مجموعة المياه

في الكيمياء ، تُعرف مجموعة جزيئات الماء بأنها تجمعات منفصلة من جزيئات الماء مرتبطة بروابط هيدروجينية . ^{[ 1 ] [ 2 ]} وقد تنبأت النماذج النظرية ( الحاسوبية ) بوجود العديد من هذه المجموعات، كما تم رصد بعضها تجريبياً في سياقات مختلفة مثل الجليد ، والماء السائل، وفي الحالة الغازية ، وفي مخاليط مخففة مع مذيبات غير قطبية ، وكجزيئات ماء ترطيب في الشبكات البلورية . وأبسط مثال على ذلك هو ثنائي الماء ( _H₂O ) _₂ .

اقترحت تجمعات الماء كتفسير لبعض الخصائص الشاذة للماء السائل ، مثل تغير كثافته غير المعتاد مع درجة الحرارة. كما يُعتقد أن لتجمعات الماء دورًا في استقرار بعض البنى فوق الجزيئية . ^{[ 3 ]} ومن المتوقع أن تلعب دورًا أيضًا في تميؤ الجزيئات والأيونات المذابة في الماء. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تتنبأ نماذج الماء التفصيلية بحدوث تجمعات مائية، وهي عبارة عن تكوينات لجزيئات الماء التي تكون طاقتها الكلية في حد أدنى محلي. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

تُعدّ التجمعات الحلقية (H₂O)ₙ ذات أهمية خاصة _؛ إذ _يُتوقع وجودها عندما يكون n = 3 إلى 60. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} عند درجات الحرارة المنخفضة، تُشكّل التجمعات ما يقارب 50% من جزيئات الماء. ^{[ 12 ]} مع ازدياد حجم التجمع، يقلّ البُعد بين ذرات الأكسجين ، ويُعزى ذلك إلى ما يُسمى بالتفاعلات التعاونية متعددة الأجسام: فبسبب تغيّر توزيع الشحنة، يُصبح جزيء مُستقبِل الهيدروجين جزيئًا مانحًا أفضل للهيدروجين مع كل توسّع لتجمع الماء. يبدو أن هناك العديد من الأشكال المتماثلة للسداسي (H₂O ₎ ₆ _: من شكل الحلقة، والكتاب، والحقيبة، والقفص، إلى شكل الموشور، مع طاقة متطابقة تقريبًا. يوجد شكلان متماثلان شبيهان بالقفص للسباعيات (H₂O ₎ ₇ _، بينما توجد الثمانيات (H₂O ₎ ₈ _إما حلقية أو على شكل مكعب.

تتنبأ دراسات نظرية أخرى بوجود تجمعات ذات بنى ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا. ^{[ 13 ]} ومن الأمثلة على ذلك التجمع الشبيه بالفوليرين ( _H₂O ) _₂₈ ، والذي يُطلق عليه اسم كرة بوكي المائية ، والشبكة العملاقة ذات الشكل العشرين سطحي المكونة من 280 جزيء ماء (حيث يرتبط كل جزيء ماء بأربعة جزيئات أخرى). تتكون هذه الشبكة الأخيرة، التي يبلغ  قطرها 3 نانومتر، من أغلفة عشرينية سطحية متداخلة تحتوي على 280 و100 جزيء. ^{[ 14 ] [ 15 ]} كما يوجد إصدار مُعزز بغلاف إضافي من 320 جزيء. وتزداد الاستقرارية مع إضافة كل غلاف. ^{[ 16 ]} توجد نماذج نظرية لتجمعات مائية تضم أكثر من 700 جزيء ماء، ^{[ 17 ] [ 18 ]} ولكن لم يتم رصدها تجريبيًا. يستخدم أحد خطوط البحث ثوابت الرسم البياني لتوليد طوبولوجيا الروابط الهيدروجينية والتنبؤ بالخصائص الفيزيائية للتجمعات المائية والجليد. وقد تم إثبات فائدة ثوابت الرسم البياني في دراسة تناولت قفص (H ₂ O) ₆ وشكل (H ₂ O) ₂₀ ذي الاثني عشر وجهاً، واللذان يرتبطان بترتيبات ذرات الأكسجين نفسها تقريباً كما في الطورين الصلب والسائل للماء. ^{[ 19 ]}

إن الدراسة التجريبية لأي هياكل فوق جزيئية في الماء السائل أمر صعب بسبب قصر عمرها: فالروابط الهيدروجينية تنكسر وتتشكل باستمرار على نطاقات زمنية أسرع من 200 فيمتوثانية. ^{[ 20 ]}

مع ذلك، لوحظت تجمعات الماء في الحالة الغازية وفي مخاليط مخففة من الماء ومذيبات غير قطبية مثل البنزين والهيليوم السائل . ^{[ 21 ] [ 22 ]} وقد تم الكشف التجريبي عن هذه التجمعات وتوصيفها باستخدام تقنيات التحليل الطيفي - الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR) ^{[ 23 ]} وتقنية النفق الدوراني الاهتزازي (VRT) ^{[ 24 ]} - بالإضافة إلى الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (H- NMR ) ^{[ 25 ] [ 26 ]} وحيود النيوترونات . ^{[ 27 ]} وُجد أن السداسي له شكل هندسي مستوٍ في الهيليوم السائل، وشكل كرسي في المذيبات العضوية، وبنية قفصية في الحالة الغازية. وتُظهر التجارب التي تجمع بين التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء وقياس الطيف الكتلي تكوينات مكعبة للتجمعات في النطاق n = (8-10).

عندما يكون الماء جزءًا من بنية بلورية كما في الهيدرات ، يمكن استخدام حيود الأشعة السينية . وقد تم تحديد شكل سباعي جزيئات الماء (حلقي ملتوي غير مستوٍ) باستخدام هذه الطريقة. ^{[ 28 ] [ 29 ]} علاوة على ذلك، أبلغ مولر وآخرون عن تجمعات مائية متعددة الطبقات ذات الصيغة (H₂O ₎ ₁₀ _{محصورة داخل تجاويف العديد من تجمعات البوليوكسوميتالات.} ^{[ 30 ] [ 31 ]}

تحاول عدة نماذج تفسير الخصائص الكلية للماء بافتراض أن تكوين التجمعات داخل السائل هو العامل المهيمن عليها. ^{[ 32 ]} ووفقًا لنظرية توازن التجمعات الكمومية (QCE) للسوائل، تهيمن التجمعات ذات n=8 على الطور الكلي للماء السائل، تليها التجمعات ذات n=5 ثم n=6. وبالقرب من النقطة الثلاثية ، يُفترض وجود تجمع ذي n=24. ^{[ 33 ]} وفي نموذج آخر، يتكون الماء الكلي من مزيج من حلقات سداسية وخماسية تحتوي على تجاويف قادرة على احتواء جزيئات مذابة صغيرة. وفي نموذج آخر، يوجد توازن بين ثماني جزيئات ماء مكعبة وحلقتين رباعيتين. ^{[ 34 ]} ومع ذلك، لم ينجح أي من هذه النماذج حتى الآن في محاكاة ذروة الكثافة المرصودة تجريبيًا للماء كدالة لدرجة الحرارة.

• الرابطة الهيدروجينية
• تأثير مبيمبا
• خصائص الماء
• ريتشارد ج. سايكالي

• تجمعات المياه في جامعة لندن ساوث بانك
• قاعدة بيانات كامبريدج للتجمعات المائية - تتضمن تجمعات المياه المحسوبة باستخدام نماذج المياه المختلفة وتجمعات المياه التي تم استكشافها باستخدام طرق ab initio .