Структура и свойства льда

Благодаря различной способности ионов гидратироваться, изменять водную структуру, влиять на диэлектрическую постоянную водной среды и толщину двойного электрического слоя около коллоидов, они сильно воздействуют на суспендированные и другие растворенные вещества в среде. Поэтому, например, конформация белков и стабильность коллоидов сильно зависят от вида и количества присутствующих ионов.

Взаимодействие воды с нейтральными группами, обладающими способностью образовывать водородные связи. Водородные связи вода − растворенное вещество являются более слабыми, чем при вода − ион взаимодействиях. Тем не менее, вода, связанная посредством водородных связей с растворенным веществом, может быть классифицирована как "органически связанная" или "близлежащая" и должна проявлять пониженную подвижность по сравнению с водой в массе раствора (водной фазы).

Можно ожидать, что вещества, способные к образованию водородных связей, не повышают или, по крайней мере, не разрушают нормальную структуру чистой воды. Однако в ряде случаев отмечается ориентация водородных связей, отличная от нормальной воды.

Водородные связи воды образуются с различными группами (гидроксил-, амино-, карбонил-, амид- или имино-). Например, вода образует водородные связи с двумя видами функциональных групп белков. Эти связи могут быть как в одной макромолекуле между различными группами, так и между разными макромолекулами:

Взаимодействие вода − неполярное вещество. В системе вода − неполярное вещество важны два аспекта структурных образований: образование клатратных гидратов и гидрофобные взаимодействия в белках.

Клатратные гидраты являются соединениями включения, то есть это соединения, имеющие молекулу-"хозяина", образующуюся за счет водородных связей, и молекулу-"гостя". Образования такого типа имеют место в биологических материалах.

«Гости» в клатратных гидратах являются низкомолекулярными соединениями, а «хозяин» представляет собой «сетку» из 20 − 74 водных молекул.

Типичные "гости" − это низкомолекулярные углеводороды, галогенуглеводороды, диоксид углерода, этиленоксид, этиловый спирт, короткоцепочные первичные, вторичные и третичные амины, алкил-аммоний. Взаимодействие между водой и "гостем" часто обусловлено слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, но может иметь место и электростатическое взаимодействие.

Клатратные гидраты имеют важное значение, т. к. влияют на конфор-мацию, реакционноспособность и стабильность таких молекул, как белки.

Гидрофобные взаимодействия в водном окружении также важны, т. к. примерно 40% общих аминокислот в большинстве белков имеют неполярные группы. Неполярные группы других компонентов, таких как спирты, жирные кислоты, свободные аминокислоты, также могут участвовать в гидрофобных взаимодействиях. Эти взаимодействия являются слабыми, по силе они примерно такие же, как силы Ван-дер-Ваальса. Гидрофобные взаимодействия важны для четвертичной структуры многих белков, поэтому вода (и водная структура) играет важную роль в конформации белка.

Молекула воды, кристаллизуясь, может связывать четыре других молекулы воды в тетраэдрической конфигурации. Поэтому образующийся лед имеет гексагональную кристаллическую решетку. Структура льда была установлена методами дифракции рентгеновских лучей, нейтронов и электронов, ИК- и Рамановской спектроскопии.

Обычный лед принадлежит к бипирамидальному классу гексагональных систем. Кроме того, лед может существовать в девяти других кристаллических полиморфных конфигурациях, а также в аморфном состоянии неопределенной структуры. Однако только обычная гексагональная структура льда стабильна при нормальных условиях (760 мм рт. ст., 0°С).

Надо отметить, что лед состоит не только из НОН-молекул, ориентированных так, что один атом водорода расположен на линии между каждой парой кислородных атомов. Чистый лед содержит также и ионы Н⁺ (Н₃О⁺) и ОН^-. Кроме того, кристаллы льда не являются совершенными, и имеющие место дефекты связаны с изменением положения протонов, сопровождаемым новой (нейтральной) ориентацией или изменениями ионного характера (с образованием Н₃О⁺ или ОН^-). Наличием этих дефектов можно объяснить большую мобильность протона во льду, чем в воде, и небольшое увеличение электрической проводимости при замерзании воды.

Кроме того, каждая молекула воды может колебаться (предполагая, что она колеблется как единое целое) с амплитудой около 0,4А при − 10°С. Следует также иметь в виду, что молекулы воды, которые, по-видимому, существуют в некоторых образующих щели пространствах льда, могут медленно диффундировать через решетку.

Вполне вероятно, что величина активности воды a_w, во льду имеет определенное отношение к скорости порчи пищевых продуктов и биологических веществ в условиях хранения при низких температурах.

На структуру кристаллов льда оказывают влияние растворенные вещества. Тем не менее, для большинства пищевых продуктов и биологических материалов наиболее характерна гексагональная структура. Она была обнаружена при замораживании модельных водных растворов сахарозы, глицерина, альбумина и других соединений.

Дата добавления: 2014-01-07