Структура воды. Новые экспериментальные данные
Структура воды. Новые экспериментальные данные
Кандидат хим наук Александр Смирнов, доктор МИРЭА
Воде дана загадочная власть
Быть соком жизни на Земле.
Леонардо да Винчи
Воду принято рассматривать и как фактически нейтральный растворитель, в каком протекают биохимические реакции, и как субстанцию, разносящую по телу живых организмов разные вещества. Совместно с тем вода — обязательный участник всех физико-химических процессов и, в силу собственной большой значимости, самое изучаемое вещество. Исследование параметров воды не раз приводило к внезапным результатам. Казалось бы, какие неожиданности может таить внутри себя легкая реакция окисления водорода 2H2 + O2 > 2H2O? Но работы академика Н. Н. Семёнова проявили, что реакция эта — разветвлённая, цепная. Было это более семидесяти годов назад, и про цепную реакцию деления урана ещё не знали. Вода в стакане, реке либо озере не просто большие количества отдельных молекул, а их объединения, надмолекулярные структуры — кластеры. Для описания структуры воды предложен ряд моделей, которые более либо наименее верно разъясняют только некие её характеристики, а в отношении других противоречат тесту.
на теоретическом уровне кластеры рассчитывают обычно только для нескольких сотен молекул либо для слоёв поблизости межфазной границы. Но ряд экспериментальных фактов свидетельствует, что в воде могут существовать огромные, по молекулярным масштабам, структуры (работы члена-корреспондента РАН Е. Е. Фесенко).
В кропотливо чистой два раза дистиллированной воде и неких смесях нам удалось способом акустической эмиссии найти и при помощи лазерной интерферометрии визуализировать структурные образования, состоящие из 5 фракций размерами от 1 до 100 мкм. Опыты позволили установить, что каждый раствор имеет свою, присущую только ему структуру (рис. 1, 2).
Надмолекулярные комплексы образованы сотками тыщ молекул воды, сгруппированных вокруг ионов водорода и гидроксила в виде ионных пар. Для этих надмолекулярных комплексов мы хотим предложить заглавие «эмулоны», чтоб выделить их сходство с частичками, образующими эмульсию. Комплексы состоят из отдельных фракций размерами от 1 до 100 мкм, причём фракций, имеющих размеры 30, 70 и 100 мкм, существенно больше других.
Содержание отдельных фракций эмулонов находится в зависимости от концентрации ионов водорода, температуры, концентрации раствора и предыстории эталона (рис. 3). В бидистиллированной воде при 4оС комплексы плотно упакованы и образуют текстуру, напоминающую паркет. Как понятно, вода при этой температуре имеет наивысшую плотность. При повышении температуры до 20оС в структуре воды происходят значительные конфигурации: количество свободных эмулонов становится большим. При предстоящем нагреве они равномерно разрушаются, число их миниатюризируется, и этот процесс в главном завершается при 75оС, когда скорость звука в воде добивается максимума.
За счёт дальнодействия электростатических сил эмулоны в воде образуют достаточно размеренную сверхрешётку, которая, но, чутко реагирует на электрические, акустические, термические и другие наружные воздействия.
Обнаруженные надмолекулярные комплексы непротиворечиво содержат в себе все ранее приобретенные сведения об организации воды в нанообъёмах и позволяют разъяснить многие экспериментальные факты, которые не имели стройного, логичного обоснования. К ним относится, к примеру, образование «парящего водяного мостика», описанного в ряде работ.
Сущность опыта состоит в том, что если поставить рядом два маленьких хим стакана с водой, опустить в их платиновые электроды под неизменным напряжением 15—30 кВ, то меж сосудами появляется водяная перемычка поперечником 3 мм и длиной до 25 мм. «Мостик» парит долгое время, имеет слоистую структуру, и по нему происходит перенос воды от анода к катоду. Этот парадокс и все его характеристики — следствие наличия в воде эмулонов, которые, по-видимому, владеют дипольным моментом. Можно предсказать и ещё одно свойство явления: при температуре воды выше 75оС «мостик» не возникнет.
Просто объясняются и аномальные характеристики талой воды. Как отмечалось в литературе, многие характеристики талой воды — плотность, вязкость, электропроводность, показатель преломления, растворяющая способность и другие — отличаются от сбалансированных характеристик. Сведeние этих эффектов к удалению из воды дейтерия в итоге фазового перехода (температура плавления «тяжёлого льда» D2O 3,82оС) несостоятельно, так как концентрация дейтерия очень малозначительна — один атом дейтерия на 5—7 тыс. атомов водорода.
Исследование плавления льда способом акустической эмиссии позволило в первый раз установить, что после полного расплавления льда талая вода, находящаяся в метастабильном состоянии, становится источником акустических импульсов, что служит экспериментальным доказательством образования в воде надмолекулярных комплексов (рис. 4).
Опыты демонстрируют, что талая вода в протяжении практически 17 часов может находиться в активном метастабильном состоянии (после плавления льда его микрокристаллики сохраняются только толики секунды и совершенно не определяют характеристики талой воды). Это таинственное явление разъясняется тем, что при разрушении гексагональной кристаллической решётки льда резко изменяется структура вещества. Кристаллы льда разрушаются резвее, чем перестраивается в устойчивое сбалансированное состояние образовавшаяся из него вода.
Уникальность фазового перехода лёд вода состоит в том, что в талой воде концентрация ионов водорода H+ и гидроксила OH– недолговременное время сохраняется неравновесной, какой она была во льду, другими словами в тыщу раз наименьшей, чем в обыкновенной воде. Через некое время концентрация ионов H+ и OH– в воде воспринимает своё сбалансированное значение. Так как ионы водорода и гидроксила играют решающую роль в формировании надмолекулярных комплексов воды (эмулонов), вода на некое время остаётся в метастабильном состоянии. Реакция её диссоциации H2O > H+ + OH– просит значимой энергозатраты и протекает очень медлительно. Константа скорости этой реакции составляет всего 2,5 10–5 c–1 при 20оС. Потому время возвращения талой воды в сбалансированное состояние на теоретическом уровне должно составлять 10—17 часов, что и наблюдается на практике. Исследования динамики конфигурации концентрации ионов водорода в талой воде во времени подтверждают это. Необыкновенные характеристики талой воды служат предпосылкой дискуссий о «памяти» воды. Но под «памятью» воды следует осознавать зависимость её параметров от предыстории и ничего больше. Можно различными методами — замораживанием, нагреванием, кипячением, обработкой ультразвуком, воздействием разных полей и др. — перевести воду в метастабильное состояние, но оно будет неуравновешенным, недолго сохраняющим свои характеристики. Оптическим способом мы нашли в талой воде присутствие только одной фракции надмолекулярных образований с размерами 1—3 мкм. Может быть, что пониженная вязкость и поболее редчайшая пространственная сетка из эмулонов в талой воде наращивают растворяющую способность и скорость диффузии.
Действительность существования эмулонов подтверждает традиционный способ теплового анализа (рис. 5). На графике наблюдаются чётко выраженные пики, свидетельствующие о структурных перестройках в воде. Более важные соответствуют 36оC — температуре малой теплоёмкости, 63оC — температуре малой сжимаемости, и в особенности характерен пик при 75оC — температуре наибольшей скорости звука в воде. Их можно трактовать как типичные фазовые переходы, связанные с разрушением эмулонов. Это позволяет прийти к выводу: водянистая вода — очень типичная дисперсная система, включающая как минимум 5 структурных образований с разными качествами. Любая структура существует в определённом, соответствующем для неё температурном интервале. Превышение температуры над пороговым уровнем, критическим для данной структуры, приводит к её распаду.
Литература
Зацепина Г. Л. Физические характеристики и структура воды. — М.: Изд-во Столичного института. — 1998. — 185 с.
Кузнецов Д. М., Гапонов В. Л., Смирнов А. Н. О способности исследования кинетики фазовых переходов в водянистой среде способом акустической эмиссии // Инженерная физика, 2008, № 1, с. 16—20.
Кузнецов Д. М., Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в аква среде // Русский хим журнальчик — М.: Рос. хим. об-во им. Д. И. Менделеева, 2008, т. 52, № 1, с. 114—121.
Смирнов А. Н. Структура воды: новые экспериментальные данные. // Наука и технологии в индустрии, 2010, № 4, с. 41—45.
Смирнов А. Н. Акустическая эмиссия при протекании хим реакции и физико-химических процессов // Русский хим журнальчик. — М.: Рос. хим. об-во им. Д. И. Менделеева, 2001, т. 45, с. 29—34.
Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды // Русский хим журнальчик. — М.: Рос. хим. об-во им. Д. И. Менделеева, 2004, т. 48, № 2, с. 125—135.
Подробности для пытливых Как появляется «мостик»
Образование «водяного мостика» описано в работах нидерландского физика Элмара Фукса с коллегами[1, 2].
В две стоящие рядом маленькие ёмкости с водой погружают платиновые электроды и подают на их неизменное напряжение 15—20 кВ. На фото из [1] отчётливо видно, что сначала в анодном стакане, а потом и в катодном на поверхности воды появляются возвышения, которые соединяются, образуя меж ёмкостями водяную перемычку круглого сечения поперечником 2—4 мм. После чего стаканы можно отодвинуть один от другого на 20—25 мм. Перемычка существует достаточно длительно, образуя «парящий водяной мостик». Повдоль «мостика» перетекает вода. Концы «мостика» разноимённо заряжены, потому вода в ёмкостях приобретает разные значения рН: 9 и 4. «Мостик» состоит из тонких струек; при поднесении к нему заряженной стеклянной палочки он расщепляется на несколько рукавов. Высочайшая техника опыта позволила зарегистрировать движение шаровидных образований по поверхности «водяного мостика» [2].
Разъяснить этот эффект доктор Э. Фукс не сумел, но ряд наблюдавших его исследователей склонны считать эффект следствием появления сверхтекучести, конфигурации соотношений количеств ортои парамолекул воды (с параллельными и антипараллельными спинами соответственно) либо притяжения дипольных молекул воды. Но ни один из этих вариантов разъяснений не представляется убедительным. А обнаруженные огромные надмолекулярные комплексы размерами до 100 мкм — эмулоны — полностью подходят на роль частей «мостика». Появление на нём сферических образований, к примеру, можно разъяснить потерей стойкости нитями из эмулонов и выталкиванием неких из их на поверхность «мостика», по которой они станут передвигаться к одному из электродов.
Литература
1. Elmar C. Fuchs et al. The floating water bridge, J. Phys. D: Appl. Phis. 40 (2007) 6112 — 4.
2. Elmar C. Fuchs et al. Dynamic of the floating water bridge, J. Phys. D: Appl. Phis. 41 (2008) 185502 (5pp).