waterstructuur

Waterstructuur is het patroon van waterstofbruggen tussen watermoleculen die het netwerk van vloeibaar water en ijs vormt. Het bepaalt hoe moleculen ten opzichte van elkaar georiënteerd zijn en hoe de moleculaire interacties de macroscopice eigenschappen van water sturen. In vloeibaar water vormt het netwerk een voortdurend veranderend, enigszins tetrahedraal patroon, terwijl ijs uit een regelmatige kristallijne structuur bestaat.

In vloeibaar water zijn de waterstofbruggen kortdurend en dynamisch; moleculen wisselen steeds van partners. Gemiddeld heeft een watermolecuul ongeveer drie tot vier hydrogen bonds met nabije moleculen. De afstand tussen zuurstofatomen aan nabije moleculen ligt ruwweg rond 2,8 Å, en de O–H-bindinglengte binnen een watermolecuul is circa 0,96 Å. De levensduur van een waterstofbrug ligt op het gebied van enkele tienden tot enkele piko-seconden, afhankelijk van temperatuur en meetmethode.

De waterstructuur varieert met temperatuur en druk. Bij afkoeling neemt de tetrahedrale karakter van het netwerk toe en ontstaan er vaker geordende kopelingen, terwijl bij verhitting het netwerk meer verbroken en vloeibaarder wordt. Deze veranderingen dragen bij aan de unieke eigenschap van water om op 4°C de maximale dichtheid te hebben, wat gerelateerd is aan de herverdeling van de waterstofbruggen. Ook op interfaces met oppervlakken of biomoleculen kan de waterstructuur aanzienlijk afwijken van die in de bulk, met een geordende waterlaag als gevolg.

Studie van waterstructuur gebeurt met technieken zoals röntgen- en neutronenstrooiing, IR- en Raman-spectroscopie, NMR en computer­simulaties (MD en ab initio). Deze benaderingen helpen de dynamiek, geometrie en energetica van waterstofbruggen te begrijpen en de invloed op oplossing, reactiviteit en fasetransities te verklaren.