Огромная роль воды в жизни человека и природы послужила причиной того, что она была одним из первых соединений, привлекших внимание ученых. Глубокие философские обобщения привели человечество к необходимости познания физической и химической природы воды. Тем не менее, изучение воды еще далеко не закончено.

Раскрыть ее секреты до конца еще не удалась никому. Человечество упорно в длительном борении за истину, объединяя знания поколений, постепенно открывало все новые и новые специфические особенности этой загадочной жидкости, «сока Жизни».

В 1783 году выдающиеся экспериментаторы Генри Кавендиш (1731-1810) и Антуан Лавуазье (1743-1794) установили, что вода состоит из двух газов: водорода и кислорода и соотношение их выражается формулой Н20.

Все достижения современной цивилизации во многом обусловлены использованием и изучением воды. Достаточно назвать водяной пар и паровую машину Джемса Уатта.

Исследование химического состава воды привело к открытию Генри Кавендишем водорода «горячего воздуха», рождающего воду, к созданию Джонам Дальтонам атомной теории вещества.

Открытие химического состава молекулы воды послужило началом бурному росту науки о биологической роли воды, об ее лечебно-профилактическом использовании.

Вода выступала катализаторам развития многих фундаментальных научных дисциплин. Вспомним также о ее причастности к ядерной физике в виде тяжелой и сверхтяжелой воды. В настоящее время наступила эра всеобщего изучения роли воды в нормальных и патологических процессах жизни, которую можно назвать эрой водной биологии и медицины.

Современному представлению о строении молекулы воды и водных растворов предшествовал бурный период научных и экспериментальных изысканий, подчас противоречивых и трудно воспроизводимых.

Это и химическая теория Д.И. Менделеева, и теория непрерывности газового и жидкого состояния Ван-дер-Ваальса, и гидрольная теория У. Рамзая и Дж. Шильдса, и рентгенографический метод исследования Лауэ, и постулат Дебая о близости структуры жидкого состояния воды к твердой фазе на границе температурного раздела лед-вода и ряд других теорий. Однако в конце концов основные черты строения молекулы воды были расшифрованы. Как же сейчас мы представляем себе строение воды?

Начнем с элементарного — со строения молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода (Н1) и одного атома кислорода (О18). Оказывается, все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельно рассматриваемой молекуле воды ядра водорода и кислорода так расположены друг относительно друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник — со сравнительно крупным ядром кислорода в вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания (рис. 1, а).

Puc. 1. Строение молекулы воды:

а) — угол между связями О-Н, б) — структура электронного облака молекулы, в) — расположение полюсов заряда.

Электронное облако молекулы, образованное пятью парами электронов, схематически распределено так (рис. 1, б), что внутренняя пара окружает ядро кислорода, две внешние пары неравномерно поделены между ядрами кислорода и водорода, тяготея больше к кислороду, а остальные две пары кислород не делит с водородом, и их заряды остаются частично нескомпенсированными. Таким образом, в молекуле воды оказывается четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности у несколько оголенных ядер водорода — протонов.

Эти заряды можно условно представить расположенными в вершинах частично искаженного тетраэдра (рис. 1, в). Вследствие такой асимметричности распределения электрических зарядов молекула воды обладает ярко выраженными полярными свойствами: она является диполем с высоким дипольным моментом — 1,87 Дебая. На рис. 2 показана схема образования молекулы воды.

Рис. 2. Образование молекулы воды.

Как видно на рис. 2, у одного атома кислорода и двух атомов водорода (а) появляются общие электроны, образующие прочную ковалентную связь (б). Если два протона водорода молекулы воды вращаются в одну сторону, то вода называется параводой, в разные стороны — ортоводой.

В обыкновенной воде 3/4 ортоводы. Ряд ученых предполагает, что соотношение орто- и параводы в клетке имеет регуляторное значение. Если строение молекулы воды в общих чертах установлено, то структура воды по-прежнему остается загадкой.

Исследуя воду и, особенно ее водные растворы, ученые раз за разом убеждались, что вода обладает ненормальными — аномальными свойствами, присущими только ей, ее Величеству — Воде, подарившей нам Жизнь и возможность мыслить. Мы даже и не подозреваем, что столь привычные и естественные свойства воды в природе, в различных технологиях, наконец, в обыденной жизни нашей являются уникальными и неповторимыми.

Ученые согласны в том, что вода является одним из самых трудных объектов исследования, так как прежде всего в воде всегда есть примеси и что она обладает кооперативным характером взаимодействия ее молекул.
Аномальные свойства воды

В рамках микроскопического подхода структура воды отличается относительно беспорядочным динамически меняющимся расположением молекул, а высокая плотность обуславливает сильное межмолекулярное взаимодействие, осуществляемое посредством водородных связей.

Таким образом, вода представляет собой сложную ассоциированную жидкость с тетраэдрической сеткой молекул, соединенных водородными связями.

В результате теплового движения молекул эта сетка подвержена спонтанной перестройке.

В трехмерной сетке водородных связей размещены флуктуационные микрообъемы молекул воды, обладающие сравнительно малой энергией теплового движения и более высокой степенью структурного упорядочения. Это — микрокластеры.

В то же время вокруг микрокластеров в макрообъеме ассоциированной среды с повышенной энергией теплового движения молекул Н20 наблюдается большая степень структурной беспорядочности, т.е. более низкий уровень структурного упорядочения.

Расскажем об одном курьезе воды.

Вещества — аналоги воды, молекулы которых по химическому составу похожи на воду, — H2S, H2Se, H2Te, т.е. соединения водорода и серы, водорода и селена, водорода и теллура и т.д., при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Казалось бы, вода, сохрани она такие же свойства, должна бы закипать при температуре -70 °С, а превращаться в лед при -90 °С. Эти условия вряд ли бы способствовали развитию жизни на Земле, ведь она должна была бы существовать в интервале температур от -70 °С до -90 °С (рис.3). В таком холоде разве возможна жизнь? Иначе говоря, если бы вода — гидрид кислорода Н2О — была бы нормальным мономолекулярным соединением, таким, например, как ее аналоги по шестой группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева — гидрид серы H2S, гидрид селена H2Se, гидрид теллура H2Te, то в жидком состоянии вода существовала бы в пределах от минус 95 °С до минус 70 °С, а не такая, какая реально существует сейчас. Нетрудно понять, что в этом случае биологической жизни на Земле не могло бы существовать. На рис.3 показаны необычные точки замерзания и кипения воды по сравнению с другими жидкостями.

Рис. 3. Аномалии точек кипения и замерзания воды по сравнению с другими соединениями водорода.

Но, к счастью для нас и для всего живого на свете вода обладает аномальными свойствами.

Вода «не признает» периодических закономерностей, характерных для бесчисленного множества соединений на Земле и в Космосе, а следует своим, еще не вполне понятным для науки законам, подарившим нам удивительный мир Жизни.

«Ненормальные» температуры плавления (0 °С) и кипения (+100 °С) воды далеко не единственная ее аномальность.

Для всей биосферы исключительна важной особенностью воды является ее способность при замерзании увеличивать, а не уменьшать свой объем, т.е. уменьшать плотность.

Действительно, при переходе любой жидкости в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Да, для любой из необозримо разных жидкостей, но не воды. Вода и здесь представляет исключение.

При охлаждении вода сначала ведет себя как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +3,98 °С. Затем, при дальнейшем снижении температуры до 0 °С, вся вода замерзает и расширяется в объеме. В результате удельный вес льда становится меньше воды и лед плавает. Если бы лед не всплывал, а тонул, то все водоемы (реки, озера, моря) промерзли бы до дна, испарение бы резко сократилось, все пресноводные животные и растения погибли бы. Жизнь на Земле стала бы невозможной.

Вода — единственная жидкость на Земле, лед которой не тонет за счет того, что его объем на 1/11 больше объема воды.

Еще одно удивительное свойство воды — ее огромное поверхностное натяжение. Благодаря тому, что круглые шарики воды очень упруги, идет дождь, выпадает роса.

Что же это за удивительная сила, которая сохраняет капли росы, а поверхностный слой воды в любой лужице делает эластичным и относительно прочным?

Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, которая позволяет им подниматься вверх по капиллярам, преодолевая силу земного притяжения. Без этого свойства воды жизнь на Земле была бы также невозможна.

Ни одно вещества на Земле не обладает такой способностью поглощать тепло, как вода. Для превращения в пар 1г воды требуется 537 калории тепла. Конденсируясь, пар возвращает эти 537 калорий в окружающую среду.

Ни одно вещество в мире не поглощает и не отдает среде столько тепла, сколько вода. Теплоемкость воды в 10 раз больше теплоемкости стали и в 30 раз больше ртути. Вода сохраняет тепло на Земле.

С поверхности морей, океанов, суши испаряется за год 520000 кубических километров воды, которые, конденсируясь, отдают много тепла холодным и полярным регионам.

Не обладай вода такой уникальной способностью поглощать и отдавать тепло, климат Земли оказался бы непригодным для существования человека. В высоких широтах тогда царил бы нестерпимый холод, а в низких — солнце испепелило бы все живое.

Благодаря наземному Мировому океану атмосфера представляет собой надежное теплое одеяло, укрывающее тело планеты и защищающее его от космического холода. Подземный океан снабжает Землю теплом из внутренних источников планеты.
Аномальные свойства воды

Ни одна жидкость не поглощает газы с такой жадностью, как вода. Но она их также легко отдает.

Дождь растворяет в себе все ядовитые газы атмосферы. Вода -ее мощный природный фильтр, очищающий атмосферу от всех вредных и ядовитых газов.

Еще одно удивительное свойство воды проявляется при воздействии на нее магнитного поля. Вода, подвергнутая магнитной обработке, меняет растворимость солей и скорость химических реакций.

Магнитная вода не только не дает накипи в котлах, но и срывает ранее образовавшиеся отложения, повышает прочность бетона, ускоряет его застывание, увеличивает процент выхода обогащенной руды.

Ряд удивительных свойств воды связан с ее теплоемкостью. Легче всего вода нагревается и быстрее всего охлаждается в своеобразной «температурной яме», соответствующей +37 °С, температуре человеческого тела (рис. 4).

Как видно из рис.4, теплоемкость воды своих минимальных значений достигает около +37 °С. Это нормальная температура тела человека. Именно при температуре 36,6-37оС сложнейшие реакции обмена веществ в организме человека наиболее интенсивны. Значит, при этой температуре организм человека находится в наивыгоднейшем энергетическом состоянии.

Рис. 4. Температурная зависимость удельной теплоемкости воды.

Вода в организме человека составляет 70-90%. от веса тела. Не обладай вода такой теплоемкостью, как сейчас, обмен веществ в теплокровных и холоднокровных организмах был бы невозможен.

В клетках живых организмов различают «объемную» и «связанную» воду. Первая — вода, с которой мы имеем дело в повседневной жизни. В ней растворен цитозоль клетки. Под «связанной» водой мы понимаем воду, связанную с биологическими молекулами, мембранами.

В живых клетках обычная вода, будучи связанной с мембранами, неизвестным образом превращается в воду со структурой льда. И она уже не во власти незыблемых законов физики — все ее свойства коренным образом меняются. Диэлектрическая проницаемость, например, уменьшается в десять раз, а теплопроводность возрастает в семьдесят раз и т.п.

Любая живая клетка имеет наружную и внутреннюю биологические мембраны. Это как бы избирательно проницаемая стенка, ограждающая содержимое клетки, ее органоиды от повреждения. На поверхности биологических образований молекулы воды подвергаются структурно -функциональной упорядоченности, образуют так называемую клатратную пленку — кристаллогидрат со строго ориентированными дипольными моментами молекул воды.

В самой клатратной пленке, размещенной, к примеру, на поверхности клеточной мембраны, процессы обмена между молекулами воды осуществляются с частотой десять тысяч раз в секунду, в то время как с окружающей объемной водой молекулы Н2О меняются местами с частотой в два раза меньшей.

Это приводит к тому, что растворенным в воде примесям термодинамически невыгодно находиться в клатратных слоях воды, поэтому они предпочитают объемную воду.

Итак, будучи связанной с живой материей и защищая ее, клатраты сами защищены невидимым барьером от разрушающего действия на них объемной воды с растворенными в ней вредными и ядовитыми веществами. И чем толще и крепче клатратная прослойка, тем более стабильны термодинамические и биологические условия функционирования отдельной молекулы и клетки организма.

В связанной воде все молекулы Н2О имеют по 4 водородные связи и обеспечивают оптимальную скорость миграции протонов и электронов -эту основу обмена веществ в живых системах.

Основа структуры всех биомолекул — водородные связи. Водородные связи биомолекул и воды, по Сент-Дьердьи, образуют матрицу жизни, по которой движутся в процессе обмена веществ протоны и электроны.

Водородные связи — не только матрица, но и существенный элемент в строительстве всего живого. Все сказанное выше, мы надеемся, убедило читателей в том, что обыкновенная вода — самое необыкновенное вещество в природе.

Нами обнаружена и изучается универсальная система водно-структурной регуляции жизненными процессами. Структура воды и растворенные в ней вещества (анионы и катионы) определяют и регулируют строение и функции макромолекул клетки и низкомолекулярных биорегуляторов, сборку и функционирование организмов и клеток, тканей, органов и систем органов, наконец, целого организма.

Она действует как на субмолекулярном и молекулярном, так и на более высоких уровнях организации живой материи, вплоть до биосферного . Она определяет миграцию протонов и электронов в клетках, структуру мембран, функции ДНК, РНК, белков, низкомолекулярных регуляторов, сборку клеточных структур, оплодотворение, эмбриональное развитие, зрелое функционирование организма, его управляющие, регуляторные и гомеостатические системы, его старение и смерть.

Важным элементом системы водно-структурной регуляции является соотношение пара- и ортоводы. Гипотезу об этом развивает в своей содержательной книге Б.З.Фрадкин. Автор книги «Белые пятна безбрежного океана» Б.Э.Фрадкин в 1976 году писал о загадках воды: «Мы вправе рассматривать воду как необъятную самостоятельную область познания — безбрежный океан, усыпанный белыми пятнами загадок. И едва удается раскрыть одну загадку, как появляется две, десять новых, еще более невероятных.

Учитывая огромную роль воды в жизни человечества и отмечая пуск нового водопровода, жители г.Новороссийска в 1974 году, как сообщала газета «Известия» 24 марта 1974 года, разработали памятник воде. Если он был воздвигнут, то этим актом люди выразили свое преклонение перед этим чудом природы — обыкновенной и вместе с тем необыкновенной водой.

Одна из загадок воды — ее изотопный состав и фракции, образуемые изотопами воды. Более подробно рассмотрим природные изотопы воды, легкую и тяжелую воду, ее физико-химические и биологические свойства.Мы знаем, что железо на воздухе ржавеет, что гремучий газ при нагревании взрывается, плавиковая кислота разъедает стекло, натрий и фосфор быстро окисляются на воздухе, хлор активно действует на металлы… Но оказывается, что во всех этих случаях катализатором является вода. При полном отсутствии влаги скорость этих процессов ничтожна. Сухой гремучий газ, например, не взрывается даже при значительном нагревании, а железо в воздухе, лишённом воды, становится таким же устойчивым, как золото или платина.

Можно сказать, что если бы вода не обладала каталитическим действием, мы составили бы совершенно иное представление о химических свойствах окружающих нас веществ.Читатель может спросить: почему атомы в молекуле воды расположены в виде треугольника, а не по прямой линии — в середине атом кислорода, а по краям атомы водорода?

Объяснить это можно так. Всякое тело в природе стремится занять наиболее устойчивое положение. Мяч, брошенный на гладкую крышу, не останется лежать на её покатой поверхности и под действием силы тяжести обязательно скатится вниз. Если мы привяжем к нитке какой-нибудь грузик и будем держать нитку за свободный конец, грузик натянет нить и расположится точно по отвесной линии. Отведём грузик немного в сторону и отпустим, — грузик не останется в новом неустойчивом сеостоянии и под действием силы тяжести быстро вернётся к своему первоначальному положению. Так и в молекуле воды. Атомы соединены в ней друг с другом силами, которые называют силами химического сродства. Величина и направление действия этих сил таковы, что молекула воды является устойчивой именно тогда, когда атомы образуют треугольник. Всякая другая «постройка» из атомов оказывается менее устойчивой. И если по каким-либо причинам расположение «атомов» изменится, то по устранении этой причины атомы вновь образуют такой же треугольник.

В физике длительное время господствовала теория Ван-дер-Ваальса об отсутствии у воды, якобы построенной так же, как и газы, какой-либо структуры. В 1916г Дебай и его сотрудники опровергли эту току зрения и показали, что вода имеет свою структуру. Они с 1912г применили рентгеноструктурный анализ для исследования структуры воды и нашли картину, напоминающую структуру твердых тел.

С 1920 г. Бреггом и его сотрудниками началось рентгеноскопическое исследование сначала льда, а затем и воды. Впоследствии к нему присоединился нейтронноструктурный метод. Оказалось, что во льду каждый атом кислорода окружен отстоящими от него на 2,76 ? четырьмя другими атомами кислорода, образующими тетраэдр. Каждый атом кислорода связан с другими атомами через водородные связи. Лед обладает структурой с многочисленными незаполненными промежутками, поэтому лед легче воды.

Рентгенографией воды в Киеве занимался организатор первой в СССР рентгеноструктурной лаборатории академик АН УССР профессор В.Н.Данилов (1902-1955).

Аномальные свойства воды свидетельствуют о том, что молекулы Н2О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям, например, тепловым, механическим, электрическим. По этой причине, например, необходимо затратить много тепла, чтобы превратить воду в пар или сравнительно высокая удельная теплота испарения воды . В первую очередь структура воды, характерные связи между молекулами воды, лежат в основе особых свойств воды. Американские ученые У.Латимер и У.Родебуш предложили в 1920 г. эти особые связи водородными и с этого времени представление о том типе связи между молекулами навсегда вошло в теорию химической связи. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что происхождение водородной связи обусловлено квантово-механическими особенностями взаимодействия протона с атомами.

Однако наличие водородной связи у воды — это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды. Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды, как целостной системы.

Еще в 1916 г. были разработаны принципиально новые представления о строении жидкости. Впервые с помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в жидкостях наблюдается определенная регулярность расположения молекул или иначе -наблюдается ближний порядок расположения молекул. Первые рентгеноструктурные исследования воды провели нидерландские ученые в 1922 году В.Кеез и Дж. де Смедт. Было показано, что для жидкой воды характерно упорядоченное размещение молекул воды.

Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда. И именно этим объясняет А.К.Гуман уникальные свойства талой воды, долгое время сохраняющей структуру льда. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры. В этих объяснениях нам предстоит разобраться.

Известно, что биологические ткани на 70-90% состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отображать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя — воды. Подобного рода соображения, высказываемые такими крупными современными учеными, как Сент-Дьерди, Поллинг, Клотц и другие, вызвали новую волну повышенного интереса к вопросам структуры и состояния воды в различных системах.

Тетраэдрическая структура воды была установлена Берналом и Фаулером.

В августовском номере 1933 г. только что созданного международного журнала по химической физике «Journal of Chemical Physics» было опубликована их классическая работа о структуре молекулы воды и ее взаимодействии с себе подобными молекулами и ионами разных сортов. И что самое интересное, что свое открытие ученые сделали чисто умозрительно.

Правда, в своей научной прозорливости Дж.Бернал и Р.Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных и теоретических данных в области изучения структуры льда, строения простых жидкостей, на данные рентгеноструктурного анализа воды и водных растворов. Прежде всего они определили роль водородной связи в воде. Было известно, что в воде есть ковалентные и водородные связи. Ковалентные связи не рвутся при фазовых переходах воды: вода-пар-лед. Лишь электролиз, нагревание воды на железе и т.п. разрывает ковалентные связи воды. Водородные связи в 24 раза слабее ковалентных. При таянии льда, снега, водородные связи в образующейся воде частично сохраняются, в паре воды они все разорваны.

Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3. Это первое. Второе доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояло в том, что в отличие от других жидкостей вода — это было уже известно — обладает сильным электрическим моментом, составляющим ее дипольную структуру.
Свойства воды и ее структура

Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.

Экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды «однобока» и имеет «уголковую» конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода таким образом:

В работе этих авторов была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом. Вода в жидком состоянии представляет собой смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура обычной воды).

Модель Бернала-Фаулера — двухструктурная, с наличием раздельных типом структур. Согласно этой модели (1935) структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.

Вода — это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы Н2О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры. Таким образом Бернал и Фаулер сформулировали первую научную гипотезу о структуре воды. В дальнейшем она во многом подтвердилась, но многое в ней было уточнено и пересмотрено. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп: 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двух- и трехструктурные}, 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.

Непрерывные модели структуры воды утверждают, что вода — это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.

Смешанные модели: вода — это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности -кластеров.

Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая клатратные модели) и к кластерным моделям. Что такое кластеры? Кластеры содержат несколько сот молекул Н2О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются вследствии местных флуктуаций плотности. Широко известна кластерная модель структуры воды Г.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная Г.Немети-Г.Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами имеются кластеры, рои молекул Н2О, объединенных водородными связями со временем жизни 10-10 – 10-11 сек. Они разрушаются и создаются вновь. Практически все кластерные гипотезы основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных Н2О — молекул и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1-, 2- или 3-х кратно связанные молекулы. Еще модель называется моделью «мерцающих скоплений». По С.Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды — долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).

Известна также непрерывная модель структуры воды, или однородная модель воды, согласно которой вода не является смешанным веществом, а представляет собой непрерывную среду со сложным образом искривленными водородными связями.

В отличие от кластерных и смешанных моделей, непрерывная модель воды, либо подвергает сомнению существование Н2О-мономеров, считая, что подавляющая часть молекул связана посредством Н-мостиков, либо полагает, что лишь незначительная часть воды имеет подобные связи. В непрерывной модели структуры воды рассматривается случайная неоднородность сетки водородных связей, и, следовательно, здесь можно говорить о различных энергетических состояниях молекул Н2О. Она хорошо согласуется с экспериментальными данными исследователей разных стран. Следует упомянуть также многоструктурную (смешанную) модель воды — вода состоит из различных агрегатов молекул Н2О, HDO, Т2О и других.

Смешанной моделью структуры воды является модель К.З.Тринчера (1981), согласно которой вода состоит из трех различных типом структур, часть из которых зависит от температуры. Свойства и аномалии жидкой воды, согласно Тринчеру, возможно объяснить только на основе структуры воды более высокого порядка, т.е. сверхмолекулярной макроструктуры вида ассоциации Н2О-молекул. В температурной области между 0 °С и 60 °С (область, в которой появляются аномалии воды) она имеет поликомпонентную структуру, которая превращает ее в «коллоид». При повышении температуры в этой температурной области структура воды переходит 4 фазы таким образом, что в 4 температурных точках происходит внезапное изменение соотношений между компонентами коллоида воды. Это температуры 15, 30, 45 и 60 °С.

При 0 °С, по модели Тринчера, структура воды состоит из небольшого количества (4%) реликтов льда, небольшого количества (5%) чистой жидкости и около 90% мягкого льда, который представляет собой разжиженный кристалл. Таким образом, в целом при 0 °С вода представляет собой квазикристаллическое тело, которое пронизано полыми пространствами с рассеянными частичками льда и капельками воды.
Свойства воды и ее структура

По Тринчеру, в каждой из трех компонент воды имеется еще и 4-я компонента — вакуумная компонента, входящая в структуру воды.

В первой фазе (между 0 и 15 °С) реликты льда исчезают и переходят в кваэикристаллическую компоненту, так называемую К-компоненту. От 15 до 30 °С часть К-компоненты переходит в находящиеся в ней капельки жидкости, которые благодаря этому все более увеличиваются. При 30 °С К-компонента распадается и часть ее вместе с капельками жидкости образует эмульсию. Между 30 и 45 °С вода представляет собой чрезвычайно гибкое образование, которое состоит из квазикристаллических и жидких микрофаз, которые размещены в вакууме. Поэтому не случайно, что температура тела теплокровных (36-42 °С) находится в этой области, которая вседствие максимума структурных комбинаций, возможных в воде, обеспечивает живой материи максимум гибкости.

При 37,5°С значительное количество жидких микрофаз и квазикристаллических частей воды выравнивается. В этой температурной точке, что соответствует температуре тела здорового человека, вода имеет наивысшую степень гибкости и структурной гетерогенности. Как раз при этой температуре структура воды имеет максимум своей памяти, которая основывается на практически бесконечном количестве возможностей комбинаций квазикристаллических и жидких микрофаз. В этой точке является наименьшим и энергопотребление, которое необходимо для сохранения структуры воды.

Ю.П.Олешко-Ожевский выделяет 5 групп моделей структуры воды:

1) непрерывные модели,

2) двух-структурные модели,

3) модели с заполнением пустот,

4) кластерные модели,

5) модели ассоциатов молекул воды.

Пo H.А.Буленкову имеется 11 различных структур воды с неодинаковыми кристаллическими решетками, различной плотностью и температурой плавления.

Профессор И.З.Фишер в 1961 г. ввел понятие о том, что структура воды зависит от временного интервала, в течение которого ее определяют. Он различал 3 вида структуры воды.

1. Мгновенная (время измерения t2. Структура средних отрезков времени, когда tд < t > t0. 1 и 2 структуры общие со структурой льда. Структура существует больше времени осцилляции, но меньше времени диффузии tд.

3. Структура, характерная для более длительных отрезков времени (> -tд), когда молекула Н2О передвигается на большие расстояния.

Д.Эйзенберг и В.Каутсман связали названия этих трех структур воды с видами движения ее молекул. 1-ю структуру они назвали I-структурои (от английского instantenous — мгновенный), 2-ю — V-структурой (от английского vibrational — вибрационный), 3-ю — D-структурой (от английского diffusion — диффузионный). В настоящее время известно большое число гипотез и моделей структуры воды.

Рентгеноструктурное исследование, проведенное Морганом и Уорреном, показало, что воде свойственна структура, подобная структуре льда. В воде, также как и во льду, каждый атом кислорода окружен по тетраэдру другими атомами кислорода. Расстояние между соседними молекулами неодинаково. При 25 °С каждая молекула воды имеет в каркасе одного соседа на расстоянии 2,77 ? и трех — на расстоянии 2,94 ?, в среднем — 2,90 ?. Среднее расстояние между ближайшими соседями молекулы воды примерно на 5,5% больше, чем между молекулами льда. Остальные молекулы находятся на расстояниях, промежуточных между первыми и вторыми соседними дистанциями. Расстояние 4,1 ? — это расстояние О-Н в молекуле Н2О.

По современным представлениям, такая структура в значительной мере определяется водородными связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную «тридимитоподобную» структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие структуры жидкой воды от льда — это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка. Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений молекулы попадают в соседние пустоты структуры и на некоторое время задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальных энергий. Это ведет к увеличению координационного числа и образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает аномальные свойства воды. Координационное число молекул (число ближайших соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Свойства воды определяются не только существованием каких-либо ассоциатов молекул, а главным образом особенностью тетраэдрической структуры, в частности, ее ажурностью. Заполнение пустот соответствует появлению второй, более плотной структуры. По данным Денфорда, при 25 °С заполнена половина всех пустот, однако, по новейшим исследованиям оказывается, что эта доля совершенно ничтожна. При комнатной температуре в воде содержится всего 0,1-0,2% «свободной» Н2О. Следовательно, пьете ли вы ледяную талую воду или воду комнатной температуры, разницы практически никакой нет. А вот температура между 30 и 40 °С действительно представляет большой интерес.

Вода имеет как бы две точки плавления: при 0 °С, когда она превращается в жидкость, и между 30 и 40 °С, когда под влиянием интенсивного теплового возмущения кристаллическая структура исчезает полностью. Значит, если бы мы хотели по каким-либо причинам обесструктурить воду, ее совсем не нужно кипятить. Процесс этот обратим. Вода может стать снова структурной, лишь бы при охлаждении ниже 30-40°С была на лицо кристаллическая затравка (во избежание переохлаждения). Недостатков в таких затравках внутри организма нет, и ничто не мешает воде при температуре ниже 30-40°С быть структурной. Роль затравки могут играть поверхности. Еще в 1948 году было показано, что образование возле твердых поверхностей структурно упорядоченных слоев, распространяющихся далеко в глубь жидкой фазы — общая тенденция жидкостей.