БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 5, с. 837-844

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 539.2

ПОЛОЖЕНИЕ ДЕЛ В ПОНИМАНИИ СВОЙСТВ ЖИДКОЙ ВОДЫ:

ВОЗМОЖНАЯ АЛЬТЕРНАТИВА

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН,

119991, Москва, ул. Вавилова, 38

E-mail: aavol@bk.ru

Поступила в редакцию 30.11.2019 г.

После доработки 17.03.2021 г.

Принята к публикации 15.04.2021 г.

На основе литературных данных анализируется состояние дел в понимании свойств жидкой воды.

Отмечается несоответствие затраченных усилий и достигнутых результатов, отсутствие модели, об-

ладающей общностью, и неопределенность перспектив. Для выхода из кризиса предлагается газо-

твердотельная модель Френкеля, дополненная протонным обменом, радикально отличающаяся от

существующих взаимопревращением молекул и ионов. Демонстрируется пример единообразного и

последовательного описания моделью важнейших параметров жидкой воды - диэлектрической

проницаемости, энтальпии испарения, коэффициента самодиффузии, вязкости и теплопроводно-

сти.

Ключевые слова: вода, водородные связи, протонный обмен, спектр поглощения, pH.

DOI: 10.31857/S000630292105001X

Вода является базовым веществом в биологии.

дами растет [10]. В работах последних лет выска-

На ее основе формируются жизненно важные во-

зывается догадка, что базовая парадигма воды вы-

донаполненные среды, свойства которых интен-

строена неправильно, потому и дела «идут криво»

сивно исследуются [1-3]. По собственным свой-

[11].

ствам вода обычно рассматривается как ней-

тральный буфер [4]. Пренебрежение химической

О СЕТКЕ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ

активностью воды в биологических средах нахо-

дится в явном противоречии с признанным по-

Около ста авторов от водного сообщества в те-

стулатом, что без воды жизни нет [5]. При том что

матическом сборнике «Water - The Most Anoma-

важность воды не оспаривается, не существует

lous Liquid» оценили современное состояние дел,

обоснования этого убеждения на молекулярном

провели инвентаризацию существующих знаний

уровне [6].

и пришли к выводу, что центральным из нере-

шенных является вопрос о водородных связях:

По мере привлечения все новых эксперимен-

«Какова структура и динамика сетки водородных

тальных и расчетных методов проблема понима-

связей в воде, ответственной за уникальные свой-

ния свойств воды не снимается, количество неяс-

ства? Этот вопрос дискутируется более 100 лет и

ных и спорных вопросов непрерывно растет:

все еще не решен» [8]. По современным представ-

«Чем больше смотрим, тем больше проблем; но-

лениям, все богатство свойств воды обязано ди-

вые методы, проникая все глубже в молекуляр-

намическим процессам в структуре водородных

ную архитектуру воды, подбрасывают все новые

связей - их непрекращающимся разрывам и вос-

головоломки» [5]. Стало привычным, что предла-

становлениям

[12-14]. Проблема понимания

гаемые модели общих выводов не дают. Они все-

свойств воды таким образом сводится к понима-

гда специфичны и объясняют связанные с водой

нию свойств сетки водородных связей.

явления «по месту»: «подобно слепым со слоном,

разные модели описывают разные аспекты пове-

Идея о сетке водородных связей для воды была

дения воды» [7].

высказана в 1933 г. Дж. Берналом и Р. Фаулером:

«Чистая вода, за исключением небольшой есте-

В современном описании воды противоречий

ственной ионизации, состоит из молекул H₂О.

так много, что они составляют норму, а сама вода

как жидкость считается аномальной [8, 9]. Непо-

Нет оснований полагать, что эти молекулы, отли-

нятности коллекционируются, и коллекция с го-

чаются от молекул H₂O в паре. При 100°C одна

837

838

ВАСИН, ВОЛКОВ

связь из четырех будет разорвана, а при 250°C -

половина связей» [15]. Это представление неиз-

менно по сей день, на нем базируются все совре-

менные исследования [16, 17]. Находящиеся в

сетке водородных связей молекулы «непрерывно

меняют своих соседей, среднее время жизни во-

дородной связи составляет несколько пикосе-

кунд» [18]. В принятой картине вода бурлит с об-

разованием молекулярных сгустков, пустот, кла-

стеров, ламелей, цепочек, дырок и т.п. (см.,

например, рис. 1 в работе [19]). Молекулы пово-

рачиваются и перемещаются при случайно воз-

никающих удобных условиях. Картина выглядит

сверхсложной, для ее описания часто исходят из

«разумных соображений». Предложено несмет-

ное количество моделей, но ни одна не стала об-

Рис. 1. Ион-молекулярная газотвердотельная мо-

щеупотребимой. Много ссылок по теме приведе-

дель жидкой воды. Пустые кружки - нейтральные

но в работе [20].

дипольные молекулы Н₂О, кружки с плюсами и ми-

нусами - ионы Н₃О⁺ и ОН^-. Для простоты и нагляд-

Проблему мы видим в том, что водородная

ности протоны не показаны; концентрация ионов

связь как важный атрибут воды и центральный

увеличена вдвое. Наслоение кружков в центре ри-

сунка символизирует трехмерность среды.

объект исследований не имеет четкого определе-

ния: «Нет возможности прямого физического на-

блюдения водородных связей и есть произвол в ин-

водородных связей не используется [33]. Отка-

терпретации того, что фактически измеряется»

заться от водородных связей позволяет тот факт,

[21]. Только в общем понятно, что «водородная

что они устанавливаются на очень короткие (пи-

связь» случается при расположении атома водоро-

косекундные) времена [34]. В этих условиях взаи-

да между двумя атомами кислорода: «Когда это

модействия молекул можно представить как

происходит, говорят, что образовалась водородная

столкновения. Жидкая вода выглядит тогда плот-

связь» [22]. Уточнения сразу же требуют догово-

ным газом частиц, находящихся в тепловом

ренностей [12]. Критериев множество - геометри-

столкновительном движении, при котором каж-

ческих, энергетических, смешанных. По воле ис-

дая частица диффундирует и одновременно ко-

следователей водородные связи могут быть длин-

леблется в клетке из окружающих ее соседей. До-

ными и короткими, сильными и слабыми,

полнительно мы отказались от постулата о неде-

прямыми и изогнутыми, натянутыми и провисши-

лимости молекул Н₂О и ввели в модель условие,

ми, целыми и разорванными, подлинными и слу-

что при столкновениях между частицами проис-

чайными, относящимися к первой, второй и т.д.

ходит протонный обмен [35, 36], в результате ко-

координационным сферам, непрерывно существу-

торого молекулы и ионы взаимопревращаются.

ющими и мерцающими, долго- и короткоживущи-

ми. Произвол в выборе начальных условий ведет к

разбросу результатов [23]. Еще в 70-х годах про-

ПРЕДЛАГАЕМАЯ МОДЕЛЬ

шлого века высказывалось предостережение, что

описание свойств воды количеством разорванных

В литературе обращает на себя внимание серия

водородных связей нельзя считать подходящим

работ 60-х годов прошлого века по квазиупругому

параметром [24]. И 40 лет спустя сомнения оста-

рассеянию нейтронов в жидкой воде [37, 38]. Мас-

лись: «Нет согласия в том, как должна быть опре-

штаб этих исследований на общем фоне мал, но

делена структура и как должна быть измерена или

они важны для нас подходом к интерпретации экс-

рассчитана сетка водородных связей» [25].

периментальных данных. Авторами использова-

Суммируя, заключаем, что концепция сетки

лась газотвердотельная модель Френкеля, в рамках

водородных связей противоречива, и соглашаем-

которой молекулы в воде движутся в режиме «пры-

ся с тем, что ее следует пересмотреть [26]. По всем

жок-ожидание» с коэффициентом диффузии при

признакам решение проблемы лежит на базовом

комнатной температуре D ~ 10^-9 м²/с и временем

уровне [11]. Для выработки правильного понима-

пребывания в локализованном колебательном со-

ния требуется новый нестандартный подход [27].

стоянии t₀ ~ 3 пс. Была сделана попытка согласо-

В рамках существующих представлений задача

вать модель с представлением о вращении молекул

выглядит неподъемной [28, 29].

в сетке водородных связей, но успехом она не

В работах [30-32] мы опробовали обход суще-

увенчалась, а именно, выделить ожидавшуюся вра-

ствующих трудностей, обратившись к газотвер-

щательную составляющую движения не удалось

дотельной модели Френкеля, в которой понятие

[37]. Этим мы объясняем факт, что отмеченные ис-

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

ПОЛОЖЕНИЕ ДЕЛ В ПОНИМАНИИ СВОЙСТВ ЖИДКОЙ ВОДЫ

839

следования забыты и в современных публикациях

Тепловая динамика модельной среды. Частицы

практически не цитируются. Однако именно это

находятся в тепловом столкновительном движе-

полузабытое представление о диффузно-колеба-

нии. При комнатной температуре средняя ско-

тельном движении молекул позволяет отказаться

рость молекул составляет 640 м/с и время пролета

от использования для жидкой воды понятия сетки

зазора - 0.1 пс. При столкновениях лишние про-

водородных связей.

тоны и дырки могут переходить с кислорода на

кислород, «менять хозяина». Межкислородный

В работах [30-32] с целью описания панорам-

переход протонов есть фундаментально прису-

ных диэлектрических спектров жидкой воды мы

щий жидкой воде протонный обмен [35, 36]. Его

сформулировали постулаты, которые высветили

следствием в нашей модели является то, что ней-

картину отвечающей им среды. Эта молекулярная

тральные молекулы и ионы с определенным тем-

среда с диэлектрическими свойствами жидкой

пом взаимопревращаются: каждая молекула (пу-

воды представлена на рис. 1. В последующих ра-

стой кружок на рис.1) становится ионом (круж-

ботах мы исследовали ее за пределами электроди-

ком с «+» или «-»), а каждый ион - молекулой.

намики для описания тепловых и транспортных

Процесс ион-молекулярных взаимопревращений

свойств воды [39, 40].

определяет времена жизни молекул и ионов. В

Описание модельной среды. Среда состоит из

среде с указанными выше параметрами они со-

атомов кислорода с закрепленными на них про-

ставляют нано- и пикосекунды. При фиксиро-

тонами в количестве одного, двух и/или трех (на

ванной температуре поддерживается ион-

рисунке не показаны). Полыми кружками пред-

молекулярный концентрационно-временной ба-

ставлены молекулы Н₂О, а кружками со значками

ланс [32]:

«+» и «-» - ионы Н₃О⁺ и ОН^-(молекулы с нечет-

(1)

Nw^/τw = Ni^/τi^,

ным числом протонов, с лишним и/или недоста-

где N и τ с индексами w и i - концентрации и вре-

ющим протоном по отношению к нейтральной

мена жизни соответственно молекул и ионов.

молекуле Н₂О). Кружки диаметром d = 2.8 Å раз-

Лишний протон или дырка на молекуле воды

делены зазором в четверть диаметра, δ = 0.7 Å, что

придает частице заряд, который благодаря соуда-

соответствует реальному расположению молекул

рениям и протонному обмену случайно блуждает

в жидкой воде [24]. На мгновенном снимке всегда

в объеме, совершает диффузионное движение. В

есть группы поляризованных молекул, центриро-

физике ионных проводников, где изучается такое

ванных ионами (ионы в гидратной оболочке, по-

движение, частица в зависимости от того, дви-

казаны в углах рис. 1). Совокупность гидратиро-

жется она неэкранированной или экранирован-

ванных ионов представляет собой надмолекуляр-

ной, называется голой или одетой [41]. В одетом

ную структуру, имеющую собственную степень

режиме резко увеличивается эффективная масса

свободы движения. Для сравнения заметим, что в

частицы и падает ее подвижность. При электро-

традиционной картине воды кружки зарядов «+»

магнитном зондировании голые и одетые части-

и «-» не имеют (считается, что их пренебрежимо

цы дают отклик на разных участках спектра. Со-

мало), и они связаны палочками водородных свя-

ответственно при спектральных измерениях на

зей, исходящими из каждого кружка в количестве

разных участках спектра зондируются разные ча-

от нуля до четырех.

стицы - с одинаковым зарядом q, но разными эф-

Когезия модельной среды. Изображенная на

фективной массой m и подвижностью μ.

рис. 1 среда состоит из нейтральных дипольных

Электродинамика модельной среды. Избран-

частиц массой m = 3 ∙ 10-26 кг с дипольным мо-

ный нами френкелевский подход предполагает

ментом p = 1.84 Д и ионов с зарядом величиной

для частиц диффузно-колебательный режим дви-

q = 1.6 ⋅ 10^-19 Кл. Частицы удерживаются силами

жения, а именно: на коротких временах - колеба-

ион-ионного, диполь-ионного и слабого диполь-

ния частицы внутри клетки из ближайших сосе-

дипольного взаимодействий. Нейтральные моле-

дей (со смещением, меньшим межатомного рас-

кулы притягиваются к ионам диполь-ионным

стояния), а на длинных временах - перемещение

притяжением, а ионы разного знака друг к

частицы на расстояния, большие межатомного.

другу - ион-ионным притяжением. Из сказанно-

Поскольку молекулы помечены зарядами «+» или

го следует, что связующим фактором молекул яв-

«-», их перемещения активны в спектрах элек-

ляется кулоновское поле лишних протонов и

тромагнитного поглощения. Вид этого спектра, в

протонных дырок, броуновским способом блуж-

силу электромагнитной природы вещества, на-

дающих по молекулам Н₂О. Характер связи - ди-

прямую отражает молекулярное строение зонди-

намический. В силу обобществленности прото-

руемой среды.

нов она сродни металлической - с обобществлен-

Движение частиц в среде реализуется поста-

ными электронами. И только на временах,

дийно. Самый быстрый процесс - межкислород-

меньших пикосекунд, связь можно считать на-

ный перескок протона, происходящий при

правленной (водородной или ковалентной).

столкновении иона и молекулы. Он происходит

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

840

ВАСИН, ВОЛКОВ

за времена порядка долей пикосекунды и наблю-

множиться [43]. В нашей газотвердотельной мо-

дается в спектре поглощения в виде широкого

дели Δε_D отражает пространственную ограничен-

пика на частотах ~ 10¹³ Гц. За перескоком протона

ность движения гидратированного иона внутри

следует на порядок более медленное перемеще-

ионного облака (стадия 2) [32]. В аналитическом

ние гидратной клетки (поляризационной конфи-

выражении она выглядит как температурная ги-

гурации окружающих молекул). Оно проявляется

пербола [44]:

в спектре поглощения в форме плоского плато на

Δε_D = (2N_i)^1/3q²/[12πε₀(1 + τ_s/τ_i)k_BT],

(3)

частотах 10¹² - 10⁹ Гц. За смещениями протона и

гидратной клетки с наибольшим запаздыванием

где τ_i - время жизни иона (из формулы (1)), τs -

следует перемещение ионного облака, первона-

время релаксации гидратной клетки, ε₀ - диэлек-

чально равновесно окружавшего выделенный

трическая проницаемость вакуума, k_B - констан-

ион. Последнее движение дважды экранирован-

та Больцмана, T - температура. Формула нагляд-

ного протона (или дырки) регистрируется на ча-

но демонстрирует отличие предлагаемого подхо-

стотах ниже 10⁷ Гц.

да от принятого: в ней отсутствует всегда

Жидкая вода, на которую ориентирована наша

присутствующий в других моделях источник по-

модель, имеет выразительный сверхвысокоча-

ляризации - дипольный момент отдельной моле-

стотный инфракрасный спектр поглощения, со-

кулы воды. В нашей модели поляризация среды

стоящий из нескольких мощных полос [32, 42].

определяется не упорядочением молекулярных

Согласно модели их интерпретация следующая:

диполей, а токами зарядов, их концентрацией и

пик в районе 5 ТГц есть колебания голого иона, а

подвижностью. Подвижность задается времена-

спадающие от него в сторону низких частот сту-

ми τ_i и τs, которые извлекаются из диэлектриче-

пеньки - диффузия иона, одетого сначала в гид-

ских спектров. Формула содержит единственный

ратную оболочку (до частот ~ 10⁹ Гц), а затем до-

свободный параметр N_i. Она удовлетворительно

полнительно в ионную оболочку (ниже ~ 10⁷ Гц).

передает величину и температурный ход диэлек-

Низкочастотная часть спектра в двойном лога-

трической проницаемости воды в широком ин-

рифмическом масштабе выглядит как сильно на-

тервале температур (будет графически представ-

клоненная вправо буква S с двумя полками -

лена ниже в пакете с тепловыми и транспортны-

нижней и верхней [31, 42]. Проводимость на пол-

ми параметрами воды).

ках передается формулой для проводимости сво-

На низких частотах, в области нижней сту-

бодных независимых частиц:

пеньки (при долгих временах однонаправленно-

σ_i = N_iqμ_i,

(2)

сти поля), перемещения всех частиц (голых и оде-

тых) усредняются. В пределе бесконечно боль-

где N_i - концентрация заряженных частиц, q -

ших времен (на нулевой частоте зондирования)

элементарный заряд и μ_i - подвижность частицы.

молекулярные диполи Н₂О, по нашей модели,

Индексы i = 2 и 3 относятся к гидратированному

постоянно пребывают в стягивающем кулонов-

иону и ему же, дополнительно одетому в ионную

ском поле однозарядного иона Н₃О⁺ или ОН^-.

шубу.

Тепловые и транспортные свойства среды. В ра-

Каждая ступенька дает вклад Δε_i в статическую

ботах [39, 40] нами было найдено, что помимо

диэлектрическую проницаемость ε(0). Последняя

электродинамических среда обладает еще рядом

является интегральной характеристикой динами-

параметров, совпадающих с присущими воде. На

ки и суммарно представляет всю палитру микро-

рис. 2 представлено сравнение в широком интер-

скопических движений, связанных с разделением

вале температур экспериментальных и рассчи-

зарядов. Наибольший вклад Δε_D (более 90%) ис-

танных по модели температурных зависимостей

ходит от ступеньки 2, от присущей воде так назы-

коэффициента самодиффузии D, вязкости η, эн-

ваемой дебаевской релаксации, производящей

тальпии испарения Н, диэлектрического вклада

широко известный сверхвысочастотный нагрев

дебаевской релаксации Δε и теплопроводности θ.

воды. Высокое значение Δε_D(74 при комнатной

Расчетные кривые ложатся на эксперименталь-

температуре) ведет к высокому значению всей

ные подбором единственного и общего для

статической проницаемости ε(0) = 80 и придает

всех кривых параметра - концентрации ионов

воде высокую растворяющую способность. И

N_i = 2.3 ⋅ 10²⁷ м^-3. Принципиально важно, что в

растворяющая способность, и сверхвысочастот-

формировании перечисленных свойств наравне с

ный нагрев воды таким образом происходят из

молекулами участвуют протоны, наделенные в

Δε_D и являются двумя сторонами одной медали.

нашей модели собственной (быстрой) степенью

Происхождение Δε_D обычно связывают с ди-

свободы. Количество параметров, охваченных

намикой дефектов сетки водородных связей. Мо-

единым описанием, беспрецедентно велико.

лекулярные модели на этом поле продолжают

Этим модель отвечает важнейшему требованию

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

ПОЛОЖЕНИЕ ДЕЛ В ПОНИМАНИИ СВОЙСТВ ЖИДКОЙ ВОДЫ

841

тода прямого измерения такой концентрации N_i

не существует. Величина N_i = 10^-7 моль/л приня-

та по соглашению на основе результатов косвен-

ных измерений, интерпретированных с исполь-

зованием целого набора предположений. Для

расчета концентрации N_i используют уже упомя-

нутую выше формулу (2) в предположении, что

ионов Н₃О⁺ и ОН^- мало и они друг с другом не

взаимодействуют [48, 49]. Собственную проводи-

мость воды принимают равной 5.5 · 10^-8 Ом^-1см^-1

(удельное сопротивление 18 МОм · м для чистой

воды при комнатной температуре), а величину μ

для ионов Н₃О⁺ и ОН^- получают путем проведе-

ния серии процедур с водными растворами элек-

тролитов [48, 49]. Сначала из перекрестного срав-

нения параметров ионного разделения в раство-

рах электролитов разного химического состава по

теории Аррениуса определяют подвижности ионов

электролита, а далее экстраполируют эти значения

на случай бесконечного разбавления, когда ионов

электролита в растворе не остается совсем, но про-

водимость не пропадает. Таким путем по остаточ-

ному принципу рассчитывают подвижности ионов

воды Н₃O⁺ и ОН^- (получают соответственно

349.8 и 198.5 См · cм² · моль^-1 при комнатной темпе-

ратуре) и, суммируя аддитивно по закону Кольрау-

ша (с результатом 548.3 См · cм²· моль^-1), из приве-

денной формулы (2) для проводимости получают

величину 10^-7 моль/л. Ее и принимают за концен-

трацию N_i собственных ионов воды и работают с

водой в предположении, что концентрация ионов

мала. Полученная описанным способом концен-

Рис. 2. Пример описания моделью коэффициентов

диффузии D, вязкости η, энтальпии испарения Н,

трация N_i = 10^-7 моль/л есть не эксперименталь-

диэлектрического вклада Δε_D и теплопроводности

ный факт, а лишь интерпретация кондуктометри-

жидкой воды [40]. Пунктирные черные кривые -

эксперимент [45], сплошные серые кривые - мо-

ческих экспериментов с водными растворами

дельный расчет с общим для всех кривых параметром

электролитов.

(концентрацией ионов) Ni = 2.3 ⋅ 10²⁷ м^-3.

В схеме не учитывается факт, что между иона-

ми Н₃О⁺, ОН^- и нейтральными молекулами Н₂О

последних лет - передавать свойства воды с мак-

происходит быстрый протонный обмен, отчего

симальной полнотой [46].

молекулы и ионы долго не живут. Проблему хоро-

шо понимали классики: «H₂О present in pure water

occurs in less than 10^-4 s» (с. 509 в работе [50]. В

ДИСКУССИЯ

свете современных знаний неучет протонного об-

Несмотря на успешность в описании свойств

мена неприемлем [51]. Уже и компьютерные си-

воды, модель встречает возражения. Главная ― за-

муляции, хотя и редко, предлагают сценарии ге-

предельно высокая, с точки зрения принятых

нерации в воде высокой концентрации коротко-

живущих ионов [36].

представлений, концентрация ионов Н₃О⁺ и ОН^-

Учет взаимодействий требует радикального

(«+» и «-» на рис. 1): «Модель требует концентра-

пересмотра принятой интерпретации спектра

ции ионов, на семь порядков превышающей реаль-

проводимости воды [30, 31]. Сто лет назад, когда

ную концентрацию [H₃O⁺] = 10^-7 моль/дм³, так что

освоенными для диэлектрических измерений бы-

выглядит неправдоподобной» [47] (курсив наш).

ли только отдельные участки спектра, рост про-

Корень конфликта - в словосочетании «реаль-

водимости в районе 10⁷ Гц назывался эффектом

ная концентрация». Обращаем внимание, что ме-

Дебая-Фалькенхагена, а сильное поглощение в

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

842

ВАСИН, ВОЛКОВ

районе 10⁹Гц - эффектом Дебая-Хюккеля [48].

цы μ₂. Частицам с большой эффективной массой

Нижнюю полку (проводимость «на постоянном

приписывается подвижность частиц с массой, на

токе», dc-проводимость, нашу σ₃) связали и до

семь порядков меньшей. Так определяемый рН

формируется из параметров частиц, откликаю-

сих пор связывают с перемещением протонов, а

щихся в диэлектрическом спектре на разных его

верхнюю (проводимость «на переменном токе»,

участках. В рамках нашей модели, таким образом,

ac-проводимость, нашу σ₂) - с переориентацией

рН отражает отношение скоростей диффузии

молекулярных диполей. Первая, по принятому

свободных и экранированных частиц (протонов и

соглашению, считается отражающей концентра-

протонных дырок). Тема рН подробно обсужда-

цию свободных протонов (рН = 7 при комнатной

ется нами в работе [53].

температуре), а вторая - концентрацию вращаю-

щихся диполей (дебаевская релаксация, сверхвы-

сокочастотный нагрев). Вплоть до настоящего

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

времени dc- и ac-проводимости изучаются как са-

По литературным данным проанализировано

мостоятельные явления, ничего общего друг с

положение дел в понимании свойств жидкой во-

другом не имеющие. Низкое значение dc-прово-

ды. Оно найдено неудовлетворительным из-за от-

димости принимается как свидетельство низкой

сутствия сколько-нибудь общей модели для опи-

концентрации N_iсвободных зарядов (протонов и

сания присущих воде свойств и отсутствия пер-

дырок).

спектив изменения ситуации. Предложен путь

выхода из кризиса с опорой на данные спектраль-

С позиций нашей модели принятая концен-

ных диэлектрических измерений и использова-

трация N_i относится не к свободным (голым)

ние для их описания газо-динамической модели

ионам, а к дважды экранированным, одетым

Френкеля. Схематично представлена предлагае-

гидратной и ионной оболочками. Мы исходим

мая модель и приведено свидетельство успешно-

из того, что истинная концентрация зарядов в

сти описания ею таких свойств воды, как ди-

среде («реальная концентрация») может быть

электрическая проницаемость, коэффициент са-

корректно определена только из измерений на

модиффузии, вязкость, теплопроводность и

высоких частотах, когда за время однонаправ-

энтальпия испарения.

ленного действия поля взаимодействие не успе-

вает включаться, т. е. когда заряженные частицы

являются голыми. На низких частотах, как уже

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

говорилось, они одеваются разными видами

Работа выполнена при финансовой поддержке

взаимодействий. В соответствии с этим мы ин-

Российского фонда фундаментальных исследова-

терпретируем малость величины dc-проводимо-

ний (грант № 19-02-00446).

сти воды не малостью концентрации N_i незави-

симых ионов, а, наоборот, высокой концентра-

цией N_i сильно взаимодействующих ионов,

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

имеющих низкую подвижность [30-32]. Кон-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

центрацию N_i свободных ионовв таких условиях

интересов.

представляет не нижняя полка спектра проводи-

мости, как принято, σ_dc = 5.5 ⋅ 10^-6 Ом^-1м^-1, а

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

верхняя, σ_ac = 79 Ом^-1м^-1, которая лежит на

Настоящая работа не содержит описания ис-

семь порядков выше. Из этого следует и на семь

следований с использованием людей и животных

порядков более высокая концентрация носите-

в качестве объектов.

лей тока.

Интерпретация спектра проводимости напря-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

мую связана с понятием водородного показателя

1. Ph. Ball, Proc. Natl. Acad. Sci USA 114, 13327 (2017).

pH. Считается, что он определяет концентрацию

DOI: 10.1073/pnas.1703781114

ионов водорода (pH есть «логарифм концентра-

2. V. C. Nibali and M. Havenith, J. Am. Chem. Soc. 136,

ции ионов водорода, взятый с обратным знаком»

12800 (2014). DOI: 10.1021/ja504441h

[52]). При кондуктометрическом определении рН

3. C. Messori, Open Access Library J. 6, e5435 (2019).

концентрацию N_i рассчитывают, как говорилось,

DOI: 10.4236/oalib.1105435

4. M. Gerstein and M. Levitt, Sci. Amer. 279, 101 (1998).

по формуле (2) делением значения dc-проводи-

DOI: 10.1038/scientificamerican1198-100

мости водного раствора на подвижность μ ионов

5. Ph. Ball, Chem. Rev.

108,

(2008). DOI:

гидроксония Н₃О⁺. В этой процедуре проводи-

10.1021/cr068037a

мость экранированной (одетой) частицы σ₃де-

6. S. L. Meadley and C. A. Angell, in Water and its rela-

лится на подвижность свободной (голой) части-

tives: The stable, supercooled and particularly the

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

ПОЛОЖЕНИЕ ДЕЛ В ПОНИМАНИИ СВОЙСТВ ЖИДКОЙ ВОДЫ

843

stretched regimes, Ed. by P. G. Debenedetti, M. A. Ric-

28. K. Amann-Winkel, R. Böhmer, F. Fujara, et al., Rev.

ci, and F. Bruni (Varenna, Italy, 2013), pp. 19-23.

Modern Phys. 88, 011002 (2016). DOI: 10.1103/Rev-

DOI: 10.3254/978-1-61499-507-4-19

ModPhys.88.011002

7. K. A. Dill, T. M. Truskett, V. Vlachy, and B. Hribar-

29. J. L. F. Abascal and C. Vega, J. Chem. Phys. 123,

Lee, Ann. Rev. Biophys. Biomol. Structure 34, 173

234505 (2005). DOI: 10.1063/1.2121687

(2005). DOI:

10.1146/annurev.biophys.

34.040204.

30. A. A. Volkov, V. G. Artemov, and A. V. Pronin, Eur.

144517

Phys. Lett. 106, 46004 (2014). DOI: 10.1209/0295-

8. L. G. M. Pettersson, R. H. Henchman, and A. Nilsson,

5075/106/46004

Chem. Rev. 116, 7459 (2016). DOI: 10.1021/acs.chem-

31. V. G. Artemov, A. A. Volkov, A. V. Pronin, and

rev.6b00363

A. A. Volkov, Biophysics

59,

520

(2014). DOI:

10.1134/S0006350914040022)

9. V. Raicu and Yu. Feldman. Dielectric Relaxation in Bio-

logical Systems: Physical Principles, Methods, and Appli-

32. A. A. Volkov, V. G. Artemov, A. A. Volkov Jr, and

cations (Oxford Scholarship, 2015). DOI: 10.1093/ac-

N. N. Sysoev, J. Mol. Liquids 248, 564 (2017). DOI:

prof:oso/9780199686513.001.0001

10.1016/j.molliq.2017.10.071

33. Я. И. Френкель, Кинетическая теория жидкостей

10. M. Chaplin, Water Structure and Science,

(Наука, М., 1975).

https://www1.lsbu.ac.uk/water/water_anomalies.ht-

ml.

34. J. D. Eaves, J. J. Loparo, C. J. Fecko, et al., Proc. Natl.

Acad. Sci USA

102,

13019

(2005).

DOI:

11. V. P. Sokhan, A. P. Jones, F. S. Cipcigan, et al., Proc.

10.1073/pnas.0505125102

Natl. Acad. Sci USA

112,

6341

(2015). DOI:

10.1073/pnas.1418982112

35. D. Marx, Chem. Phys. Chem. 7, 1849 (2006). DOI:

10.1002/cphc.200600128

12. M. J. Gillan, D. Alfè, and A. Michaelides, J. Chem.

36. P. L. Geissler, C. Dellago, D. Chandler, et al., Science

Phys. 144, 130901 (2016). DOI: 10.1063/1.4944633

291, 2121 (2001). DOI: 10.1126/science.1056991

13. F. N. Keutsch, R. S. Fellers, M. G. Brown, et al., J. Am.

37. K. S. Singwi and A. Sjolander, Phys. Rev. 119, 863

Chem. Soc.

123,

5938

(2001).

DOI:

(1960). DOI: 10.1103/PhysRev.119.863

10.1073/pnas.191266498

38. В. С. Оскотский, Физика твердого тела 5, 1082

14. B. Ruscic, J. Phys. Chem. A 117, 11940 (2013). DOI:

(1963).

10.1021/jp403197t

39. A. A. Volkov, A. A. Vasin, and A. A. Volkov Jr., Ferro-

15. J. D. Bernal and R. H. Fowler, J. Chem. Phys. 1, 515

electrics

561,

(2020).

DOI:

10.1080/

(1933). DOI: 10.1063/1.1749327

00150193.2020.1736915

16. N. A. Chumaevskii and M. N. Rodnikova, J. Mol. Liq-

40. A. A. Vasin and A. A. Volkov, Tech. Physics 65, 1411

uids

106,

167

(2003).

DOI:

10.1093/ac-

(2020). DOI: 10.1134/S1063784220090285

prof:oso/9780199686513.001.0001

41. М. Б. Саламон, Физика суперионных проводников

17. V. Petkov, Y. Ren, and M. Suchomel, J. Phys.: Cond.

(Зинатне, Рига, 1982).

Matter

24,

155102

(2012). DOI:

10.1088/0953-

42. А. А. Волков, А. А. Васин А. А. Волков (мл), Изв.

8984/24/15/155102

РАН, сер. физ. 84, 1241 (2020). DOI: 10.31857/

18. Г. Г. Маленков, Журн. структур. химии 47, 5 (2006).

S0367676520090392

19. J. C. Del Valle, C. Arago, M. I. Marques, and

43. I. Popov, P. B. Ishai, A. Khamzin, and Y. Feldman,

J. A. Gonzalo, Ferroelectrics 46, 166 (2014). DOI:

Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 13941 (2016). DOI:

10.1080/00150193.2014.895217

10.1039/C6CP02195F

20. R. H. Henchman, J. Phys.: Condens. Matter 28,

44. A. A. Volkov, A. A. Vasin, and A. A. Volkov Jr., Ferro-

384001

(2016).

DOI:

10.1088/0953-8984/28/

electrics

538,

(2019).

DOI:

38/384001

10.1080/00150193.2019.1569989

45. IAPWS-Releases, http://www.iapws.org/release.html.

21. M. V. Fernández-Serra and E. Artacho, Phys. Rev.

Lett. 96,

016404 (2006). DOI: 10.1103/PhysRev-

46. J. L. Aragones, L. G. MacDowell, and C. Vega, J. Phys.

Lett.96.016404

Chem. A 115, 5745 (2011). DOI: 10.1021/jp105975c

47. U. Kaatze, J. Mol. Liquids 259, 304 (2018). DOI:

22. P. G. Debenedetti, J. Phys.: Condens. Matter 15, 1669

10.1016/j.molliq.2018.03.038

(2003). DOI: 10.1088/0953-8984/15/45/R01

48. C. Глесстон, Введение в электрохимию (ИЛ, М.,

23. J.-J. Max and C. Chapados, J. Chem. Phys. 134,

1951).

164502 (2011). DOI: 10.1063/1.3581035

49. J. O’M. Bockris and A. K. N. Reddy, Modern Electro-

24. Д. Эйзенберг и В. Кауцман, Структура и свойства

chemistry (Kluwer Acad. Publ., NY, 2002).

воды (Гидрометеоиздат, Л., 1975).

50. M. Eigen and L. de Maeyer, Proc. Roy. Soc. Lond.

25. Y. Marcus, Ions in Water and Biophysical Implications

A247 (1251), 505 (1958). DOI: 10.1098/rspa.1958.0208

(Springer, 2012). DOI: 10.1007/978-94-007-4647-3

51. M. Chaplin, Science in Society 58, 41 (2013).

26. J. D. Eaves, J. J. Loparo, C. J. Fecko, et al., Proc. Natl.

52. Б. Б. Дамаскин, О. А. Петрий и Г. А. Цирлина,

Acad. Sci USA

102,

13019

(2005).

DOI:

Электрохимия (Химия, М., 2006).

10.1073/pnas.0505125102

53. V. G. Artemov, A. A. Volkov, N. N. Sysoev, and

27. C. H. Cho, S. Singh, and G. W. Robinson, J. Chem.

A. A. Volkov Jr, Doklady Physics 61, 1 (2016). DOI:

Phys. 107, 7979 (1997), DOI: 10.1063/1.475060

10.1134/S1028335816010043

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021