Замораживание разных вод
Замораживание разных вод
Хороший денек, Олег!
Я прочла некие Ваши работы и у меня появились вопросы. Если несложно прошу Вас посодействовать либо навести на научные работы в этой отрасли. Я исследую характеристики талой воды. Сейчас проведены опыты с замораживанием разных вод (водопроводная с различным рН, артезианской, бутиллированной). Цель — исследование хим. состава после замораживания. Но столкнулась с некими трудностями в этой области.
1) Существует ли зависимость свойства талой воды от температуры ее замораживания? Я проводила опыты, когда температура в камере –17 С. Других вариантов на техническом уровне пока нет способности провести.
2) Вы обрисовывали, что изменяется структура воды. И применяете понятия — «структурированная вода». Что это? Как отменно это отражается на воде? Просто общие понятия меня не могут уверить. Были ли опыты Ваши личные либо Ваших коллег по исследованию этого факта? В неких работах встречается понятие, что талая вода сохраняет свою структуру только маленький просвет времени — почему?
3) Сейчас отыскала ссылки лишь на японского ученого о том, что вода имеет «память», опыты которого никто не сумел повторить, а как следует и опровергнуть либо обосновать. Ваше мировоззрение? Спасибо за внимание.
Буду признательна за хоть какой Ваш ответ.
С ув., Наталья Федотова
Ответ:
Почетаемая Наталья,
Спасибо за Ваш энтузиазм к нашему веб-сайту и моим работам по воде. Термин “структурированная вода”, т.е. вода с постоянной структурой был введён относительно издавна и связан с кластерной моделью строения воды. На данный момент существует огромное количество разных теорий и моделей, объясняющих структуру и характеристики воды. Общим у их является представление о водородных связях как основном факторе, определяющем образование структурированных агломератов. Вода кооперативная система, в ней есть цепные образования водородных связей. И всякое воздействие на воду распространяется эстафетным методом на тыщи межатомных расстояний. При разъяснении многих экспериментальных данных в большинстве случаев употребляют двухструктурные модели, предполагающие одновременное присутствие в воде льдоподобной и плотноупакованной структур.
Вода структурируется, т.е. приобретает необыкновенную регулярную структуру при воздействии многих структурирующих причин, к примеру, при замораживании-оттаивании воды (считается, что в таковой воде сохраняются “ледяные” кластеры), воздействии неизменного магнитного либо электрического поля, при поляризации молекул воды и др. К числу причин, приводящих к изменению структуры и параметров воды, относятся разные излучения и поля (электронные, магнитные, гравитационные и, может быть, ряд других, еще не узнаваемых, а именно, связанных с биоэнергетическим воздействием человека), механические воздействия (смешивание разной интенсивности, встряхивание, течение в разных режимах и т.д.), также их различные сочетания. Такая структурированная вода становится активной и несёт новые характеристики.
Две воды – рядовая и структурированная, имеющие однообразный элементный состав, но различную структуру, по воздействию на растения, птиц, животных и человеческий организм, т.е. на био объекты, могут оказывать полностью различное воздействие. Всё находится в зависимости от формы соединения молекул в регулярную ассоциативную структуру, при котором возникают характеристики, которые могут положительно повлиять на био объекты.
Наукой подтверждено, что особенности физических параметров воды и бессчетные короткоживущие водородные связи меж примыкающими атомами водорода и кислорода в молекуле воды делают подходящие способности для образования особенных структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.
Ещё в 1990 г. чл.-корр. АН СССР Г.А. Домрачев (Ин-т металлоорганической химии РАН) и физик Д.А. Селивановский (Ин-т прикладной физики РАН) определили догадку о существовании механохимических реакций конструктивной диссоциации воды [Домрачев, 1995]. Они исходили из того, что водянистая вода представляет собой динамически нестабильную полимерную систему и что по аналогии с механохимическими реакциями в полимерах при механических воздействиях на воду поглощенная водой энергия, нужная для разрыва Н-ОН, локализуется в микромасштабной области структуры водянистой воды. Реакцию разрыва Н-ОН связи можно записать так: (Н2О)n(Н2О…H-|-OH) (Н2О)m + E(Н2О)n+1(H ) + ( OH) (Н2О)m, где “ E” обозначает не спаренный электрон.
Так как диссоциация молекул воды и реакции с ролью радикалов H и OH происходит в ассоциированном состоянии водянистой воды, радикалы могут иметь большенные (10-ки секунд и поболее) длительности жизни до смерти в итоге реакций рекомбинации [Blough et al., 1990].
Таким макаром, есть довольно убедительные научные свидетельства в пользу того, что в водянистой воде находятся очень устойчивые полимерные структуры. В 1993 году южноамериканский химик Кен Джордан предложил свои варианты устойчивых “квантов воды”, которые состоят из 6 её молекул [Tsai & Jordan, 1993]. Эти кластеры могут объединяться вместе и со “свободными” молекулами воды за счет экспонированных на их поверхности водородных связей. Увлекательной особенностью этой модели будет то, что из нее автоматом следует, что свободно растущие кристаллы воды, отлично известные нам снежинки, должны владеть 6-лучевой симметрией.
В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона способом рентгеноструктурного анализа при помощи сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source (ALS) удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей создавать собой топологические цепочки и кольца из огромного количества молекул djls.
Другая исследовательская группа Нильссона из синхротронной лаборатории всё такого же Стенфордского института, интерпретируя приобретенные экспериментальные данные как наличие структурных цепочек и колец, считает их достаточно долгоживущими элементами структуры.
Невзирая на то, что различные модели предлагают отличающиеся по собственной геометрии кластеры, они все постулируют, что молекулы воды способны объединяться с образованием полимеров. Но традиционный полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнешнего времени числились чисто электростатическими. Но в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь меж молекулами воды во льду имеет отчасти (на 10%) ковалентный нрав [Isaacs E. D., et al.,1999]. Даже отчасти ковалентный нрав водородной связи “разрешает”, само мало, 10% молекул воды объединяться в довольно долгоживущие полимеры (непринципиально, какой определенной структуры).
Модель структурированной воды определяет практически все её аномальные характеристики, имеющие большущее практическое значение — вода самое аномальное из всех узнаваемых природе веществ. Поперечник молекулы воды 2,8 А (1 ангстрем = 10-10м). Если рассматривать воду как ординарную совокупа молекул Н2О, то оказывается, что её удельный вес должен составлять 1,84 г/см3, а температура её кипения будет равна 63,5°С. Но, как понятно, при обычной температуре и давлении удельный вес воды равен 1 г/см3, а бурлит вода при 100°С. Исходя из этого, следует представить, что снутри воды должны быть пустоты, где нет молекул Н2О, другими словами воде присуща особенная структура.
Любопытно, что свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды находятся в воде только в очень маленьком количестве. В главном же вода – это совокупа хаотичных ассоциатов и «водяных кристаллов», где количество связанных в водородные связи молекул может достигать сотен и даже тыщ единиц.
«Водяные кристаллы» могут иметь самую разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых структур). В базе же всего лежит тетраэдр (простая пирамида в четыре угла). Конкретно такую форму имеют распределенные положительные и отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул H2O образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры. Из всего обилия структур в природе базисной, судя по всему (пока только не точно доказанное предположение) является всего одна – гексагональная (шестигранная), когда 6 молекул воды (тетраэдров) соединяются воединыжды в кольцо.
Конкретно таковой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды, клеточной воды всех живых созданий.
Рис. Кристаллическая структура льда
Любая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к верхушкам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в 2-ух верхушках — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся верхушки занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. 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).
Когда лёд плавится, его тетрагональная структура разрушается и появляется смесь полимеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс показан ниже.
Рис. Структура водянистой воды. В воде кластеры временами разрушаются и образуются опять. Время перескока составляет 10-12 секунд.
Изучить строение этих образующихся полимеров воды оказалось достаточно трудно, так как вода – смесь разных полимеров, которые находятся в равновесии меж собой. Сталкиваясь вместе, полимеры перебегают один в другой, распадаются и вновь образуются. Потому поделить эту смесь на отдельные составляющие тоже фактически нереально. Только в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского института (г. Беркли, США) под управлением доктора Р.Дж.Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. – тетрамера и пентамера, а потом и гексамера воды. К этому времени уже было установлено, что водянистая вода состоит из полимерных ассоциатов (кластеров), содержащих от 3-х до 6 моле
кул воды. Они все цикличны, т. е. образуют достаточно устойчивые «кольца».
Структуры кластеров воды были найдены и на теоретическом уровне, нынешняя вычислительная техника позволяет это сделать. Более того, конкретно сравнением экспериментально отысканных и рассчитанных характеристик удалось обосновать, что полимеры имеют то строение, которое описано выше.
Рис. Формирование отдельного кластера воды (компъютерное моделирование)
В 1999 г. Станислав Зенин провёл вместе с Б. Полануэром (на данный момент в США) исследование воды в ГНИИ генетики, которые дали наинтереснейшие результаты. Применив современные способы анализа, как-то рефрактометрического, протонного резонанса и жидкостной хроматографии исследователям удалось найти полиассооциаты — «кванты» воды.
Рис. справа — Вероятные кластеры воды
Вода, состоящая из огромного количества кластеров разных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может принимать и хранить большие объемы инфы.
Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды — смотрите набросок ниже
Порядковое число таких структур воды так же высоко, как и порядковое число кристаллов (структура с очень высочайшим упорядочением, которую мы только знаем), поэтому их также именуют «жидкими кристаллами» либо «кристаллической водой».
«Кванты воды» могут вести взаимодействие вместе за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При всем этом может быть образование уже 2-ух типов структур второго порядка. Их взаимодействие вместе приводит к возникновению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина фактически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и разъясняется, к примеру, высочайшая текучесть воды, состоящей из большенных полимеров. Таким макаром, аква среда представляет собой вроде бы иерархически организованный водянистый кристалл. Молекул воды в этом ассоциате совершают нерегулярные колебания с частотой около 0,5 пс и амплитудой 1 ангстрем. Наблюдались также и редчайшие неспешные скачки на ангстремы, которые продолжаются пикосекунды. В общем, за 30 пс молекула может сместиться на 8-10 ангстрем. Время жизни локального кластерного окружения тоже невелико. Области, составленные из кластеров могут распасться за 0,5 пс, а могут жить и несколько пикосекунд. А вот рассредотачивание времён жизни водородных связей очень велико. Но это время не превосходит 40 пс, а среднее значение — несколько пс.
Самый броский пример структурированной воды — талая вода, которую получают способом замораживания-оттаивания. Она возникает при таянии льда и сохраняет температуру 0 °С, пока не растает весь лёд. Режим заморозки должен быть равномерным. Специфичность межмолекулярных взаимодействий, соответствующая для структуры льда, сохраняется и в талой воде, потому что при плавлении кристалла льда разрушается только 15% всех водородных связей. Потому присущая льду связь каждой молекулы воды с 4-мя примыкающими («ближний порядок») в значимой степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решётки.
Структурированная талая вода обладает особенной внутренней динамикой и особенным «биологическим воздействием», которые могут сохраняться в течение долгого времени (см. к примеру В. Белянин, Е. Романова, Жизнь, молекула воды и золотая пропорция, «Наука и жизнь», Номер 10, 2004 г.). Так, структура воды при фазовом переходе изменяется на 15-18%, а показатель рН меняется от 6,2 до 7,3; электронное сопротивление миниатюризируется (возникновение большего количества электронов наращивает электропроводность воды), сопротивление структурированной воды R1 =310ом, сопротивление воды начальной – R2 =500ом (?R=38%); миниатюризируется окислительно-восстановительный потенциал (ОВП1 прохладной воды из крана = 387mV, ОВП2 структурированной воды = 0,51mV).
После таяния всего льда температура воды увеличивается и водородные связи снутри кластеров перестают противостоять растущим термическим колебаниям атомов.
Рис. Рыхловатые, льдоподобные структуры структуры в талой воде.
Получить структурированную воду (т.е. воду с постоянной структурой) можно и при помощи её намагничивания магнитным полем. При всем этом молекулы воды, представляющие из себя мелкие диполи, выстроятся повдоль линий магнитного поля, совершая маленькие колебательные движения в вертикальной плоскости.
В заключение следует выделить, что и сама теория структурированной воды имеет много подводных камешков. К примеру, сам Зенин подразумевает, что основной структурный элемент воды — кластер из 57 молекул, образованный слиянием четырёх додекаэдров. Они имеют общие грани, а их центры образуют верный тетраэдр. То, что молекулы воды могут размещаться по вершинам пентагонального додекаэдра, понятно издавна; таковой додекаэдр — база газовых гидратов. Потому ничего необычного в предположении о существовании таких структур в воде нет, хотя уже говорилось, что никакая определенная структура не может быть преобладающей и существовать длительно. Потому удивительно, что этот элемент подразумевается основным и что в него заходит ровно 57 молекул. Из шариков, к примеру, можно собирать такие же структуры, которые состоят из примыкающих друг к другу додекаэдров и содержат 200 молекул. Зенин же утверждает, что процесс трёхмерной полимеризации воды останавливается на 57 молекулах. Более больших ассоциатов, по его воззрению, быть не должно. Но если бы это было так, из водяного пара не могли бы осаждаться кристаллы гексагонального льда, которые содержат большущее число молекул, связанных воедино водородными связями. Совсем непонятно, почему рост кластера Зенина тормознул на 57 молекулах.
Чтоб уйти от противоречий, Зенин и упаковывает кластеры в более сложные образования — ромбоэдры — из почти тыщи молекул, причём начальные кластеры друг с другом водородных связей не образуют. Почему? Чем молекулы на их поверхности отличаются от тех, что снутри? По мнению Зенина, узор гидроксильных групп на поверхности ромбоэдров и обеспечивает память воды. Как следует, молекулы воды в этих больших комплексах жёстко фиксированы, и сами комплексы представляют собой твёрдые тела. Такая вода не будет течь, а температура её плавления, которая связана с молекулярной массой, должна быть очень высочайшей.
С почтением,
К.х.н. О.В. Мосин