Николай Друзьяк - Как продлить быстротечную жизнь

В результате рентгенографического изучения структуры льда была установлена его тетраэдрическая структура: каждый атом кислорода связан водородными связями с четырьмя другими атомами кислорода. Эти четыре атома, соответствующие четырем молекулам воды, образуют как бы элементарные ячейки, из которых и выстраивается ажурная решетка кристаллического льда (рис. 7).

Такая картина (см. рис. 7) полного сохранения четверной координации (тетраэдрической структуры) наблюдается только при очень низких температурах (-183 °C), а при более высоких температурах (но отрицательных) наблюдается небольшое искажение ажурной конфигурации тетраэдрического типа тепловым движением некоторых молекул воды.

Одно из главных условий структуры льда – строгая направленность водородных связей, а отклонение от линейности приводит к резкому их ослаблению, равносильному разрыву.

Посмотрим, как происходит таяние льда. При температуре 0 °C жесткие связи между молекулами воды начинают разрываться (тепловое движение молекул воды преодолевает водородные связи), и кристаллическая структура льда, естественно, начинает разрушаться. Но водородные связи между молекулами воды все же остаются, хотя уже и неупорядоченные. Можно сказать так, что долговременных водородных связей между молекулами воды в жидкой фазе не существует, каждая из связей кратковременна, но в любой момент абсолютное большинство молекул воды связаны между собой водородными связями. Таким образом, при таянии льда в воду переходят те молекулы, у которых ослабли водородные связи, и они попросту отрываются от кристаллической решетки льда и приобретают подвижность. От структуры льда в этих молекулах не остается ровным счетом ничего. Но в то же время жидкая вода остается такой субстанцией, которая имеет структуру в виде подвижных водородных связей (с быстрой передислокацией этих связей от одной молекулы воды к другой). И эта структура присуща ей по причине особого устройства ее молекул. Но это обстоятельство не дает нам оснований манипулировать термином «структурированная вода», подразумевая под ним неким образом искусственно создаваемую структуру жидкой воды (ту же талую воду, получаемую при размораживании льда), так как в противном случае мы должны будем признать возможность существования неструктурированной жидкой воды, какой в природе просто нет. Неструктурированной вода может быть только в газообразном состоянии. Каждая молекула воды имеет водородные связи с четырьмя ближайшими своими соседями. Особенности этих связей в жидкой воде таковы, что они могут легче изогнуться, чем разорваться. Кроме того, эти связи создают некоторую ажурность в структуре жидкой воды, что не дает молекулам воды плотно упаковываться, наподобие бильярдных шаров. Но остается ли в жидкой воде хотя бы в какой-то мере льдоподобная структура? На этот вопрос можно уверенно ответить: нет, не остается.

На мой взгляд, неправомочно использование и самого термина «льдоподобная структура» в отношении жидкой воды. И в твердом, и в жидком состояниях воде свойственны водородные связи. Таких связей, повторюсь, нет только у свободной газообразной воды. Поэтому спектров, характерных для частот молекул без водородных связей, в жидкой воде до сих пор не обнаружено. Следовательно, имеет смысл говорить только о силе водородных связей в воде. Эти связи могут быть более или менее прочными. Даже льду для полного сохранения тетраэдрической структуры требуется очень низкая температура (до -183 °C). А в жидкой воде могут быть растворены еще и газы, и соли, и кислоты, которые оказывают существенное влияние на величину водородных связей в ней. На величину водородных связей оказывает влияние и температурный режим.

А теперь рассмотрим несколько примеров, связанных со льдом и с его кристаллической структурой.

Пример первый. О наступлении морозов мы узнаем не только по термометру или по прогнозу погоды, но и по замерзшим лужам. А более любопытные при этом еще и пытаются выяснить, как это на поверхности грязной лужи образуется такой прозрачный лед?

Пример второй. Эскимосы при приготовлении питьевой воды берут морской лед, прекрасно понимая, что получат из него пресную воду. Почему?

И третий пример. В Японии во время зимних праздников создают ледяные скульптуры. Они прозрачны, как и подобает быть льду. Все попытки японцев получить цветной лед не увенчались успехом, так как ввести в кристаллическую решетку льда вещества-красители практически невозможно. Кристаллы льда не допускают внутрь себя каких-либо других молекул, кроме молекул воды. Поэтому становится прозрачным и лед, образовывающийся на поверхности грязной лужи. Поэтому и лед, образующийся из морской воды, вытесняет из себя все минеральные соли, имеющиеся в ней. И естественно, что из такого льда получается пресная вода. В наше время на этом принципе строятся опреснители морской воды. Но когда-то даже Ломоносов ошибался, полагая, что пресные льды Ледовитого океана имеют речное происхождение.