Ученые подтверждают тетраэдральную молекулярную структуру воды

Ученые из Университета Йоганнеса Гутенберга (JGU) подтвердили оригинальную модель молекулярной структуры воды и сделали возможным решение давно существующей научной контрверсии структуры жидкой воды.

Тетраэдральная модель была впервые постулирована почти 100 лет тому назад, и она предполагала, что каждая молекула воды образует водородную связь с четырьмя соседними молекулами. Эта концепция была почти опровергнута в 2004 г., когда международная группа исследователей объявила, что она экспериментально установила, что молекулы воды образуют связи только с двумя другими молекулами. Однако проф. Томас Кюне (Thomas Kühne) продемонстрировал ошибочность теории «двойной связи» с помощью компьютерной симуляции, основанной на новом типе комбинации двух вычислительных методов, недавно разработанных его группой.

Некоторые очень специфические и уникальные свойства воды, такие как жидкое агрегированное состояние и высокая точка кипения, обусловлены эффектом водородных связей между молекулами воды. Н-связи формируются благодаря разным зарядам атомов кислорода и водорода, из которых состоит молекула воды, что приводит к биполярной структуре. Традиционная точка зрения заключалась в том, что вода имеет тетраэдральную структуру при комнатной температуре, так что в среднем каждая молекула воды связывалась бы с четырьмя соседними молекулами посредством двух донорских и двух акцепторных связей.

«В нашем теоретическом подходе усредненным по времени результатом, который мы наблюдали, была всегда квадрупольная связь», – сказал проф. Кюне. Благодаря выполненной новой симуляции стало возможным подтвердить старую модель и объяснить, почему в 2004 г. наблюдалась двойная связь. Согласно проф. Кюне, результат не указывал на двойную связь, а только на мгновенные асимметрические флуктуации.

Таким образом, в четырех Н-связях тетраэдральной модели имеется значительная асимметрия вследствие разной энергии контактов. Эта асимметрия является результатом временного разрушения сети водородных связей, которое принимает форму очень кратковременной флуктуации на шкалах 100-200 фемтосекунд. Эти флуктуации означают, что одна из двух донорских или акцепторных связей временно была более сильной, чем вторая. Но эти флуктуации в точности компенсировали друг друга, так что в среднем по времени тетраэдральная структура сохранялась.

Результаты 2004 г., использующие рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, были получены на молекулах воды с высокими уровнями мгновенной асимметрии. «Наше открытие имеет важные следствия, так как оно поможет примирить симметричную и асимметричную точки зрения на структуру воды», – отметили авторы в своей статье, опубликованной в Nature Communications.

Модель молекулы воды с симметричными четырьмя Н-связями (кислород – красный, водород – белый)

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365