Вечный sapiens

…Тут необходимо дать читателю некоторое пояснение. Молекула воды напоминает тетраэдр. Старые люди типа меня помнят советские «треугольные» пакеты с молоком – они как раз и были тетраэдрическими. Натужились? Представили? Каждый угол такого «пакета» – электромагнитный заряд, который готов притянуть заряд другого знака. «Пакет» имеет два плюсовых «контакта» и два минусовых. Через эти «контакты» одна молекула воды может притянуться к другой – торчащим плюсиком к минусику другой молекулы. Но связь эта крайне неустойчивая! Десять в минус двенадцатой секунды может висеть одна молекула на другой, а дальше их вновь растаскивает тепловое движение. Это всем было давно известно и потому никто никогда не вел речь о том, что в воде могут существовать некие стабильные структуры. Действительно, о какой стабильности может идти речь, если две молекулы могут состыковаться только на 10^-12 секунды, а дальше снова уйти в бесконечное броуновское мельтешение?

Представьте теперь себе пару молекул воды, которые соединились связью – плюсик с минусиком. Два тетраэдрических пакета молока вы как бы соединили вершинками. Сколько осталось свободных вершинок? Восемь минус две занятых – шесть. К каждой из которых может подсоединиться еще по молекуле. Нет-нет, я помню, что это соединение весьма короткоживущее, мне главное, чтобы вы поняли принцип: у каждого «пакета» два плюсика и два минусика на углах. Которыми они могут цепляться к другим пакетам.

Итак, две молекулы могут организовать на какой-то миг димер, а три – тример. Только тример будет существовать еще меньшее количество времени, чем димер, что понятно: если у нас образовалась сцепленная пара молекул, которая вместе существует 10^-12 секунды, нужно, чтобы за этот крохотный промежуток времени, пока они не распались, к ним прицепилась третья молекула и какой-то краткий миг они существовали вместе, прежде чем разлететься.

Но молекул в стакане миллиарды миллиардов. В океане – побольше. Им тесно, и они постоянно «трутся», на краткий миг образовывая друг с другом димеры, тримеры и даже более длинные цепочки и «комки». Так?

Вроде так. Вечный хаос без всяких устойчивых структур. Но…

За счет того, что угол Н-О-Н в молекуле воды составляет 104,5 градуса, чисто геометрически могут образоваться пятичленные циклы. Комплекс из 17 молекул, например, образует шесть таких циклов, что открывает дорогу к дальнейшей стабилизации. Как? Следите за мыслью.

Разумеется, конгломерат аж из семнадцати молекул жить будет совсем недолго, но его образование весьма вероятно. Вы только представьте себе водный массив из триллионов тетраэдрических «молочных пакетов», которые контактируют друг с другом вершинками. В этом массиве всегда будет огромное число димеров, поменьше тримеров, еще поменьше «многомеров» и некоторое число вышеупомянутых тетраэдров. А что это значит?

Это значит, что чисто геометрически у получившегося конгломерата молекул появляется единая плоскость с шестью свободными водородными связями. Которые могут сцепиться с аналогичной плоскостью другого подобного конгломерата.

– Становится возможным одновременное участие шести водородных связей! – радуется Зенин. – И тут незнание химической кинетики сыграло с физиками злую шутку. Физики всю жизнь говорили, что больше, чем 6–8 молекул воды, сцепиться между – не могут: слишком мала вероятность для короткоживущих водородных связей… Но есть такое понятие – константа димеризации, которая характеризует соединение одной молекулы воды с другими. Концентрация димеров делится на произведение концентрации мономеров. Эта константа равна 10 л/моль. Если спросить людей, не знакомых с химической кинетикой: вот в одной плоскости оказалось шесть связей, константа каждой из них равна 10. А константа шести связей чему равна? В лучшем случае скажут, что 60. А их надо перемножать! И тогда получится 10⁶. Миллион! На шесть порядков увеличивается время жизни! Тут как в бизнесе – с червонца дело не начнешь, а с миллиона уже можно.

…Еще раз повторю читателю – здесь срабатывает чистая геометрия. Из-за характерного угла Н-О-Н молекулы могут образовывать такие короткоживущие объемные фигуры, в которых водородные связи лежат в одной плоскости. А реагирование фигур плоскостями сразу с шестью сцепками на порядки увеличивает время жизни ассоциатов.

– А дальше между собой начинают соединяться уже тетраэдрические додекаэдры. Их геометрия такова, что в одной плоскости получаются уже три по шесть связей. А это дает нам 10¹⁸. И это число на шесть порядков превышает обычное время жизни водородной связи, равное, как вы помните, 10^-12с. Мы проскочили хаос и застабилизировались! Расчеты показывают, что минимальный стабильный кристаллик воды состоит из 912 молекул и геометрически напоминает ромбический куб с углом в 60 градусов. Длина ребра этого кристаллика 29 ангстрем. И 99,6 % воды состоит из таких образований.