Niezwykłe właściwości zwykłej wody

STRUKTURA MOLEKULARNA WODY

Podstawową przyczyną wszystkich
wyróżniających się właściwości wody
jest obecność wiązań (mostków) wodorowych
pomiędzy cząsteczkami
wody. Dzięki tym wiązaniom pojedyncze
cząsteczki łączą się w asocjaty, te
z kolei tworzą jeszcze bardziej złożone
struktury (klatraty), które stawiają
opór jakimkolwiek zewnętrznym oddziaływaniom: cieplnym, mechanicznym
i elektrycznym. Obecność tych
wiązań jest niezbędnym, aczkolwiek
nie wystarczającym warunkiem niezwykłych właściwości wody. Mostki
wodorowe mogą również tworzyć cząsteczki innych związków wodoru:
amoniaku (NH3) lub kwasu fluorowodorowego
(HF). Jednak one nie wykazuj
ą takich anormalnych właściwości
jak woda.

Druga tajemnica wody tkwi w
kształcie jej cząsteczki. Umownie
można ją przedstawić w postaci czworościanu foremnego, w środku którego
znajduje się atom tlenu, w dwóch
wierzchołkach – atomy wodoru, a do
dwóch innych wierzchołków sięgają
orbity elektronów atomu tlenu. Mimo
prawidłowości kształtu domniemanego
przez nas czworościanu (rys. 3),
cząsteczka wody jest pod każdym
względem niesymetryczna. Atomy
wodoru tworzą na jednym z jej końców ładunek dodatni, natomiast elektrony
atomu tlenu na innym końcu – ładunek ujemny. Dzięki temu cząsteczka wody jest dipolem elektrycznym,
posiadającym istotny moment
dipolowy o wartości 1,87 D (1 Debaj
równa się 8 x 10-30 Kulon na metr).
Dwie cząsteczki wody mogą połączyć
się w tzw. dimer (rys. 3b), którego
moment dipolowy w określonych warunkach
może wzrosnąć do 10 D.
Wspomniane warunki powstają w pobliżu granicy podziału faz ciecz- ciało
stałe (czyli woda-lód) i w błonach komórkowych istot żywych. Z tego wynika,
że woda związana, tzn. woda zawarta
wewnątrz tkanek, jest już zupełnie inną wodą w porównaniu z tą, która znajduje się przed nami w szklance.
Przy zamarzaniu trójścienne ostrosłupy
cząsteczek wody łączą się w swoistą przestrzenną superstrukturę, która obejmuje całą objętość. Tworzą się
wielokąty z liczbą ścian zawsze równą
sześciu. Strukturę lodu nazywa się równie
ż heksagonalną, dlatego prawidłowo
narysowany płatek śniegu zawsze
musi być sześciokątny!
Pozwolimy sobie pominąć w tym
artykule dość skomplikowaną analizę
gęstości upakowania kryształu lodu i
obliczenia ilości możliwych najbliższych sąsiadów każdej cząsteczki. Te
informacje zamieszczone są w literaturze
specjalistycznej [5,6,12]. Zaczerpniemy
stamtąd najważniejsze: lód
nie jest ściśle upakowanym kryształem; jego struktura jest bardzo pulchna,
niespójna, występuje w niej sporo
pustych miejsc, częściowo wypełnionych
cząsteczkami wody. Dlatego lód
jest lżejszy od wody. Co więcej, wspomniane
cząsteczki wody wędrują po
sieci krystalicznej. W tym przypadku
specjaliści mówią, że w stałej fazie jest
obecna faza ciekła, podobnie jak w
stopniałej wodzie częściowo zachowują się resztki struktury krystalicznej
lodu i dzięki temu woda „pamięta”
swoje pochodzenie.
Współczesne spektroskopowe
metody badań, np. rezonans jądrowy,
magnetyczny, rentgenowski i inne, pozwoliły naukowcom ustalić, że woda – podobnie jak lód – jest substancją
strukturalną, przy czym istnieje nie
jedna, lecz kilka struktur wody i kilka
mechanizmów sieciowania.
Pojęcie „struktura cieczy” brzmi
obco. Obecnie nauce znanych jest 11
strukturalnych odmian lodu, różniących się typem sieci krystalicznej i
odpowiednio właściwościami fizykochemicznymi.
Większość z nich istnieje
przy wysokich ciśnieniach i niskich
temperaturach. Woda w temperaturowym
zakresie swego istnienia w
fazie ciekłej doznaje jeszcze większej
ilości przemian mikrofazowych. Więc
ile jest typów wody? Ścisłej odpowiedzi
na to pytanie jak na razie nie ma.
Dużo. Badania w tym kierunku trwają,
każdy dzień dostarcza nam nowych niespodzianek.