03.04.2018
Вселенная прекрасна
Мы редко задумываемся о том, какая вода на самом деле странная. Она ведет себя не так как другие жидкости. Ученые сумели подойти к вопросу нешаблонно и, кажется, наконец разобрались, почему — все дело в необычном порядке молекул.
Одним из самых странных свойств воды является ее нестандартная плотность. Обычно жидкости становятся плотнее при охлаждении, но у воды максимум плотности приходится примерно на 4°C.
Ниже этой точки вода менее плотная, и когда она замерзает и превращается в лед при 0°C, лед в итоге обладает меньшей плотностью, чем вода. Именно поэтому лед не тонет, а вода замерзает сверху вниз.
Но это еще не все. У воды к тому же высокий коэффициент поверхностного натяжения — один из самых высоких показателей среди жидкости, выше только у ртути. Именно это натяжение позволяет разным насекомым, а в частности водяным паукам, бегать по поверхности.
Вдобавок к этому у воды крайне высокая температура кипения, и в ней растворяется просто невероятное количество химических соединений по сравнению с другими жидкостями.
Чтобы разобраться во всех этих необычных свойствах, ученым пришлось опуститься до молекулярного уровня. При комнатной температуре и в твердом состоянии у воды тетраэдральная структура молекул — каждая молекула связана с четырьмя другими в форме грубой пирамиды.
Водородные связи между молекулами воды (wiki)
Исследователи из Бристольского университета и Токийского университета использовали суперкомпьютер и компьютерное моделирование, чтобы внести изменения в эту пирамидальную природу молекул воды.
Произведя эти изменения, им удалось заставить воду вести себя как другие жидкости — к примеру, лед стал плотнее, чем жидкая вода, и поэтому в ней тонул.
По словам команды, это исправило все “странности” воды. Тем самым они доказали, что аномальные свойства воды напрямую связаны с ее необычной молекулярной структурой.
“С помощью этой процедуры мы обнаружили, что именно определенное расположение молекул воды заставляет воду вести себя нестандартно, это тетраэдральное расположение,” — объяснил ведущий автор статьи Джон Руссо.
“Четыре таких тетраэдральных структуры могут самоорганизоваться таким образом, что в центре будет общая на всех молекула воды, и они не будут накладываться друг на друга. Именно смесь этих крайне упорядоченных структур из водных молекул с другими беспорядочными структурами дает воде ее необычные свойства.”
Если бы вода была не такой, жизнь, какой мы ее знаем, не смогла бы существовать. Вода не так уж просто поддается сжатию, а значит ее можно толкать — к примеру, по венам, перенося наши с вами кровяные клетки.
А будучи отличным растворителем, она расщепляет питательные вещества в наших телах, так необходимые нам для функционирования организма. Даже низкая плотность льда помогает жизни — если бы озера замерзали снизу вверх, вся жизнь в них бы погибала.
И та же низкая плотность отвечает за то, что вода расширяется при замерзании — что помогло в формировании нашей планеты. Вода протекала в камни, замерзала, расширялась и разламывала их изнутри.
Вселенная ни раз нас очаровывала, и вода — это еще одно чудо.
Исследование было опубликовано в PNAS. Переведено для Funscience