Метатеория жидкой воды, или ответ Оппоненту. Ч. 8

Метатеория жидкой воды,
или ответ Оппоненту.

Часть 8. Равновесные структуры воды


В предыдущих главах показано, что аномалии воды объясняются наличием структур второго уровня. На основании опытных данных и логических рассуждений были определены элементы таких структур в виде микросфер, образованных «холодными» молекулами, и выдерживающих внутреннее избыточное давление 30-90 атм. Микросферы заполнены «среднетемпературными» молекулами, и погружены в паровую подушку из «горячих» молекул. Причём элементы этих структур количественно и качественно непрерывно меняются в зависимости от средней температуры и внешнего давления.

Всё это выглядит убедительно. Но вполне резонно возникает вопрос: «А каков механизм «строительства» таких сложных, нелокальных структур?»  Если в отношении жидкостей, ограниченных структурами первого уровня, таких вопросов не возникает, поскольку там действует простой принцип, описываемый словами известной песенки: «я его слепила из того, что было», то для структур второго уровня такой номер не проходит.
Для того, чтобы «слепить» структуры второго уровня, необходимо, во-первых, осуществить сепарацию молекул по температуре, а, во-вторых, переместить их в соответствующие точки «лепки». Не многовато ли условий?

Очевидно, что структуры второго уровня не могут выстраиваться непосредственно из одиночных молекул. Для процесса активной реструктуризации воды нет ни времени, ни «диспетчера», который бы определял место каждой молекуле. Следовательно, между одиночными молекулами и структурами второго уровня в воде обязательно должны существовать промежуточные равновесные структуры, состоящие из групп молекул, называемых кластерами. Такие кластеры являются базовыми пазлами, из которых и выстраиваются нелокальные структуры.

То есть и в жидком, и в газообразном состоянии вода состоит не из отдельных молекул, а из набора подобных кластеров. Для подтверждения этого высказывания взгляните на рис. 1, на котором приведена фотография кипящего чайника.
Обратите внимание, что из носика чайника выходит прозрачный пар. А это значит, что это сухой пар, то есть вода в газообразном состоянии, не содержащем капель жидкости. Но следом, буквально в нескольких сантиметров от носика чайника пар становится непрозрачным. А это значит, что на этом небольшом отрезке пространства и времени молекулы пара образовали капли воды.
Очевидно, что без предварительно подготовленных пазлов - кластеров, организовать такие сложные структуры было бы невозможно.

Но наличие кластеров ещё недостаточное условие. Необходимо, чтобы образующиеся структуры сохраняли способность к объединению между собой не только за счёт непосредственного контакта друг с другом, но и за счёт дальнодействия при помощи электрических полей. То есть такие структуры должны обладать дипольным моментом.
И в этом отношении интерес представляют результаты исследований физиков из университета в Южной Калифорнии, которые экспериментально доказали, что кластеры, образованные 3…18 молекулами воды реально существуют и обладают большими дипольными моментами.

Интересен эксперимент, позволивший прийти к такому выводу. Герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру, находившейся под воздействием электрического поля, и из сосуда через очень узкое отверстие вода испарялась наружу, в вакуум. Отверстие имело форму миниатюрного сопла, и, выходя через него, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Такая схема испарения исключала нагрев и позволяла получать пар, состоящий не только из отдельных молекул воды, но и из разнообразных водных кластеров. Струйка пара проходила через камеру метровой длины и под воздействием электрического поля отклонялась от прямолинейного движения. Затем она попадала в масс-спектрограф, который расщеплял ее на несколько отдельных пучков в соответствии с количеством молекул в кластере. По отклонению в электрическом поле измерялся дипольный момент кластеров.
Таким образом установлено, что кластеры воды существуют, чувствуют друг друга не только через непосредственный контакт, но и через электрическое взаимодействие диполей.

А для нас это означает, что даже в газообразном состоянии происходит сепарация молекул по температуре с образованием кластеров из групп молекул. То есть водяной пар – это не только набор одиночных молекул, но и достаточно устойчивых групп молекул, способные к дальнейшему объединению!

Но остаётся вопрос: «Как происходит сепарация молекул по температуре?»


В МОЛЕКУЛЕ ВОДЫ удивительным образом УЖИВАЮТСЯ ДВА АНТАГОНИСИЧЕСКИХ СВОЙСТВА.

С одной стороны, молекула воды является электрически полярной. Причём, её дипольный момент имеет одно из самых больших значений среди химических веществ, и, следовательно, группы молекул, собранные из них, должны быть достаточно устойчивыми образованиями, подобно кластерам металлических расплавов.

Но, с другой стороны, молекула воды имеет самое низкое значение молекулярной массы среди аналогичных водородных соединений. А это значит, что при равных температурах среди них она должна обладать наиболее высокой кинетической энергией и, как следствие, межмолекулярной подвижностью.

Напомним, что если бы не высокое значение дипольного момента воды, то в своём гомологическом ряду она должна была бы закипать при температуре –80 градусов, а замерзать при температуре –100 градусов Цельсия.

Спрашивается, а как же уживаются и проявляются эти антагонистические свойства в одном веществе? И вот здесь то собака и зарыта.

Если надмолекулярные структуры абсолютного большинства химических веществ зависят от СРЕДНИХ параметров состояния: давление, температура и т.п., то надмолекулярное структурирование воды осуществляется на уровне ФАКТИЧЕСКИХ значений параметров молекул. Что это значит?
Скорости движения и кинетические энергии конкретных молекул любого вещества всегда имеют разброс относительно среднего значения, подчиняясь некоторому закону распределения. Поэтому в диапазоне разброса скоростей и энергий всегда найдутся «холодные» молекулы, для которых определяющим в их поведении будет влияние дипольного момента, и всегда найдутся «горячие молекулы», для которых дипольный момент – это пустой звук. Ну и, конечно же, всегда будут присутствовать «среднетемпературные» молекулы с широким спектром значений скоростей и энергий, которые будут образовывать с подобными себе молекулами временные, динамические структуры. Другими словами говоря, антагонистические свойства молекул воды естественным образом приводят к возникновению механизма отбора молекул по скоростям с образованием соответствующих их сочетанию кластеров.

На рис.2 изображены равновесные структуры воды, то есть структуры, обладающие минимумом внутренней энергии, и способные к достаточно длительному существованию при отсутствии внешних воздействий. Конфигурация этих структур будет зависеть от количества молекул и их температуры.

Первой, и наиболее устойчивой структурой является одиночная молекула воды (рис. 2.1). Очевидно, что их существование определяется исключительно их кинетической энергией. Эта энергия должна быть больше энергии водородной связи. То есть эта группа представлена «горячими» молекулами, которые в условиях жидкой воды образуют паровую подушку.

На другом температурном полюсе находятся структуры, у которых кинетическая энергия много меньше энергии водородной связи. Такие структуры массово мы находим в замерзшей воде – это гексагон.

На рис. 2.2 изображен гексагон – правильный шестиугольник, или «сота». Подобная сота геометрически легко собирается из шести «холодных» молекул воды.
Напомним, что у молекулы воды четыре точки сборки, то есть точки, в которых поляризационные заряды, а соответственно и связанные с ними кулоновские силы максимальны: два положительных заряда на молекулах водорода и два положительных – на атоме кислорода. И расположены они почти перпендикулярно друг к другу.
Так вот угол в правильном шестиугольнике равен 120 градусов, а у молекул воды, он порядка 105 градусов. Поэтому при организации соты, угол молекулы воды надо повернуть над плоскостью соты на угол 42 градуса, и тогда его проекция будет равна ровно 120 градусам. Получится пространственная сота в форме царской короны.
И действительно, при низких температурах устойчивой равновесной структурой воды является сота, в которой сцепление молекул осуществляется при помощи водородных связей (рис. 2.3), возникающих между положительным поляризационным зарядом водорода и отрицательным поляризационным зарядом кислорода. Этот решение Природы подтверждается исследованиями кристаллов льда. Их структура представляет собой конструкцию в виде пчелиных сот, рис 2.4.
Но даже без серьёзных научных исследований, наблюдая только снежинку, (рис. 2.5), — это чудо Природы, несложно понять, что её шестиугольная форма отражает гексагональную симметрию кристаллической решетки льда.

Напомним, что американские учёные Дж. Морган и Б. Е. Уоррен считали, что структура воды может быть лучше всего охарактеризована, как «сломанная структура льда». Эти представления в полной мере отражает рис. 2.6. А число молекул, в соответствие с исследованиями физиков из университета в Южной Калифорнии, может колебаться от 3 (более горячие молекулы) до 18 (более холодные молекулы). В данном случае температура определяется их массой. Или скорее наоборот: их масса определяется температурой.

Причём, такие кластеры будут иметь линейную структуру, поскольку высокая кинетическая энергия и соответствующая им подвижность молекул не позволит им замкнуть кластер в форме гексагона.
Линейные кластеры являются основной формой надмолекулярных структур жидкой воды (до 95%), «упакованные» и «зажатые» в микросферах. Их плотная упаковка возможна, если они размещаются друг относительно друга так, как это показано на рис. 2.6. Приведенная схема взаимного расположения кластеров обладает не только максимально возможной плотностью упаковки, более высокой, чем у льда (рис.2.2), но и минимальными силами отталкивания. То есть если попытаться сблизить два линейных кластера друг к другу, то они автоматически примут такое положение, как это показано на рисунке. Это обстоятельство и позволяет малыми силами сжатия организовать столь устойчивые структуры.


 
Ну и, наконец, венец творения Природы – Гексасфера (рис.2.7). Она выполнена из «сот», обладает полной группой симметрий, и, вследствие этого является равновесной структурой с минимумом внутренней энергии. Количество сот зависит от радиуса сферы. Она легко может увеличивать свои размеры от нанометров микросфер до макроскопических размеров водяных пузырей. Благо в воде строительного материала предостаточно.

Несколько лет назад ученым из Института Науки и Технологий Австрии впервые удалось построить регулярное разбиение сферы на шестиугольники. В ходе исследований использовались последние достижения алгебраической геометрии и топологии. Как утверждают авторы, для решения задачи им потребовались месяцы компьютерных вычислений. А Природа это делает мгновенно!

http://proza.ru/2025/02/28/1635