Опровергнута самая популярная теория строения воды

Фото: news.sfu-kras.ru

Учёные СФУ совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В  ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Вода — одно из самых распространённых, но в то же время необычных веществ на Земле. Она обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых её особой структурой, например, высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н 2 О, объединённых в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры (группы молекул, связанных водородными связями) молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве. Многие учёные считают, что вода — постоянно изменяющаяся смесь кластеров лёгкого и тяжёлого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам лёгкого и тяжёлого типов.

Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе. Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.

Второй не менее важный результат этой работы — получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия — общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.

«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследований необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с её окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и её теплоёмкость», — дополняет Фарис Гельмуханов , доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.

В работе также приняли участие учёные из Университета Потсдама (Германия), Университета Цюриха (Швейцария) и Университета Турку (Финляндия).

Рисунки

  • A) Молекула воды, поглотив фотон, возбуждается из основного состояния (0) в высоковозбуждённое диссоциативное состояние (с), где атом водорода быстро покидает точку равновесия. В процессе диссоциации возбуждённая молекула возвращается в основное (0) или конечное состояние (f) испуская другой фотон и формируя спектр вблизи 535 эВ и 526 эВ, соответственно.
  • Б) рентгеновский спектр поглощения воды.
  • B) Спектры испускания c→f и c→0 вблизи 526 эВ и 535 эВ, соответственно. Эмиссионный спектр c→f вблизи 525 эВ показывает динамическое формирование (в процессе диссоциации) дублета с расщеплением Δ (см. панель A). При возвращении молекулы в основное состояние c→0 в процессе диссоциации заселяются высокие колебательные уровни, что формирует протяжённую колебательную прогрессию в районе 535 эВ.
  • Г) В работе решена обратная задача восстановления из колебательной прогрессии распределения OH-потенциалов воды в жидкой фазе.
  • Последние новости Красноярского края по теме:
    Опровергнута самая популярная теория строения воды

    - Красноярск
    Красноярский ученые совместно с исследователями из Королевского института технологий Швейцарии опровергли самую популярную теорию строения воды и предложили новый научный принцип.
    12:10 16.04.2019 Sibnovosti.ru
    Опровергнута самая популярная теория строения воды - СФУ
    Опровергнута самая популярная теория строения воды - Красноярск
    Учёные СФУ совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды.
    16:41 15.04.2019 СФУ
     
    По теме
     
    IMG_20190423_192326_630 - копия - МЧС Красноярского края Именно под таким названием в одной из школ краевого центра прошли необычные обучающие занятия для учащихся среднего звена.
    25.04.2019
    «Проспект Свободный 2019»: день четвёртый - СФУ 25 апреля 2019 года, в четвёртый день XV Международной студенческой конференции «Проспект Свободный — 2019», в Сибирском федеральном университете прошёл открытый лекторий.
    25.04.2019
     
    Итоги внутривузовской олимпиады по математике - СибГУ им. М.Ф. Решетнева 20 апреля на базе кафедры высшей математики СибГУ им. М.Ф. Решетнева состоялась внутривузовская олимпиада по математике для студентов университета и школьников.
    25.04.2019
    В СФУ прошёл финал университетской олимпиады «13 элемент. ALхимия будущего» - СФУ С 13 по 20 апреля 2019 года в Сибирском федеральном университете при поддержке стратегического партнёра компании РУСАЛ и Ассоциации «Молодёжная площадка профессиональных металлургов» состоялся заключительный этап универс
    25.04.2019
    logo2019 - КГПУ 23 апреля 2019 г. в институте математики, физики и информатики в рамках XIX Международного научно-практического форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука XXI века» КГПУ им.
    25.04.2019 КГПУ
    «Проспект Свободный 2019»: день четвёртый - СФУ 25 апреля 2019 года, в четвёртый день XV Международной студенческой конференции «Проспект Свободный — 2019», в Сибирском федеральном университете прошёл открытый лекторий.
    25.04.2019 СФУ
    IMG_20190423_192326_630 - копия - МЧС Красноярского края Именно под таким названием в одной из школ краевого центра прошли необычные обучающие занятия для учащихся среднего звена.
    25.04.2019 МЧС Красноярского края
    JPG Файл - ГУ МВД Красноярского края Сотрудники Управления экономической безопасности и противодействия коррупции ГУ МВД России по Красноярскому краю выявили серию мошенничеств.
    25.04.2019 ГУ МВД Красноярского края
    Было время, были песни - Ужурский район Старых друзей собрал на отчётный концерт вокальный коллектив «Дуэт+». «Уже более 30 лет Александр Дронов и Фёдор Итпеков занимаются музыкальным творчеством, и их дуэт постоянно вовлекает в свою орбиту и других солистов,
    25.04.2019 Ужурский район
    День призывника: весна 2019 - Город Боготол 23 апреля по доброй традиции Боготол и Боготольский район в торжественной обстановке провожали молодых земляков на службу в ряды российской армии.
    25.04.2019 Город Боготол
    В этом году в Центральном районе праздник весны и труда изменит привычный формат демонстраций и маёвок, станет более прикладным и интеллектуальным, но от этого не менее весенним и бодрящим.
    25.04.2019 Заполярная правда
    ПРЕОДОЛЕЙ СЕБЯ! - Газета Вперёд 12 апреля в Бородино прошла зональная спартакиада среди инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья Красноярского края – «Преодоление.
    25.04.2019 Газета Вперёд
    В столице Таймыра идет подготовка к участию в XIV Международной выставке-ярмарке «Сокровища Севера. Мастера и художники России» - Таймырский Долгано-Ненецкий район В заполярной столице под руководством заместителя Главы муниципального района по вопросам образования и культуры Татьяны Друпповой прошло рабочее совещание по подготовке к участию таймырской делегации в XIV Международной
    25.04.2019 Таймырский Долгано-Ненецкий район
    Министерство лесного хозяйства Красноярского края За прошедшие сутки благодаря оперативным действиям сотрудников краевого Лесопожарного центра в крае ликвидированы 17 лесных пожаров – в Абанском, Канском, Емельяновском,
    25.04.2019 Администрация Красноярского края