Николай Друзьяк - Как продлить быстротечную жизнь

Приведенные примеры показывают нам, что льдоподобная структура воды прежде всего не допускает нахождения в кристаллах льда никаких иных молекул, кроме молекул воды. Хорошо это или плохо с точки зрения физиологической роли воды в нашем организме? Кому-то может показаться, что это очень хорошо, что вода в организме будет находиться в исключительно чистом состоянии. Но наш организм не является просто сосудом для хранения такой воды. Он больше похож на огромную химическую лабораторию, где одновременно протекают тысячи химических реакций, и протекают они в водных растворах. И одной из основных функций воды в нашем организме является функция растворителя. Она растворяет все полезные вещества пищи, чтобы организм мог обеспечить себя и строительными, и энергетическими материалами, она же растворяет и выводит из организма все ненужные ему вещества, которые мы обычно называем шлаками, чтобы содержать организм в чистоте. Так может ли с этой ролью первоклассного растворителя справиться льдоподобная вода, которая не допускает в свои структуры никакие другие вещества? Очевидно, что нет.

А теперь посмотрим, почему плавает лед? Очень часто на этот вопрос следует такой ответ: лед обладает структурой с многочисленными незаполненными промежутками между молекулами воды, а поэтому он легче жидкой воды. Частично это верно, но не убедительно. Ведь и молекулы жидкой воды не упакованы как бильярдные шары – в случае плотной упаковки ее молекул она должна иметь среднюю плотность, близкую к 1,84 г/см 3, но такая величина не соответствует действительности. Из этого можно сделать вывод, что и жидкая вода, так же как и лед, имеет некую структуру, не позволяющую ее молекулам плотно упаковываться. Но чем-то все же отличается расположение молекул воды в жидкой и твердой фазах, если мы видим, что лед легче воды. По-видимому, и для жидкой воды, как и для льда, характерна определенная координация молекул, создаваемая водородными связями. И если в кристалле льда все молекулы находятся в окружении четырех таких же молекул, образующих между собой жесткие водородные связи, то вокруг молекул воды в жидком состоянии группируются тоже четыре других ближайших молекулы воды, также соединенных водородными связями, но уже не строго направленными, а изгибающимися и непрерывно рвущимися и вновь восстанавливающимися. В этом и заключается главное отличие структуры льда от структуры жидкой воды. А это означает, что координационное число (число молекул, находящихся в непосредственной близости от рассматриваемой) для льда будет равно четырем. А если максимально плотно упаковать в ящик шары такого же размера, как и молекулы воды, то координационное число окажется равным двенадцати, то есть каждый шар будет соприкасаться с двенадцатью другими шарами.

Но каково координационное число для воды? Вода представляет собой жидкость, и поэтому у нее нет такой регулярной и упорядоченной структуры, как у кристаллов льда, и расположение всех ее молекул с течением времени постепенно меняется. Однако, основываясь на усредненных данных рентгеновских измерений, можно определить так называемую функцию радиального распределения. Эта функция показывает, что координационное число для жидкой воды равняется 4,4. Иными словами, в обычной воде каждая молекула окружена в среднем 4,4 другими молекулами. Это обстоятельство и играет решающую роль – в результате у воды структура оказывается более плотной, чем у льда. Поэтому, в сравнении с водой, кристаллическая структура льда, для которой координационное число равно четырем, и в самом деле имеет больше незаполненных промежутков, чем вода. Из-за этого лед и становится легче воды.

Только что мы выяснили, что и лед, и вода обладают структурой. Но если у льда наблюдается картина полного сохранения всех четырех водородных связей, то с повышением температуры тепловое движение молекул приводит к ослаблению и разрыву водородных связей, и структура льда разрушается – образуется жидкая вода, в которой молекулы тоже подвержены водородным связям, но не столь жестко, как в структуре льда. То есть изо льда в воду переходят те молекулы, тепловое движение которых превысило водородные связи, и они попросту отрываются от кристаллической решетки льда и приобретают подвижность. Все здесь предельно ясно: вода из одного фазового состояния (твердого) переходит в другое (жидкое), и граница этого перехода – 0 °C.

Но что же тогда нам следует понимать под термином, как пишет Ю. Андреев, «единообразно структурированной воды» ? А многие авторы так и вообще называют воду, образовавшуюся после таяния льда, «льдоподобной» .