Водный обмен растений - Жолкепич В.Н.
ISBN 5-02-003977-2
Скачать (прямая ссылка):
молекул и сразу возникает вновь, но с возможными отличиями от предыдущей в пространственном расположении, координационном числе молекул, количестве и энергии Н-связей. Благодаря высокой лабильности структуры воды до сих пор нет единого представления о ней. Существует ряд моделей, в той или иной степени объясняющих наблюдаемые свойства воды. Кратко остановимся лишь на трех из них, получивших наиболее широкую известность.,
1. Двухструктурная модель, основывающаяся на представлениях О. Я. Самойлова [18], предполагает существование в жидкой воде льдоподобной структуры (образующей решетку или каркас), молекулы которой соединены Н-связями, и плот-ноупакованной структуры, состоящей из молекул, расположенных в полостях каркаса и образующих меньшее число Н-связей (или не образующих их). Трансляционное движение молекул происходит в основном по полостям каркаса. Согласно некоторым представлениям, мономерных (не образующих Н-связей) молекул в плотноупакованной структуре почти (или совсем) нет [19]. Наличие в воде молекул, объединенных Н-связями, важно для биологических процессов, так как, по мнению многих авторов, цепочки таких молекул способствуют быстрому переносу электронов и протонов в системе.
2. Модель кластеров [20—22] также предполагает наличие двух водных структур, но неоднородно распределенных по объему: скопления молекул, объединенных Н-связями (кластеры), и окружающие их мономерные молекулы. Возникновение Н-связей при образовании кластера рассматривается как кооперативный процесс. При образовании Н-связи происходит смещение электронов, взаимодействующих с протоном другой молекулы. Это усиливает поляризацию молекул и тем самым увеличивает возможность образования следующих Н-связей. При усилении поляризации возрастает прочность Н-связей. Поэтому между тремя молекулами воды возникает некоторая дополнительная сила притяжения, отсутствующая между двумя молекула-ми .[17].
Время жизни кластера составляет 10-10—10~и с, после чего структура его разрушается (вследствие флуктуации тепловой энергии) и возникает новая, которая может отличаться как в пространственном расположении, так и в количественном отношении (числом молекул в кластере). Кластеры окружены мономерными (не образующими Н-связей) молекулами воды.
3. Модель искаженных водородных связей [23], согласно которой водородные связи при плавлении льда не разрываются, а лишь искажаются, т. е. меняется изгиб их, что сопровождается изменением угла между линией, соединяющей центры соседних молекул, и направлением Н-связи между этими молекулами. Д. Попл показал возможность вычисления среднего искажения этого угла и величину необходимой для этого энергии, которую назвал «константой силы изгиба водородной связи».
Д. Эйзенберг и В. Кауцман [17] отмечают, что эта модель находится в согласии с большинством экспериментальных данных о структуре воды. Подтверждением только искажения, а не разрыва Н-связей при плавлении льда может служить то обстоятельство, что даже при современных усовершенствованных способах получения инфракрасных спектров и спектров комбинационного рассеяния в воде не удается обнаружить мономерных молекул, тогда как, например, в метиловом спирте они обнаружены [19].
Однако наиболее распространенными пока остаются две первые модели.
Структура воды претерпевает существенные изменения в зависимости от внешних условий.
Температура. При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул, вследствие чего сокращается доля льдоподобной структуры (или доля молекул, входящих в кластеры) и возрастает доля плотноупакованной структуры (или мономерных молекул) (табл. 2 и 3). При повышении темпера-
ТАБЛПЦА 2. Количество молекул воды (молярные проценты) в льдоподобных структурах и их пустотах и доля заполнения пустот в зависимости от температуры [24]
Темпера Пустоты Каркас Доля за Темпеоа- Пустоты Каркас Доля за
тура, °С полнения тура, °С полнения
пустот, % пустот, %
0 0,137 0,863 31,7 40 0,238 0,762 62,5
10 0,162 0,838 38,7 50 0,263 0,737 71,0 ¦
20 0,187 0,813 46,0 60 0,288 0,712 80,9
30 0j 213 0,787 54,1 80 0,33(3) 0,66(6) 100,0
ТАБЛИЦА 3. Температурная зависимость структурных параметров жидкой воды [25]
Темпе Среднее коли Концентрация Мольная доля Доля неразор-
ратура чество молекул кластеров мономерной ваииых Н-свя
°С НгО в клас (мольная доля) воды зей
тере
0 64,96 0,0084 0,2485 0,528
20 38,37 0,0124 0,2948 0,462
40 24,29 0,0172 0,3394 0,409
60 16,64 0,0198 0,3773 0,370
80 13,14 0,0257 0,4095 0,344-
100 11,70 0,0268 0,4375 0,325
