Структура воды
Во всех явлениях распределения главная роль принадлежит воде. Она обладает сложной структурой. Вода незаменима во всех жизненных процессах и, не являясь просто инертной средой, участвует в них.
Физико-химические свойства воды уникальны: она термодинамически стабильна в широком интервале температур, участвует в кислотно-щелочном равновесии в интервале pH более 16 ЕД, а также в окислительно-восстановительных процессах с разностью потенциалов до 2 В (разд. 11.4). На развитие жизни на Земле безусловно оказали влияние такие свойства воды, как ее максимальная плотность при 4 °С и высокая теплоемкость. Структура воды сложнее; чем можно себе представить, глядя на простую формулу Н2О. Во всем интервале температур от точки плавления льда до>
Рис. 3.3. Молекула воды, а — парообразное состояние; б — первичная ассоциация.
точки конденсации пара вода представляет собой полимер очень сложного строения.
Молекулы воды обладают ярко выраженной способностью к самоассоциации, поэтому изолированные молекулы могут быть обнаружены только в паре (рис. 3.3, а) Молекула воды имеет вид треугольника; расстояние О—Н равно 0,096 нм, а угол Н—О—Н составляет 105°. Электроны атомов водорода и двух неспаренных электронных пар кислорода занимают гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра.
Кристаллическая структура льда образована структурными единицами тетраэдрической формы, каждая из которых состоит из пяти молекул воды, связанных между собой водородными связями (рис. 3.3, б). Расстояние между атомами кислорода в комплексе равно 0,275 нм. Образованная такими тетраэдрами структура является достаточно рыхлой и имеет полости.
Жидкая вода уникальна по своей способности образовывать трехмерные структуры, так как она является полимером единственной молекулы, способной участвовать в четырех водородных связях, исходящих от одного атома (в двух связях атом кислорода — донор протона, а в двух — акцептор). Близкие по своему строению к воде гидриды типа NH3 и HF могут образовывать только две водородные связи (одну — как доноры протона, другую — как акцепторы).
Как правило, лишь равное число донорных и акцепторных связей обеспечивает энергетическую стабильность жидкости. Ассоциация молекул жидкой воды приводит к увеличению ее дипольного момента от 1,84 (пар) до 2,4 (жидкость).Из многочисленных теорий строения жидкой воды с экспериментальными данными лучше всех согласуется теория Pople (1951), модифицированная Sceats, Stavola, Rice (1979). Согласно предложенной ими модели, вода представляет собой непрерывный полимер, в котором молекула Н2О объединена в цепь за счет образуемых ею водородных связей. Эти связи соединяют все молекулы в объеме жидкости, которая вследствие этого может рассматриваться как одна большая молекула. Такое предположение не противоречит всем физическим свой-
ствам воды в отличие от других теорий строения воды типа «распадающих кластеров», «айсбергов», «мономерных включений» и других, отрицающих непрерывное строение всего объема жидкости. /
Известны агенты, нарушающие структуру воды. К ним относятся мочевина, гуанидины и неорганические Ионы, которые широко используются для изменения конформаций ферментов и других макромолекул в воде. При этом некоторые ферменты инактивируются, тогда как другие активируются.
О структурах и свойствах жидкой воды [см. Stillinger, 1980; Franks, 1972—82].
3.2.