Oamenii de știință de la Universitatea din Tokyo au studiat în detaliu structura apei ca lichid și au constatat că proprietățile sale depind de raportul dintre stările de două faze.
Toată lumea știe că proprietățile apei sunt diferite de cele mai multe lichide: se extinde atunci când îngheță (prin urmare gheața este mai ușoară), când se contractă, vâscozitatea sa scade și așa mai departe. Aceste proprietăți aparent anormale ne sunt explicate în școală prin prezența legăturilor de hidrogen între molecule. Cu toate acestea, detaliile sunt încă slab înțelese, deși subiectul este extrem de important atât pentru chimie, cât și pentru fizică. Proprietățile specifice apei sunt, de asemenea, utilizate în medicină și discipline tehnice.
Institutul de Științe Industriale al Universității din Tokyo a reușit să avanseze în înțelegerea fenomenului structurii apei.
Apa în stare lichidă formează structuri tetraedrice de natură locală, care se formează cu ajutorul legăturilor de hidrogen - acest lucru se știe de mult timp. Oamenii de știință japonezi au stabilit că apa nu este doar „apă dezordonată” în care plutesc „particule” de „apă tetraedrică”: sistemul are o diagramă de stare similară fazelor solide.
A fost dezvoltat un model care consideră apa lichidă ca un sistem format din două faze. Prima este o stare dezordonată cu simetrie de rotație ridicată. Pur și simplu, aceasta este absența oricărui model definit în „direcțiile” moleculelor dintr-un lichid. A doua fază nu este doar ordonată tetraedric, ci și termodinamic într-o stare de neechilibru. Interacțiunea acestor stări este descrisă de parametrul lambda (λ), al cărui sens fizic este o evaluare a puterii relative a interacțiunilor intermoleculare de natură pereche și triplă. Adică, obișnuitul, între două molecule libere și între moleculele care alcătuiesc o structură tetraedrică. În consecință, o creștere a parametrului λ indică o creștere a ordonării sistemului.
Acest model arată simplu, dar prezice bine comportamentul anormal al apei ca lichid.
Unul dintre liderii studiului, John Russo, explică: „… Pe măsură ce λ crește, cojile tetraedrice care se formează în jurul fiecărei molecule devin din punct de vedere energetic mai stabile”. Aceasta compensează consumul de energie pentru ordonarea structurii în ansamblu. Oamenii de știință, schimbând λ, au modelat diagrame de fază, a căror structură poate fi destul de neașteptată. Deci, figura din stânga arată structura apei de tip Si34 - se formează sub presiune negativă. Mai mult, structura sa este clatrată, adică este, de fapt, un compus de incluziune: unele dintre moleculele de apă se află în cavitățile structurii formate de celelalte molecule ale sale.
Imagine a structurii apei în starea de fază Si34 (stânga) și diagrama de fază în coordonatele λ / presiune (dreapta) / Institutul de Științe Industriale, Universitatea din Tokyo.
Video promotional:
Dependența dezvăluită nu este liniară, efectul maxim asupra proprietăților apei apare la λ = 23,15.
Hajime Tanaka, unul dintre liderii proiectului, a remarcat rolul important al cercetării în chimia fizică.
Relația parametrilor macroscopici, cum ar fi vâscozitatea cu structurile microscopice, produse utilizând un model relativ simplu, este într-adevăr o realizare importantă. Din punct de vedere practic, înțelegerea structurii apei ar trebui să ajute la dezvoltarea unor filtre fine eficiente.
Anton Bugaychuk
