нетрудно и заблудиться.
(Продолжение следует)
А.В. Якунов,
кандидат
физико-математических наук,
кафедра оптики
физического факультета
Киевского национального
университета
имени Тараса Шевченко
yakunov@univ.kiev.ua
ЗАДАЧИ ДЛЯ СООБРАЗИТЕЛЬНЫХ
По словам Карла Фридриха Гаусса, которого называют королём математиков, умение логически мыслить – важное качество,
позволяющее нам эффективно общаться и
понимать друг друга, выстраивать правильный и закономерный ход рассуждений. И это
умение можно и нужно развивать, причём с
самого детства. Отличные помощники в этом
– логические задачи.
Наибольшая их прелесть состоит в том, что
для решения можно ограничиться стартовыми арифметическими навыками. Предлагаем
вам решить такие задачи:
4.1. У двух братьев было стадо баранов. Они
продали его и за каждого барана получили
столько рублей, сколько голов было в стаде.
Выручку стали делить пополам. Старшему
брату – десятку, младшему – десятку, и так несколько раз. Потом старший брат взял свою десятку, а младшему несколько рублей не хватило.
Тогда старший вынул из кармана нож и отдал его брату в компенсацию за недостающую
сумму. Сколько же стоит нож?
4.2. Составьте одно слово из приведённого
набора букв:
Л О С О Н Д О О В.
4.3. В ящике лежат 20 чёрных носков и 20
белых. Какое минимальное количество носков надо достать из ящика, не глядя, чтобы гарантированно получить пару носков одного
цвета?
Варианты: А) 2, Б) 3, В) 4, Г) 20, Д) 21.
4.4. В 1970 г. человеку было 30 лет, а в
1975 г. было 25 лет. Как это возможно?
4.5. У дороги стоят два автоинспектора.
Один смотрит вверх по дороге, чтобы видеть,
не приближается ли машина с севера, а другой – вниз по дороге, чтобы видеть, не приближается ли машина с юга.
Вдруг один спрашивает другого: «Чему ты
улыбаешься?».
Как он мог узнать, что другой инспектор
улыбается?
ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ЧЕГО НЕ ЗНАЕМ О ВОДЕ