Продолжение дискуссии об электрическом опреснении воды (часть 3)
Продолжение дискуссии
об электрическом опреснении воды
(часть 3)
Начало дискуссии тут:
Электрическое ПОЛЕ И ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ (часть 1)
Комменты к электрическому способу опреснения воды (часть 2)
Рофман Владимир Моисеевич, ответ О.Мосину
Почетаемый Олег Викторович!
С энтузиазмом ознакомился с Вашими комментами на веб-сайте «Всё о воде» (/article/planetwa/oprecnenie/) к моей статье «О способности электрического опреснения воды». Спасибо за публикацию довольно подробного изложения содержания этой статьи и проделанную критичную работу!
Если я Вас верно сообразил, Вы считаете физику конфигурации геометрии молекулы воды по этому способу опреснения неосуществимой, так как:
1. Полюса магнита будут всегда препятствовать повороту молекулы, а, как следует, и тормозить хоть какое движение молекулы перпендикулярно линиям магнитного поля. Таким макаром, в молекуле воды, помещённой меж 2-мя полюсами магнита, остаётся только одна степень свободы — это колебание повдоль оси Х — силовых линий приложенного магнитного поля. По всем остальным координатам движение молекул воды будет тормозиться. Таким макаром, молекула воды становится вроде бы, «зажатой» меж полюсами магнита, совершая только колебательные движения относительно оси Х+. Из этих рассуждений видно, что поменять структуру молекулы сила Лоренца никак не может…».
2. «Если даже допустить, что при наложении сильного электрического поля на передвигающиеся диполи молекул воды в электрической ячейке валентный угол в молекуле будет изменяться так, что на теоретическом уровне могут создаваться молекулы с разными валентными углами, то всё равно это изменение валентного угла будет очень малым и непостоянным. А эффект конфигурации валентного угла будет таким малозначительным, что это не будет оказывать воздействия на характеристики воды. +Представление о молекуле воды как о линейной структуре для химика — полнейший бред, так как, как понятно, конкретно такое строение молекулы воды обосновано электростатическими силами притяжения и отталкивания меж 2-мя положительно заряженными атомами водорода и негативно заряженной неподелённой парой атома кислорода. Эта самая свободная пара электронов и разворачивает молекулу в пространстве».
Я считаю совсем бесперспективным делом опровергать Ваши рассуждения по первому пт какими-то дополнительными рассуждениями сверх тех, что уже изложены в моей статье и поболее подробном отчёте (см. вложенный файл). Словами вообщем ничего нереально ни обосновать, ни опровергнуть, так как аспектом правды является только практика — людская чувственная деятельность. А с практической демонстрацией способности технологии опреснения воды, основанной на эффекте электрического снятия не нормальных физико-химических ограничений, накладываемых на процесс дистилляции воды её водородными связями, вправду есть большенные организационно-технические трудности:
Страны — потенциальные потребители опреснённой воды, размещены, обычно, в пустынных и полупустынных районах Земного шара — в Африке, Австралии, Средней Азии и на Ближнем Востоке. Они все не располагают современным научным и фабричным потенциалом, нужным для разработки и освоения технологии электрического опреснения. При всем этом, большая часть из их относится к южному поясу бедности; только Израиль, Саудовская Аравия и Австралия имеют нужные для этого деньги.
Главным элементом технологии электрического опреснения воды (ЭОВ) являются сверхпроводящие магниты сверхвысокой магнитной индукции (более 60 Тл). По данным открытой печати, магниты с магнитной индукцией 30-50 Тл удачно разрабатываются исключительно в Государственной лаборатории сильных магнитных полей института Флориды и делаются американской компанией «SuperPower» по заказам оборонного, ядерно-энергетического и галлактического ведомств США. Для увеличения уровня их магнитной индукции до 300 Тл нужны новые высокотемпературные сверхпроводники типа ReFeAsO, которые исследуются в Иране и Австралии для тех же военных целей.
Спецы, владеющие научно-историческим способом управления процессами природы и разработавшие теорию процесса электрического опреснения, рассеяны по широким просторам бывшего СССР. Их умственный потенциал не нужен, не имеет официального признания и публичной поддержки, потому и результаты их деятельной научной работы не могут быть реализованы в рамках сложившейся традиционной системы «внедрения» технических нововведений, находящейся под глухим «колпаком» академической научной экспертизы.
Компании из разных государств (Наша родина, Израиль, Австралия, Германия, США, Саудовская Аравия), уже заявившие о своём желании стать организационными центрами «внедрения» технологии ЭОВ, не владеют для этого ни необходимыми спецами, ни вещественными средствами, ни финансовыми и организационными способностями мирового уровня.
Но вот для предметной научной критики Вашего утверждения, что «представление о молекуле воды как о линейной структуре для химика — полнейший бред» и изменение геометрии молекулы воды не способно приметно поменять её физико-химические характеристики, я могу привести экспериментальные подтверждения, приобретенные группой американских учёных под управлением Александра Колесникова из Аргонской государственной лаборатории (информация об этих опытах была размещена и на Вашем веб-сайте: ( /article/energo/novoe coctoanie vody.htm).
На данный момент у нас пока нет доступных технологических способностей поменять геометрию молекул воды при помощи управления физикой электрических взаимодействий (поживём — увидим). Но А.Колесников сумел «распрямить» молекулы воды, поместив их в углеродные нанотрубки поперечником 1,4 нм. В этих экспериментальных критериях «выпрямление» было неполным — координатное число сократилось только с 3,8 до 1,86. Но даже такое частичное сокращение (на 51%) привело к тому, что температура замерзания воды понизилась с 0оС до наименее чем минус 265оС! Разница в 100оС, существующая меж температурой кипения и замерзания воды в обычных критериях, в нанотрубках навряд ли сохранилась из-за разных физико-химических эффектов взаимодействия молекул воды с атомами углерода нанотрубок, но если вода в нанотрубках леденела при минус 265оС, то кипеть она в их должна в границах минус 80 — минус 100оС, что и предвещали в 70-х годах Карапетьянц В.Х. и Дракин С.И.
В Вебе Вы без особенного труда найдёте дополнительную информацию об подобных опытах по изменению разных физико-химических параметров воды средством конфигурации геометрии её молекул (из угловой в линейную) в нанотрубках. Потому я считаю, что данное направление исследовательских работ не такое уж «абсурдное», хотя тоже химик и даже когда-то, в юности, тоже защитил диссертацию на степень к.х.н.
Буду очень благодарен, если это моё «особенное» мировоззрение по интересующему нас с Вами вопросу Вы тоже опубликуете на своём веб-сайте.
С почтением,
Рофман Владимир Моисеевич
orient2001@inbox.ru rofman@inbox.ru blogs.mail.ru/inbox/rofman/
Ответ О.Мосина Рофману В.М.
Почетаемый, Владимир Моисеевич!
Огромное спасибо за Ваш энтузиазм к нашему веб-сайту о воде и Вашему комментарию, касающегося вероятному опреснению воды способом электрического поля.
Соглашусь с Вами, вода так необыкновенное и аномальное по своим физико-химическим свойствам вещество, что полностью неудивителен тот факт, что существует огромное количество мыслях, гипотез и моделей, описывающих её аномальные характеристики. И как химик я отлично понимаю Ваши теоретические расчёты и выкладки.
Если гласить исходя из убеждений химии о строении молекулы воды и валентном угле Н-О-Н, следует выделить, что структура молекулы воды включает две обыкновенные связи Н—О и две неподеленные электрические пары. Так как атом кислорода имеет валентную электрическую конфигурацию 2s22p4, можно сконструировать для молекулы воды две локализованные связи, помещая элек тронные пары на две связывающие орбитали, любая из которых образована перекрыванием 2р-орбитали атома кислорода О и 1s-орбитали атома водорода Н. Согласно та кой модели, неподеленные электрические пары находятся на 2sи 2ру-орбиталях атома кислорода, как показано на рисунке ниже.
Рис. Обычная модель образования связей в молекуле воды, в какой употребляются только 2p-орбитали кислорода. Согласно таковой модели, валентный угол H-O-H должен быть равен 900.
Если же исходить из того факта, что основное воздействие на строение молекулы оказывает отталкивание меж 4-мя электрическими парами, окружающими центральный атом кислорода, то следует гибридизовать 2sи три 2р-орбитали атома кислорода, что дает четыре sр3-орбитали. Тогда меж атомом кислорода и 2-мя атомами водорода можно сконструировать две связывающие орбитали, образо ванные перекрыванием 2-ух sp3-гибридов кислорода и 1s-орбиталей водорода. Две неподеленные электрические пары в рамках таковой модели оказываются эквивалентными и занимают оставшиеся две sр3-орбитали кислорода. Эта модель элек тронного строения Н2О показана на рисунке ниже.
Рис. Электрическое строение воды в рамках модели локализованных орбиталей, образованных с ролью гибридных sp3-орбиталей кислорода. Эта модель предвещает для угла Н-О-Н значение 109,50.
Обе эти модели приводят к правильному выводу, что молекула Н2О имеет изогнутую форму. Модель связи с перекрыванием 2ри 1s-орбиталей предвещает, что валентный угол Н—О—Н должен быть равен 90°, тогда как модель с перекрыванием sp3 и 1s-орбиталей предвещает для этого угла значение 109,5°. Подлинное значение валентного угла среднее меж этими значениями, т.е. 1050.
Рис. Изогнутая молекулярная структура воды с углом Н-О-Н 1050.
При всем этом эксперимен тально наблюдаемый угол Н—О—Н равен 105°, что намного поближе к предсказы ваемому в рамках модели (sp3 + 1s), которая базирована на требовании мало вероятного отталкивания меж 4-мя электрическими парами, окружающими центральный атом молекулы.
Это и понятно. Так как атомы водорода друг от друга приметно отталкиваются, угол меж хим связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород — кислород не прямой (90°), а малость больше — 105°. Хим связи эти полярные: кислород еще электроотрицательнее водорода и притягивает к для себя электрические облака, образующие хим связи. При всем этом поблизости атома кислорода накапливается лишний отрицательный заряд, а у атомов водорода — положительный. Потому и вся молекула воды тоже попадает в разряд веществ, молекулы которых представляют собой электронные диполи.
Строение молекулы воды Н2О можно также проанализировать и при помощи способа молекулярных орбиталей (МО). Ниже приведена схема молекулярных орбиталей молекулы воды (Подробнее см. Г.Грей «Электроны и хим связь»,М., изд-во «Мир», 1967, с.155-62 и G.L.Miessier, D.A.Tarr, «Inorganic Chemistry», Prantice Hall Int.Inc., 1991, p.153-57)..
Рис. Схема расположения координатных осей (а) и энергетическая диаграмма орбиталей молекулы Н2О (б).
В формировании суммарной молекулярной орбитали воды учавствуют отдельные атомные орбитали водорода и кислорода, владеющие схожей симметрией и близкими энергиями. Но вклад атомных орбиталей атомов водорода и кислорода в образование общей молекулярной орбитали молекулы воды различный, что отражается в различных величинах коэффициентов в соответственных линейных композициях атомных орбиталей. Взаимодействие (перекрывание) 1sатомной орбитали водорода, 2sи 2рzатомной орбитали кислорода приводит к образованию 2a1-связывающей и 4a1-разрыхляющей молекулярной орбиталей.
Рис. Перекрывание 2s(а), 2px(б) и 2pя(в) орбиталей атома кислорода с 1s-орбиталями 2-ух атомов водорода молекулы воды.
c1(2so) + c2(2pz,o) + c3(1sн) = МО(2a1)
c4 (2so) + с5 (1sн) -с6 (2pz,o) = МО(4a1) .
При всем этом в энергию связывающей молекулярной орбитали увеличенный вклад заносит атомная орбиталь с более низкой энергией, а в энергию разрыхляющей молекулярной орбитали — атомная орбиталь с более высочайшей энергией. С учетом этого с1>c2, а с5>c4 и с6. При перекрывании 2рхатомной орбитали кислорода и 1sатомной орбитали водорода образуются 1b1-связывающая и 2 b1-разрыхляющая молекулярные орбитали:
с7 (2рх,о) + с8 (1sн) = МО(1b1) (с7>c8)
с9 (2рх,о) — с10 (1sн) = МО(2b1) (с9>c10).
2рzатомная орбиталь кислорода и 1sатомная орбиталь водорода образуют также 3a1 — фактически несвязывающую молекулярную орбиталь.
с11 (2pz) + с12 (1sн) = МО(3a1) ,
потому что с11>c12 из-за слабенького перекрывания атомных орбиталей. 2py -орбиталь кислорода размещена перпендикулярно плоскости xz, по условиям симметрии не перекрывается с 1s-орбиталями атома водорода и потому дает 1b2 несвязывающую орбиталь.
Взаимодействие 4-х атомных орбиталей кислорода (2s-, 2рх-, 2py, 2pz) и 2-ух 1s-орбиталей атомов водорода приводит к образованию 6 молекулярных орбиталей: 2-ух связывающих (2а1 и 1b1), 2-ух несвязывающих (3а1 и 1b2) и 2-ух разрыхляющих (4а1 и 2b1). 8 электронов атомов водорода и кислорода располагаются попарно на 2-ух связывающих и 2-ух несвязывающих орбиталях.
Из этих данных и умозаключений можно сделать последующие выводы.
1. Молекула Н2О диамагнитна.
2. Электроны на связывающих 2а1 и 1b1 орбиталях обеспечивают связи ОН, а на несвязывающих (3а1 и 1b2) орбиталях соответствуют свободным электрическим парам в молекуле Н2О, как это описывается в рамках способа валентных связей.
3. Принципным различием способа молекулярных орбиталей от способа валентных связей является различная энергия ионизации занятых молекулярных орбиталей, составляющая (в эВ) 27.3 (2а1), 16.2 (1b1), 14.5 (3а1) и 12.6 (1b2), соответственно.
4. Способ молекулярных связей (в отличие от способа валентных связей) позволяет оценить разницу в энергиях молекулярных орбиталей. А именно, значимым является различие в энергии 2-ух несвязывающих орбиталей 3а1 и 1b2. Это связано с различной природой орбиталей — 1b2 локализована на атоме кислорода, тогда как 3а1 образована с ролью атомной орбитали водорода и кислорода и не является локализованной.
5. Локализация электронов на 1b2 молекулярной орбитали приводит к тому, что отрицательный заряд в молекуле Н2О сосредоточен поблизости атома кислорода, а положительный — поблизости атомов водорода. Таким макаром, молекула Н2О оказывается полярной (дипольный момент = l. q = 1.84D). Это соответствует и обычным суждениям электроотрицательности: связывающие электроны смещаются к более электроотрицательному атому.
6. Потому что у молекулы Н2О в образовании связей принимают в главном роль 2р-орбитали кислорода и 1s-орбитали водорода, то можно ждать, что угол НО- Н должен быть близким к 90о. Но из опыта следует, что этот угол равен 105о. Причина такового различия состоит в том, что этот угол соответствует минимуму энергии. Согласно квантово-механическим расчетам, энергия молекулы зависит не только лишь от энергии молекулярных орбиталей и числа электронов на их, да и от валентного угла НО- Н. В приближении способа валентных связей повышение угла НО- Н от 90о (соответствующего для взаимодействия р-орбиталей) до 105о связано с обоюдным отталкиванием положительно заряженных атомов водорода.
Самый верный, близкий к тетраэдру, валентный угол Н-О-Н в кристалле льда. Он составляет 109,5о.
Рис. справа — Структура льда.
Любая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к верхушкам тетраэдра. При содействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы появляется водородная связь, наименее мощная, чем связь внутримолекулярная, но довольно могущественная, чтоб задерживать рядом примыкающие молекулы воды. Любая молекула может сразу создавать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28′, направленных к верхушкам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При всем этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр верный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры приметно искажены. Если лед подогреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре воды, — потому вода тяжелее льда.
Но при таянии льда межмолекулярные водородные связи слабеют, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол миниатюризируется. Так что в воде он становится равным примерно 1060.
Рис. При таянии льда его тетрагональная структура разрушается и появляется смесь кластеров, состоящая из три-, тетра-, пентаи гексамеров воды и свободных молекул воды. В воде кластеры временами разрушаются и образуются опять. Время перескока составляет 10-12 секунд.
При следующем нагревании водянистой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5о.
Можно ли поменять этот валентный угол Н-О-Н если наложить на молекулы воды сильное электрическое поле? Да, конечное, можно. Как это понятно из курса физики заряженная частичка, передвигающаяся ускоренно в однородном магнитном поле неизбежно будет создавать вокруг себя в пространстве переменное электрическое поле. Вот поэтому всякий ускоренно передвигающийся заряженный объект испускает электронное поле. При всем этом может быть наложение собственного генерируемого поля молекул воды с наружным электрическим полем, в итоге чего непременно могут происходить разные эффекты, связанные с неким конфигурацией валентных углов Н-О-Н в молекулах воды, о чём я и писал в своём комменты. Этот вывод не противоречит теории электродинамики и согласуется с теорией волновой механики.
Но если даже допустить, что при наложении сильного электрического поля на передвигающиеся диполи молекул воды в электрической ячейке будет происходить генерация молекулами воды собственных электрических полей и наложение — супериндукция поля в итоге чего валентный угол в молекуле воды будет изменяться (пульсировать) так, что на теоретическом уровне могут создаваться молекулы воды с разными валентными углами Н-О-Н. Но, невзирая на это изменение валентного угла будет очень малым и непостоянным и будет очень зависеть как от напряжённости поля так и от времени. Думается при всем этом эффект конфигурации валентного угла Н-О-Н будет таким малозначительным и непермаментным и очень зависеть от наружных критерий, что это не будет оказывать существенного воздействия на характеристики и структуру воды. Другими словами я сомневаюсь, что это изменение валентного угла в молекуле Н-О-Н при воздействии на неё электрического поля будет таким огромным, как предсказываете Вы. В наилучшем случае величина валентного угла думаю будет разнообразить на уровне 1-2 градусов, может быть, чуток больше. При всем этом, навряд ли этот эффект конфигурации валентного угла эффект будет таким размеренным, как предвещает ваша догадка, так как по всей вероятности, при наложении наружного электрического поля на электрическое поле молекулы воды будут создаваться молекулы воды с разными валентными углами Н-О-Н, так что можно представить некоторую пульсацию этого валентного угла во времени. И этот эффект будет непостоянным во времени.
Не считая того, совсем не понятно как сила Лоренца, возникаемая при движении заряжённой частички перпендикулярно линиям магнитного поля может развернуть молекулу воды, сделав её линейной. Ведь как Вы сами справедливо увидели никакой работы сила Лоренца не совершает, только разворачивая заряжённую частичку в горизонтальной плоскости, а величина её находится в зависимости от напряжённости, величины электронного заряда и его скорости движения. Если заряжённая частичка не движется совсем, то никакой силы Лоренца на неё вообщем не будет действовать. В этом плане можно рассматривать эффект этой силы как релятивистский эффект, но менее этого.
Также не совершенно понятно, как такое изменение валентного угла скажется на способность молекулы воды к ассоциации. Как я уже гласил, в самой ассоциативной структуре твёрдой воды – кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи слабеют, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол миниатюризируется. При нагревании водянистой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии воды, где вода присутвует в виде отдельных молекул валентный угол составляет 104,5о, т.е. происходит уменьшение на 5 градусов. Но это уменьшение во первых непостоянное, стоит воде вновь сконденсироваться в жидкость – валентный угол становится примерно равным 106о, т.е. возрастает на несколько градусов и когда вода кристаллизуется в лёд он становится снова близок к правильному тетраэдр, т.е. 109,5о.
Таким макаром, слабеньким пт этой догадки остаётся неправомерная на мой взор апелляция к силе Лоренца как к передвигающейся силе, способной поменять структуру молекулы. Вправду, не совершенно понятно как при помощи силы Лоренца можно достигнуть таких существенных конфигураций значений валентного угла в молекуле воды, как постоянны такие конфигурации и скажутся ли они либо нету на возможности молекул воды к ассоциации.
В качестве кандидатуры вашей увлекательной догадке предлагаю собственный принципно другой метод конфигурации валентного угла Н-О-Н в молекулах воды. Для этого нужно собрать молекулы воды в цепочку, к примеру, в итоге воздействия магнитным полем и потом раскрутить эту цепочку вращением. Тогда валентный угол в молекулах воды возрастет за счёт кручения. Но, как раскрутить таковой структурированный конгломерат молекул как можно с большей скоростью – остаётся загадкой. Но, фактически, для этого и сотворена наука и научная деятельность, чтоб решать эти загадки и получать ответы на самые достойные внимания вопросы.
С почтением и благодарностью,
К.х.н. О.В. Мосин