Молекулы воды объединены в группы, которые «совсем не напоминают тетраэдры»

Есть детские вопросы, на которые очень трудно найти ответы. Почему животные не смеются? Какую структуру имеет вода?.. Поиски ответов со временем привели к пониманию того, что животные всё-таки смеются, причём довольно активно.

Вот так устроена вода — по крайней мере в каждые несколько сот квадрилионных секунды. Всё остальное время её молекулы сгруппированы как угодно, но только не в тетраэдры. (Здесь и ниже илл. Wikimedia Commons, Dreamstime.com.)

С тем же, в какие структуры объединены молекулы воды, всё оказалось сложнее. Нет, десятилетиями считалось, что они собраны в группы по четыре, образующие тетраэдр (помните форзац школьного учебника химии за энный класс?), что, видимо, так и есть, к примеру, для льда. В этой модели две водородные связи являются акцепторными (то есть молекула принимает электроны), а две — донорными. Эти четыре связи и образуют практически правильный тетраэдр.

Но в 2004 году, измеряя спектр поглощения рентгеновских лучей обычной жидкой воды, Андерс Нильсон из Стэнфордского университета (США) выяснил, что молекулы воды на самом деле вытянуты в структуры то в виде цепочек, то даже колец. Легко представить себе реакцию научной общественности: в работе тут же начали искать ошибки, а это при известном упорстве ведёт к нахождению грубейших ошибок даже там, где их нет вовсе. Собственно говоря, так и случилось. Частично первооткрыватели «линейно-кольцевой» воды даже признали свою неправоту.

И тут немецкие исследователи Томас Кюне (Thomas Kühne) и Рустам Халиуллин (Rustam Khaliullin) из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга установили, что коллеги зря винились. Вообще говоря, всё вышло случайно. «Изначально мы интересовались изменением электронной структуры в молекулах воды по мере их приближения к поверхности», — рассказывает Томас Кюне. Для этого была использована новейшая вычислительная модель ALMO EDA.

К удивлению учёных, по всем вычислениям получалось, что даже в толще воды, где внешние воздействия минимальны, многие молекулы не собирались в ожидаемые тетраэдры с четырьмя эквивалентными водородными связями. В действительности две из этих связей были очень сильны, а две другие — напротив, слабы, то есть имели асимметричный характер. Причём сами связи были одинаковы, однако их искажение оказалось разным, что и стало причиной их различной силы. Что хуже всего, асимметрия быстро менялась непредсказуемым образом, а время флуктуаций обычно составляло несколько сот фемтосекунд (квадриллионных секунды), после чего молекулы вновь на сверхкороткий срок возвращалась в тетраэдральную группу. Затем форма тут же непредсказуемо трансформировалась, и так далее, по кругу.

В общем, молекулы жидкой воды объединены в кажущийся тетраэдр, а на деле их группы имеют столь быстро меняющуюся форму, что даже не ясно, насколько это вообще можно назвать формой.

Так что считать ли молекулы жидкой воды сложенными в тетраэдр или нет, зависит в основном от контекста такого утверждения. «Мгновенное состояние среды отдельной молекулы воды не выглядит как тетраэдр вообще», — уверен г-н Кюне.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам Королевского химического общества.