Американским ученым впервые удалось численно смоделировать процесс автоионизации воды

Такая обыкновенная вода еще полна загадок для ученых. Каким образом в чистой воде устанавливается определенный уровень pH? Он характеризует количество протонов ? ядер атомов водорода, оторвавшихся от своих молекул и странствующих в воде самостоятельно. Они активно вступают во всевозможные химические реакции. От уровня pH зависит характер протекания большинства биологических реакций, не говоря уже о кислотно-щелочном балансе во рту и здоровья вашей кожи.

До сих пор процесс автоионизации воды не поддавался ни эксперименту, ни теории. Дело в том, что отрыв протона от молекулы воды ? явление очень редкое. За 10 часов отдельно взятая молекула спонтанно распадется на время 100 фемтосекунд (10^?15 с). Пытаться наблюдать это явление все равно, что стараться поймать событие длительностью в одну секунду за время существования Вселенной. От расположения окружающих молекул в момент отрыва протона зависит, вернется ли он на место или пойдет гулять дальше самостоятельно. Но за счет того, что молекул очень много, в воде устанавливается некоторый равновесный уровень pH.

Группе ученых из Калифорнийского и Рочестерского университетов США и института имени Макса Планка в Германии впервые удалось моделировать автоионизацию воды на суперкомпьютере. За основу алгоритма был взят метод молекулярной динамики, который был специально доработан для наблюдения редких событий. В этом методе «из первых принципов» рассчитываются силы, с которыми атомы действуют друг на друга и по законам Ньютона вычисляются их траектории. В результате расчетов был получен тот уровень pH, который наблюдается в эксперименте.

Новые алгоритмы, опробованные на чистой воде и позволившие детально проследить, каким образом она автоионизуется, теперь могут быть использованы для понимания и контроля многих химических реакций.