30.07.2013 14:00

Ученые раскрыли еще одну тайну воды

Группа европейских физиков-теоретиков кардинальным образом пересмотрела гипотезу российского физика Теодора фон Гротгуса, объясняющую аномальную электропроводность воды. Гротгус считал, что это происходит из-за постоянных перескоков протона от одной молекулы к другой по водородным связям. Но оказалось, что на самом деле все гораздо сложнее…

Фото:

Как известно, самый распространенный растворитель на нашей планете, то есть обычная вода, обладает рядом свойств, которые в принципе считаются аномальными для вещества в жидком состоянии. Например, вода имеет очень высокую электропроводность, хотя у жидкостей по идее таковой быть не должно — это же не кристаллическая решетка с "обобщенными" электронами. Тем не менее даже химически чистая вода достаточно хорошо проводит электрический ток — куда лучше, чем многие металлы.

Причину этого аномального поведения пытались объяснить многие ученые. Сейчас наиболее правдоподобной считается теория, предложенная еще в 1806 году физиком Теодором фон Гротгусом (он был остзейским немцем по происхождению). Согласно ей, все происходит оттого что в воде имеется так называемая водородная связь. В результате ядра атомов водорода, или, если говорить проще, протоны, постоянно перемещаются от одной молекулы к другой (как свободные электроны в кристаллической решетке металлов). Такая передача протона по цепочке связанных водородными связями молекул воды проходит в несколько стадий и представляет собой некий "эстафетный" механизм. Ну, а скорость подобной "эстафеты" зависит от таковой поляризации молекул растворителя, то есть воды.

Эта гипотеза, которую позже по фамилии предложившего ее ученого назвали "механизмом Гротгуса", рисовала следующую картину — некий протон стыкуется с молекулой воды и тем самым вынуждает один из ее собственных ионов водорода отправиться в подобное путешествие. Ну, а тот, в свою очередь, скользя по водородной связи, натыкается на следующую молекулу и вытесняет уже протон оттуда. Таким образом и происходит та самая "эстафета", о которой было упомянуто выше.

Долгое время данный механизм считался исключительно теоретической моделью, однако в 2005 году немецким ученым удалось экспериментально зафиксировать стадии процесса "перескока" протонов в водной среде. После этого механизм Гротгуса стали изучать куда более глубоко. И вот недавно группа европейских физиков-теоретиков во главе с Али Хассанали из Швейцарского технологического института в Цюрихе установила, что Теодор фон Гротгус на самом деле несколько заблуждался насчет "протонной эстафеты". Точнее, он слегка упрощал механизм передачи иона водорода от молекулы к молекуле, который на самом деле гораздо сложнее.

Ученые, используя все экспериментальные данные, полученные при изучении механизма Гротгуса, построили компьютерную модель данного процесса. В результате выяснилось, что сама передача протона от молекулы к молекуле происходит значительно быстрее, чем считалось. Более того, "эстафета" не является непрерывной — после того, как молекула воды столкнулась с чужим протоном, она некоторое время как бы "отдыхает", находясь при этом в достаточно странном для нее состоянии — фактически она представляет собой в данный момент конгломерат, формула которого может быть записана как Н₃О.

Почему же происходит этот перерыв, в результате которого протон некоторое время "висит" на чужой молекуле, не вытесняя при этом своего "конкурента"? Проанализировав результаты моделирования, исследователи пришли к выводу, что процесс перемещения наступает только после того, как эта странная трехпротонная молекула достигнет благоприятного энергетического уровня. Именно тогда и осуществляется тот самый "перескок" иона водорода на другую молекулу, которая, приняв его, тоже некоторое время пребывает в состоянии Н₃О.

Более того, ученые выяснили, что на самом деле водородные связи между молекулами скорее похожи на конгломерат замкнутых колец, а не на прямые цепочки, как это предполагал все тот же Теодор фон Гротгус. В итоге ничто не мешает образованию своеобразных протонных цепей, благодаря которым становятся возможными описанные выше затяжные протонные "прыжки" сразу через множество водородных связей. То есть на самом деле ион водорода может передаваться от молекулы к молекуле не по прямой, а как бы в обход. Данное свойство и позволяет молекулам время от времени "отдыхать", неся на себе при этом лишний протон.

Как считают авторы работы, их исследование, пролившее свет на истинный механизм передачи протонов в воде, не только поможет лучше понять процессы, происходящие в воде и похожих на нее растворителях, но раскроет многие загадки функционирования биологических макромолекул, в том числе и ферментов. Ведь там тоже достаточно часто наблюдается аналогичный "перескок" протона по системе водородных связей, который может запускать многие важные для живой клетки процессы…