Принцип построения структурной организации воды

источник проект "еВода — Другой взгляд на воду"
http://ewater.ru/princip-postroeniya-strukturnoj-organizacii-vody/

По материалам конференции, посвященной энергоинформационным методам водоподготовки. Конференция проходила 7 июня 2012 в рамках деловой программы X Международного водного форума «ЭКВАТЕК -2012». Организатор конференции — Институт экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н.Сысина.

Зенин С.В., Рахманин Ю.А.

ФГБУ «НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н. Сысина» Минздравсоцразвития России

Теоретическое обоснование существования структуры воды.

Принцип стабилизации молекулярных образований.

Понятие «структура воды» подразумевает наличие в водной среде определённого взаимного расположения в пространстве стабильных или равновесно устойчивых группировок из молекул воды.

Поскольку взаимодействие между молекулами воды происходит только в виде образования межмолекулярных водородных связей, то анализ возможного образования устойчивого структурного состояния водной среды должен начинаться с описания характеристик образования отдельной водородной связи.

При комнатной температуре константа равновесия процесса образования димера из молекул воды Кр = 10 л/моль и время жизни димера порядка 10^-12сек. При столь малом времени жизни первичного образования из молекул воды за счёт водородной связи говорить о неких устойчивых формированиях последующих более сложных ассоциатов, на первый взгляд, представляется абсурдным вследствие известного факта уменьшения времени жизни при усложнении ассоциатов от димеров к тримерам и т.д. На этом основании большинство исследователей водной среды, не признающих структурной организации воды, казалось бы, оказываются правыми и к их критике следовало бы прислушиваться.

Принципиальное разрешение данного научного спора можно найти при рассмотрении путей стабилизации более сложных образований из молекул воды за счёт определённой геометрии их взаимного расположения.

Действительно, если представить некую комбинацию молекул воды в уже образовавшемся ассоциате таким образом, что взаимодействие между такими ассоциатами может происходить только с одновременным образованием нескольких водородных связей, то константа равновесия между подобными ассоциатами окажется равной произведению отдельных Кр для каждой из водородных связей. Данное простое положение химической кинетики и равновесия приводит к исходному принципу возможной стабилизации более сложных молекулярных образований. Особенно наглядно просматривается эффективность такой стабилизации при одновременном образовании, например, шести водородных связей, когда константа равновесия становится равной миллиону, а время жизни новообразования, соответственно, возрастает на шесть порядков.

Учёт влияния на стабилизацию конгломератов из молекул воды их геометрии при образовании нескольких водородных связей требует отдельного рассмотрения пространственного построения молекул воды при их взаимодействии.

С этой целью следует проанализировать возможные геометрические формы пространственного расположения молекул воды в различных ассоциатах, что удобнее и эффективнее осуществить при сборке моделей.

Применение химико-кинетических представлений при выборе путей формирования ассоциатов из молекул воды.

Для рассмотрения возможных видов объединения молекул воды за счёт образования водородных связей, безусловно, требуется исходное представление о структуре и свойствах молекулы Н₂О.

Структура молекулы воды определяется в основном двумя факторами: угол между О-Н связями составляет 104,5^о, а два неподелённых электрона атома кислорода вследствие sp₃ гибридизации имеют направленность орбиталей, составляющих в совокупности с ориентацией ОН связей близкую к тетраэдрической конфигурацию. Это означает, что образование водородных связей между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы и положительно заряженным атомом водорода другой молекулы может происходить по четырём равновероятным направлениям, практически совпадающим с тетраэдрическим. Следует также учитывать, что расположение атомов кислорода и водорода при образовании водородной связи энергетически наиболее выгодно при их нахождении на одной линии: О-Н…О. Поэтому наиболее обоснованным представлением об исходном структурном состоянии водной среды следует считать равновесное окружение каждой молекулы воды ещё четырьмя по тетраэдрическим направлениям возможного образования водородных связей.

Возникающая однородная картина равновесного взаимодействия молекул воды, казалось бы, не содержит какой-либо возможности нарушить полную симметрию взаимного расположения молекул вокруг любой из них. Рассмотрение возникающей и тут же распадающейся тетраэдрической сетки водородных связей позволяет не только увидеть такую возможность, но и обнаружить энергетические ямы для перехода совокупности молекул воды в другое энергетически более выгодное состояние.

Безусловно, предполагаемое симметричное окружение одной молекулы воды ещё четырьмя может существовать чрезвычайно короткое время. Но центры образования водородных связей у каждой из четырёх внешних молекул, которых остаётся по три на каждую, по вероятности взаимодействия ничем не хуже уже прореагировавших центров и к ним тоже могут на какой-то момент подсоединяться молекулы воды. Представить такое семнадцатимолекулярное образование, конечно, можно только гипотетически в силу его кратковременного существования, но геометрия взаимного расположения водородных связей под углом близким к тетраэдрическому и к углу пятиугольника неожиданно даёт шанс увеличить время жизни его существования за счёт образования сразу шести пятичленных циклов (рис.1).

Наблюдаемый при этом выйгрыш энергии как раз и является той самой первичной энергетической ямой для перехода в другое состояние.

Рисунок 1. Семнадцатимолекулярный ассоциат с шестью образовавшимися циклами.

Согласно химико-кинетическим представлениям в этом случае как бы появляется узкий по концентрации «ручеёк» перетекания ассоциатов в более долговременное существование. Увеличение времени жизни происходит вследствие углубления ямы потенциальной энергии, в которой находятся все 17 молекул, сразу на величину, равную шести энергиям образования водородной связи. Но главное даже не в этом, а в возникающей геометрии новообразования. Появляется то самое расположение шести центров образования водородной связи в одной плоскости, которые при условии комплементарности готовы «схлопнуться» с себе подобным формированием вследствие миллионной константы взаимодействия.

Рассмотренный путь образования ассоциатов безусловно детерминирован химико-кинетическими предписаниями, но даже при таком сужении количества вариантов различных ассоциативных процессов необходимо обоснование ограничения действия каждого вида взаимодействия и, соответственно, количества участвующих в том или ином виде взаимодействия молекул воды. Для этого потребовалось дополнительное исследование сложных процессов ассоциации.

В результате при более тщательном анализе уже проводившихся ранее исследований процессов полиассоциации обнаружилось, что, оказывается, даже теоретически для данного вида взаимодействия согласно вытекающей из анализа схемы формуле число молекул воды в ассоциатах должно иметь предел.

Учёт механизма удлинения или разветвления ассоциата за счёт водородной связи приводит к вполне конкретной величине этого предела – 57 молекул воды и, соответственно, к предложенной ранее структуре додекаэдрического тетраэдра, своеобразного «кванта» в построении водных структур (рис.2). Нетрудно видеть, что такая структура прямо следует из предшествующей (рис.1) при достраивании до сферы каждой из 4-х полусфер с шестью центрами образования водородных связей.

Рисунок 2. Модель ассоциата воды из 57-и молекул. Тетраэдр из четырёх додекаэдров («квант»). Каждый из додекаэдров имеет 12 пятиугольных граней, 30 рёбер, 20 вершин (в каждой соединяются три ребра, вершинами являются атомы кислорода, ребром служит водородная связь О-Н…О). Из 57-и молекул воды «кванта» 17 составляют тетраэдрический полностью гидрофобный (т.е. насыщенный четырьмя водородными связями) центральный каркас, а в четырёх додекаэдрах на поверхности каждого находятся по 10 центров образования водородной связи (О-Н или О).

Механизм последующих взаимодействий согласно такому анализу должен был качественно отличаться от последовательного присоединения очередной молекулы воды за счёт водородной связи.

Качественно другой вид последующих взаимодействий между «квантами» становится очевидным при рассмотрении представленной на рис.2 модели. В 4-х условных плоскостях додекаэдрического тетраэдра находится по 6 центров образования водородных связей, т.е. приближение плоскостей разных тетраэдров при их взаимодействии предусматривает одновременное образование сразу 6-ти водородных связей. Расчёт максимально возможного количества «квантов» в агрегатах, образуемых по данному типу взаимодействия, согласно той же формуле ограничения допускает существование 5-ти и 6-ти квантовых фракций.

Образование фракций, скорее всего, завершает вид взаимодействия по 6-ти водородным связям, поскольку в каждой из фракций (рис. 3-4) образуются суперплоскости из 3-х плоскостей составляющих «квантов».

Рисунок 1. Семнадцатимолекулярный ассоциат с шестью образовавшимися циклами.

Рисунок 2. Модель ассоциата воды из 57-и молекул.

Тетраэдр из четырёх додекаэдров («квант»). Каждый из додекаэдров имеет 12 пятиугольных граней, 30 рёбер, 20 вершин (в каждой соединяются три ребра, вершинами являются атомы кислорода, ребром служит водородная связь О-Н…О). Из 57-и молекул воды «кванта» 17 составляют тетраэдрический полностью гидрофобный (т.е. насыщенный четырьмя водородными связями) центральный каркас, а в четырёх додекаэдрах на поверхности каждого находятся по 10 центров образования водородной связи (О-Н или О).

Рисунок 3. Супертетраэдр пяти «квантов». 4 тетраэдра направлены в разные стороны от плоскостей центрального тетраэдра в виде «звезды». Три грани, направленные к наблюдателю, расположены в одной плоскости, образуя супергрань. Наложение этих плоскостей с перекрёстным положением каждой грани невозможно.

Рисунок 4. Циклическое образование из шести «квантов» - «снежинка». Три грани, направленные к наблюдателю, расположены в одной плоскости, образуя супергрань. Наложение этих плоскостей с перекрёстным положением каждой грани невозможно.

Взаимодействие суперплоскостей с одновременным образованием 18-ти водородных связей оказалось возможным только для разных фракций и этот вид взаимодействия может привести к созданию структурного элемента, состоящего из 2-х пятиквантовых и одной шестиквантовой фракций (рис.5).

Рисунок 5. Соединение одной шести и двух пяти квантовых фракций в структурный элемент воды. Разным цветом показано образование новых граней, включающих по 4 грани от «квантов».

Понятно, что ожидаемое резкое увеличение времени жизни взаимодействующих фракций на восемнадцать порядков намного превышает малое время жизни водородной связи и принципиально снимает проблему существования стабильных структурных элементов.

Неожиданное добавление в суперплоскость получившегося образования четвёртой грани превращает структурный элемент в шестигранный ромбический кубик (рис.6), что явилось причиной более тщательного анализа данного образования на предмет его стабильности.

Рисунок 6. Модель структурного элемента воды. Шестигранное образование из 912-ти (16х57) молекул воды с гранью в виде ромба с острым углом 60о. На каждой грани 24 центра образования водородной связи условно соединены между собой в шестицентровые циклы.

Дело в том, что предполагаемый следующий вид взаимодействия между гранями структурного элемента с одновременным образованием 24-х водородных связей согласно формуле ограничения реализоваться уже не может. В этом случае наблюдается переход видов взаимодействия по водородным связям к дальним кулоновским взаимодействиям без образования водородных связей, т.е. предложенный структурный элемент, казалось бы, имеет все предпосылки оставаться стабильным образованием.

Кроме того, отсутствие возможности образования комплементарных водородных связей между предполагаемыми структурными образованиями объясняло отсутствие в воде гелеобразования.

Однако красивое завершение модельных построений до 16-ти квантового структурного элемента по тем же химико-кинетическим представлениям оказалось не строгим вследствие очевидной неустойчивости 2-х угловых квантов. В предложенном структурном элементе из 16-ти «квантов» (рис. 5,6) два диагональных «кванта» на острых углах имеют минимальную степень связывания с другими «квантами» (всего по 6 связей). Этого недостаточно, чтобы оказаться стабильным образованием. Поэтому структурный элемент из 16-ти квантов никак не может рассматриваться в качестве стабильного соединения. Не случайно первоначальное рассмотрение взаимодействия 5-ти и 6-ти квантовых фракций с образованием 18-ти водородных связей касалось лишь 2-х фракций.

Тем не менее данные построения выявили основной механизм построения стабильных образований из молекул воды, суть которого показана на рис.7.

Рисунок 7. Расположение 18-ти центров образования водородных связей между 5-ти и 6-ти квантовыми фракциями.

Указанный механизм построения стабильных образований можно и необходимо применять уже на первичной стадии взаимодействия 5-ти и 6-ти квантовых фракций. Более устойчивое образование в виде тетраэдра из 10-ти квантов (вследствие вычета крайнего кванта в 5-ти квантовой фракции) имеет 4 суперплоскости, характерные для 6-ти квантовой фракции (рис.8).

Рисунок 8. Симметричное структурное образование из 10-ти квантов в виде тетраэдра. Хорошо видны 2 передние грани (красная с жёлтым треугольником и синяя с жёлтым треугольником), аналогичные граням 6-ти квантовой фракции.

При усложнении к каждой из граней может подсоединиться 5-ти квантовая фракция по 18-ти водородным связям. С учётом отрыва крайних 4-х квантов в каждой из четырёх 5-ти квантовых фракций может получиться теоретически самое простое наиболее близкое к стабильному соединение. Геометрически оно представляет собой тетраэдр, длина ребра у которого составляет 4 кванта. Без 4-х угловых квантов тетраэдра получается симметричное структурное образование из 26-ти квантов (рис.9).

Примечательной особенностью полученного построения оказывается соблюдение тетраэдрической фрактальности – от тетраэдрической направленности центров образования водородных связей в самой молекуле воды к 17-ти молекулярному образованию, в котором направления 4-х расположений шести центров образования водородной связи в одной плоскости являются тетраэдрическими (рис.1), затем к тетраэдру из 57-ми молекул воды («кванту», рис.2), к тетраэдру из 5-ти квантов (рис.3), к 10-ти квантовому тетраэдру (рис.8), и, наконец, к данному тетраэдрическому образованию из 26-ти квантов (рис.9).

Рисунок 9. Симметричное структурное образование из 26-ти квантов в виде тетраэдра. Хорошо видны 2 передние грани (красная и синяя), в центре которых жёлтым треугольником выделены кванты. Присоединение к указанным граням для их полной стабилизации любых структур по механизму, представленному на рис.6, закрывает выделенный центральный квант, показывая тем самым единственность подобного взаимодействия.

Существенным развитием фрактального тетраэдрического построения оказалось отдельное рассмотрение 5-ти квантового тетраэдра, присоединение к которому 4-х 6-ти квантовых фракций неожиданно приводит к октаэдру, представляющему собой два «вложенных» тетраэдра из 2-х видов плоскостей комплементарного взаимодействия по 18-ти водородным связям (рис.10).

Анализ полученных в 2011 году экспериментальных данных ЯМР и ВЭЖХ полностью подтвердил наличие в воде в основном указанных на рис.9 и рис.10 2-х фракций в соотношении 4,5 : 1. Меньшие по количеству фракции вписываются в схему рассмотренного комплементарного взаимодействия, которое представляется как основа кодирования структурного состояния водной среды. Поскольку в этом взаимодействии 18 водородных связей располагаются в виде три по шесть связей отдельных квантов специфично для каждой из двух сторон последующего комплементарного присоединения, то целесообразно этот процесс обозначить как триплетное кодирование.

Рисунок 10. Симметричное структурное образование из 29-ти квантов в виде октаэдра. Хорошо видны 2 передние грани (красная и синяя), форма которых согласно рис.7 представляет собой основу для комплементарного взаимодействия.