CC BY
99Структура, динамика и некоторые свойства воды
Г.Г. Маленков
Институт Физичекой химии и эдектрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
egor38@mail.ru
В докладе будут изложены мои субъективные азгляды на структуру и динамику жидкой воды. В воде существует непрерывная трехмерная сетка из молекул воды, соединенных водородными связями. Такой взгляд на воду был впервые высказан в известной статье Бернала и Фаулера [1]. Он был развит в работах Попла, Райса и Райса Ситса. Окончательно он утвердился в работах Юджина Стенли и его соавторов Жозе Тейшейры, Альфонса Гайгера и других, применивших к этой сетке теорию перколяции. Ссылки см. в моих обзорах [2,3]. Из результатов компьютерного моделирования методом молекулярной динамики следует, что эта сетка неоднородна. Молекулы, обладающие близкими значениями параметров, характеризующих их ближайшее окружение (объем многогранников Вороного, степень тетраэдричности) группируются друг с другом, образуя ветвящиеся кластеры [4,5,6]. Распределение времен жизни водородных связей очень широкое. Долгоживущие водородные связи также объединяются друг с другом, образуя кластеры [7]. Такая динамическая неоднородность является одним из проявлений коллектвного движения молекул. Если связи, времена жизни которых больше времени tp, образуют бесконечный кластер, то tp является порогом перколяции. Величины tp при разных температурах близки к среднему времени жизни водородной связи [8] (с учетом динамического критерия водородной связи [9, 10]). Структурная неоднородность проявляющаяся в ноднородности локальной плотности свойствена не только воде, но и простым жидкостям типа благородных газов [11]. Проявлением динамической неоднородности воды и жидкого аргона и коллективных движений в них является обнаружение в их компьютерных моделях мезоскопических областей, в которых большинство частиц движется прибизительно в одном направлении [12]. В компьютерных моделях воды при комнатной температуре примерно половина молекул образует четыре водородных связи - две донорые и две акцепторные. Около 10% молекул участвуют в бифуркатных связях [2,3].
[1] Bernal J D and Fowler R H 1933 J. Chem. Phys. 1 515
[2] Г.Г.Маленков. Структура и динамика жидкой воды. Журн. структ. химии. 2006, т.47, Приложение, с.Б5-Б35.
[3[ G. Malenkov. Liquid water and ices: understanding the structure and physical properties. Topical Review. Journal of Physics. Condensed Matter 2009, V.21, No 28, 283101
[4] G. G. Malenkov. Structural and dynamical heterogeneity of stable and metastable water. Physica A, 2002, v.14, No 1-4, pp.477-484.
[5] G.G.Malenkov, D.L.Tytik, E.A.Zheligovskaya. Structural and dynamic heterogeneity of computer simulated water: ordinary, supercooled, stretched and compressed. J.Molec.Liquids, 2003, v.106, N2-3, pp.179-198.
[6] Г.Г.Маленков. Количественные характеристики неоднородности структуры воды. Журн. структ. химии. 2007, т.48, № 4, с.772-777.
[7] В.П.Волошин, Г.Г.Маленков, Ю.И.Наберухин. Выявление коллективных эффектов в компьютерных моделях воды. Журн. структ. химии. 2007, т.48, № 6, стр. 1133-1138
[8] Г.Г.Маленков, Ю.И.Наберухин, В.П.Волошин. Коллективные эффекты в движении молекул в жидкостях. Журнал физической химии, 2012, том 86, № 9, стр. 1485-1492.
[9] Г.Г.Маленков, М.М.Франк-Каменецкий, А.Г.Гривцов. Динамический критерий водородной связи в моделируемой на ЭВМ воде. Журнал структурной химии., т. 28, No2, стр.8185, 1987.
[10] Г.Г.Маленков, Д.Л.Тытик. Динамический критерий водородной связи для анализа структуры водных кластеров. Известия АН, серия физическая, 2000, т.64, N8, стр. 14691474
[11] Г.Г.Маленков. Аргон и вода. Журнал структурной химии, 2013, том 54, Приложение 2, стр. S258-S266.
[12] A.V.Anikeenko, G.G. Malenkov, Yu.I.Naberukhin. Visualization of the collective vortex-like motions in liquid argon and water: Molecular dynamics simulation. The Journal of Chemical Physics 2018, Vol. 148, 094508-094518.
