Журнал «Оптика атмосферы и океана»

Том 39, номер 07, статья № 1

Синица Л. Н., Щербаков А. П. Определение степени связанности молекул в жидкой воде. // Оптика атмосферы и океана. 2026. Т. 39. № 07. С. 551–556. DOI: 10.15372/AOO20260701.
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Полосы поглощения жидкой воды характеризуются модовой структурой, которая определяется наличием сетки водородных связей между молекулами воды различной степени ОН-связанности. Знание параметров структуры воды важно для изучения внешних воздействий на воду. В работе методом ИК-Фурье-спектроскопии исследована температурная зависимость полосы поглощения жидкой воды, соответствующей составной частоте n + d (диапазон 4500–5600 см^-¹), в интервале температур от +10 до +90 °C. На основе регрессионного анализа спектров предложен метод определения температуры образца по его спектру поглощения с погрешностью, не превышающей 1–2 °C. Путем декомпозиции спектрального контура показано, что наблюдаемые изменения обусловлены перераспределением интенсивности между составляющими модами, которые интерпретируются как вклады молекул воды с различной силой водородных связей. В качестве количественного спектроскопического параметра, характеризующего структуру воды, введен коэффициент связанности воды C(T), задаваемый как отношение интенсивностей низкочастотной моды (~4900 см^-¹), описывающей количество сильно связанных молекул воды, и высокочастотной моды (~5200 см^-¹), описывающей количество слабо связанных молекул. Значение C(T) закономерно уменьшается с ростом температуры, отражая уменьшение доли молекул с сильными водородными связями. Погрешность определения коэффициента связанности воды составляет ±4%. Разработанный подход открывает возможности для исследования влияния слабых внешних воздействий на структуру воды.

Ключевые слова:

Фурье-спектроскопия, спектр поглощения, жидкая вода, модовая структура, водородная связь, регрессионный анализ, температура

Список литературы:

1. Gallo P., Amann-Winkel K., Austen Angell C., Anisimov M.A., Caupin F., Chakravarty C., Lascaris E., Loerting T., Zois Panagiotopoulos A., Russo J., Sellberg J.A., Stanley H.E., Tanaka H., Vega C., Xu L. Gunnar Moody Pettersson L. Water: A tale of two liquids // Chem. Rev. 2016. V. 116, N 13. P. 7463–7500. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00750.
2. Henri-Rousseau O., Blaise P. Theoretical Treatments of Hydrogen Bonding. New York: Willey, 1997. 332 p.
3. Walfaren .E. Integrated Raman intensities of the spectral contour arising from the intermolecular librational motions of pure water have been obtained in the temperature range of ~10°–95 °C / J. Chem. Phys. 1967. V. 7, N. 1. P. 114.
4. Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды // Журнал структурной химии. 2006. Т. 47. С. 5–35.
5. Efimov Yu.Ya., Naberukhin Yu.I. Fluctuation theory of hydrogen bonding applied to vibration spectra of HOD molecules in liquid water. I. Raman spectra // Mol. Phys. 2003. V. 101, N 3. P. 459–468. DOI: 10.1080/0026897021000037708.
6. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Королев А.Ф., Костиенко А.И., Сухоруков А.П., Тимошкин И.В. Воздействие электромагнитного излучения КВЧ- и СВЧ-диапазонов на жидкую воду // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 1994. Т. 35, № 4. С. 71–76.
7. Луговской А.А., Синица Л.Н., Сухов А.Б., Поплавский Ю.А.Фазовый переход первого рода в жидкой воде в терминах модовой структуры спектра поглощения в ближней ИК-области // Изв. вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 9. С. 21–26.
8. Синица Л.Н., Емельянов Н.М., Луговской А.А., Щербаков А.П., Анненков В.В. Определение размера пор кремниевых материалов по ИК-спектрам адсорбированной воды // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 7. С. 483–487. DOI: 10.15372/AOO20210701; Sinitsa L.N., Emelyanov N.M., Shcherbakov A.P., Lugovskoi A.A., Annenkov V.V. Estimation of silica material pore sizes from IR spectra of adsorbed water // Atmos. Ocean. Opt. 2021. V. 34, N 6. P. 542–546.
9. Nadir Z., Brown M.S., Comer M.L., Bouman C.A. A model-based iterative reconstruction approach to tunable diode laser absorption tomography // IEEE. 2017. V. 3, N 4. P. 876–890. DOI: 10.1109/tci.2017.2690143.
10. Erko M., Findenegg G.H., Cade N., Michette A.G., Paris O. Confinement-induced structural changes of water studied by Raman scattering // Phys. Rev. B. 2011. V. 84, N 10. P. 104205. DOI: 10.1103/PhysRevB.84.104205.
11. Suzuki H., Matsuzaki Yo., Muraoka A., Tachikawa M. Raman spectroscopy of optically levitated supercooled water droplet // J. Chem. Phys. 2012. V. 136, N 23. P. 234508 (1–6). DOI: 10.1063/1.4729476.
12. Carey D.M., Korenowski G.M. Measurement of the Raman spectrum of liquid water // J. Chem. Phys. 1998. V. 108, N 7. P. 2669. DOI: 10.1063/1.475659.