Wissenschaftler der Universität Tokio haben die Struktur von Wasser als Flüssigkeit eingehend untersucht und festgestellt, dass seine Eigenschaften vom Verhältnis zweier Phasenzustände abhängen.
Jeder weiß, dass sich die Eigenschaften von Wasser von den meisten Flüssigkeiten unterscheiden: Es dehnt sich aus, wenn es gefriert (daher ist Eis leichter), wenn es sich zusammenzieht, nimmt seine Viskosität ab und so weiter. Diese scheinbar anomalen Eigenschaften werden uns in der Schule durch das Vorhandensein von Wasserstoffbrücken zwischen Molekülen erklärt. Die Details sind jedoch noch wenig verstanden, obwohl das Thema sowohl für die Chemie als auch für die Physik äußerst wichtig ist. Die spezifischen Eigenschaften von Wasser werden auch in der Medizin und in technischen Disziplinen verwendet.
Das Institut für Industriewissenschaften der Universität Tokio konnte das Phänomen der Wasserstruktur besser verstehen.
Wasser in flüssigem Zustand bildet lokal tetraedrische Strukturen, die mit Hilfe von Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden - das ist seit langem bekannt. Japanische Wissenschaftler haben festgestellt, dass Wasser nicht nur "ungeordnetes Wasser" ist, in dem "Partikel" von "tetraedrischem Wasser" schwimmen: Das System hat ein Zustandsdiagramm ähnlich wie feste Phasen.
Es wurde ein Modell entwickelt, das flüssiges Wasser als ein aus zwei Phasen bestehendes System betrachtet. Der erste ist ein ungeordneter Zustand mit hoher Rotationssymmetrie. Einfach ausgedrückt ist dies das Fehlen eines bestimmten Musters in den "Richtungen" der Moleküle in einer Flüssigkeit. Die zweite Phase ist nicht nur tetraedrisch geordnet, sondern auch thermodynamisch in einem Nichtgleichgewichtszustand. Die Wechselwirkung dieser Zustände wird durch den Lambda-Parameter (λ) beschrieben, dessen physikalische Bedeutung eine Bewertung der relativen Stärke intermolekularer Wechselwirkungen eines Paares und einer dreifachen Natur ist. Das ist das Übliche zwischen zwei freien Molekülen und zwischen den Molekülen, die eine tetraedrische Struktur bilden. Dementsprechend zeigt eine Erhöhung des Parameters λ eine Erhöhung der Ordnung des Systems an.
Dieses Modell sieht einfach aus, sagt aber das abnormale Verhalten von Wasser als Flüssigkeit gut voraus.
Einer der Leiter der Studie, John Russo, erklärt: "… Mit zunehmendem λ werden die tetraedrischen Schalen, die sich um jedes Molekül bilden, energetisch stabiler." Dies kompensiert den Energieverbrauch für die Bestellung der gesamten Struktur. Wissenschaftler, die λ ändern, haben Phasenzustandsdiagramme modelliert, deren Struktur ziemlich unerwartet sein kann. Die Abbildung links zeigt also die Struktur von Wasser vom Typ Si34 - es entsteht unter Unterdruck. Darüber hinaus ist seine Struktur Clathrat, das heißt, es ist tatsächlich eine Einschlussverbindung: Einige der Wassermoleküle befinden sich in den Hohlräumen der Struktur, die von seinen anderen Molekülen gebildet wird.
Bild der Struktur von Wasser im Phasenzustand Si34 (links) und des Phasendiagramms in Koordinaten λ / Druck (rechts) / Institut für Industriewissenschaften, Universität Tokio.
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Die offenbarte Abhängigkeit ist nicht linear, der maximale Effekt auf die Eigenschaften von Wasser tritt bei λ = 23,15 auf.
Hajime Tanaka, einer der Projektleiter, wies auf die wichtige Rolle der Forschung in der physikalischen Chemie hin.
Das Verhältnis von makroskopischen Parametern wie Viskosität zu mikroskopischen Strukturen, die unter Verwendung eines relativ einfachen Modells hergestellt wurden, ist in der Tat eine wichtige Errungenschaft. Aus praktischer Sicht sollte das Verständnis der Struktur von Wasser die Entwicklung effizienter Feinfilter unterstützen.
Anton Bugaychuk
