Vattenstrukturen

Vattenstrukturen beskriver hur vattenmolekylernas vätebindningar bildar ett dynamiskt nätverk av lokalt ordnade men inte långväga ordnade regioner. Vid rumstemperatur pågår ständiga ombildningar av vätebindningarna, och varje molekyl deltar ofta i flera bindningar under mycket korta tidsramar. Den lokala ordningen är starkt tetraedral, medan det över större avstånd saknas en långsiktig regelbunden ordning.

På korta avstånd uppvisar vatten en tät struktur där varje molekyl ofta är omgiven av närliggande molekyler i en nästan tetraedral koordinering. Denna lokala ordning ger egenskaper som hög lösningsförmåga och god solvationsförmåga för joner och upplösta ämnen, samtidigt som nätverket förblir fragmentariskt och kontinuerligt ombildas.

Temperatur och tryck påverkar strukturen betydligt. Vatten har en density maximum vid cirka 4 °C och visar anomala termiska egenskaper som högt specifikt värmeinnehåll och höga förändringar i användbarhet genom temperatur- och tryckändringar. Under frysning bildas is med en ordnad kristallstruktur, där hexagonal is dominerar i normalt tryck, medan tryck kan leda till andra isfaser.

Vattenstrukturen påverkas också av gränssnitt och närvaro av lösningsmedel. Hydration shells kring joner skapar klart definierade, strukturerade närmiljöer, medan nära hydrofoba ytor uppstår olika orienteringar av vattenmolekyler. Begränsningar i form av porer eller ytkonfinement kan ytterligare framkalla lokala strukturella förändringar.

Studier av vattenstrukturen använder tekniker som röntgen- och neutronstrålning, IR- och Raman-spektroskopi samt NMR, ofta i kombination med molekylärdynamik-simuleringar. Kunskapen är central för förståelse av lösningar, biologi, kemi och geovetenskap.