Морские информационно-управляющие системы Май 2015, № 7 | Seite 80
Экспериментальная кривая интенсивности для жидкой
воды является сложной функцией, и разбиение ее на составляющие – при s≤2,5Å-1 и при s>2,5Å-1– представляет
задачу, которая пока удовлетворительно не решена.
Структурные
исследования
нанокристаллических
веществ дифракционными методами показывают, что
в дифракционной картине первое, самое сильное по интенсивности, отражение несет информацию о расстоянии между ближайшими молекулярными образованиями
(s≤2,5Å-1), а площадь указанного пика – за число рассеивающих центров, окружающих образование, выбранное
центральным. Следующие дифракционные пики, затухающие по интенсивности, ответственны за пространственное
расположение молекул воды в упомянутом молекулярном
образовании (s≥2,5Å-1). Как видно из рисунка 9, внутримолекулярная составляющая экспериментальной дифракции
(кривая 2) хорошо описывается интерференционной частью дифракционной картины молекулярного образования, состоящего из четырех расположенных по тетраэдру
молекул воды с расстояниями 2,9Å между атомами кислорода. Заметим, что если бы молекулярный кластер представлял собой тетраэдр гексагонального льда, состоящий
из пяти молекул воды, отражения внутримолекулярной
дифракции на больших углах рассеяния рассчитанной дифракционной картины должны были бы иметь сложный характер и отличаться от экспериментальных.
Основанием для представления молекулярного образования воды тетраэдром с ребрами 2,9Å служили известные
представления о химической водородной связи H‑O: H
[18]. При переходе льда в состояние жидкой воды меньшая
часть таких химических связей разрушается, но большая –
искажается. Искажение основано на свойствах водородных
связей, их способности как образовывать «вилочковые» водородные связи, так и искажаться.
Химическая связь образуется двумя зарядами: один
78
Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 1 (7)
от донора H, другой – от акцептора O. Линейность связи,
например в случае O1‑H: O2, нарушается как по линии от одной молекулы воды O1 к другой O2 до 20–30°, так и в случае
связи H1‑O: H2 от одной молекулы до другой до 90°. Заметим, что присутствие H между O не влияет на длину связей между O, связанными водородными связями, то есть
r (O‑H: O) = r (O‑O), поскольку известно, что водородные ядра
не влияют на величины теплоты и температур кипения
в случаях H2O и D2O, которые близки.
В работах [16,17] было показано, что экспериментальная
дифракционная картина для воды удовлетворительно совпадает с те оретической, если молекулярные образования
в воде имеют форму тетрамеров, составленных из расположенных по тетраэдру четырех молекул воды. При этом
диаметр тетрамерного образования составляет 3,56Å,
эффективная плотность 0,017 обр/Å3. Значение диаметра
3,56Å соответствует диаметру сферы, описывающей тетрамерное образование с расстояниями 2,9Å между атомами
кислорода.
В заключение следует обратить внимание на методические оплошности, допущенные при постановке обсуждаемого эксперимента:
а) образцы воды необходимо было замораживать естественным образом (не в жидком азоте);
б) измерения должны были быть направлены на регистрацию динамической картины, то есть фиксацию изменений в образце со временем, особенно в области
температур от 0 °С до 5 °С;
в) необходимо добиться лучшей статистики измерений,
чтобы уверенно фиксировать изменение в высоте пиков и расстоянии между ними;
г) необходимо фиксировать изменение температуры
образца в процессе измерений;
д) кроме этого очевидно, что далеко не в полной мере
использованы возможности моделирования.