Поведение замерзшей воды при повышенном давлении существенно отличается от поведения других веществ. В твердом состоянии вода характеризуется аномально низкой сжимаемостью, а приложение давления понижает, а не увеличивает значение критической температуры фазовых переходов. Эти аномалии долгое время оставались загадкой для исследователей, а построение подходящей физической модели, объясняющей причины этих аномалий, представляло собой задачу исключительной сложности.
Чанг Сун (Chang Sun) с коллегами предполагает, что разработал новый метод, способный симулировать процессы, протекающие при сжатии твердой воды, с высокой точностью и объяснить физические причины, лежащие в основе ее аномального поведения.
Ключевым элементом новой модели является представление об элементарной структурной ячейке как о системе O...H-O. Отображенный слева кислород образует водородную связь за счет своей неподеленной электронной пары, которая поляризует электронную плотность вокруг водорода, который образует нормальную ковалентную связь с другим атомом кислорода (справа).
В твердом состоянии вода характеризуется аномально низкой сжимаемостью, а приложение давления понижает, а не увеличивает значение критической температуры фазовых переходов благодаря кулоновскому отталкиванию, возникающему между электронными парами связи О–Н и неподеленными электронными парами кислорода. (Рисунок из Chem. Sci., 2012, DOI:10.1039/c2sc20066j)
Модель Суна лучше описывает систему, чем обычные жесткие модели, которые не учитывают поляризацию. Сама суть этих моделей такова, что в них задана жесткая геометрия молекулы воды – три точечных заряда, располагающиеся на фиксированном расстоянии друг от друга, и, следовательно, они просто не в состоянии учитывать изменения геометрических параметров молекул воды, которые могут возникать вследствие приложения давления.
В то же самое время результаты, полученные Суном, показывают, что кулоновское отталкивание между неподеленной электронной парой и связывающей парой приводит к укорочению длины водородной связи O...H и удлинению ковалентной связи O-H, при этом при значительном давлении длина водородной связи и ковалентной связи становятся равными по длине. Исходя из этой модели, получается, что на физические свойства сжимаемого льда оказывает существенное влияние изменение энергии связывания ковалентной связи, вызванное ее удлинением.
