Структура води: нові експериментальні дані

Мал. 1. Структура води при температурі 20 <sup> про </ sup> С, розмір по горизонталі - 400 мкм. Білі плями - це емулони. <br> <br>

Мал. 2. Структура водних розчинів при 20 <sup> про </ sup> З: А - дистильована вода; Б - дегазована мінеральна вода боржомі; В - спиртова настоянка 70%.

Мал. 3. Емулони в бидистиллированной воді при температурах 4 <sup> про </ sup> С (А), 20 <sup> про </ sup> С (Б), 80 <sup> про </ sup> С (В). Розміри знімків 1,5 × 1,5 мм.

Мал. 4. Зміна амплітуди сигналів акустичної емісії і температури води в процесі танення льоду.

Мал. 5. Відносне зміна температури при нагріванні води.

Подробиці для допитливих. Схема досвіду. За короткий час з стаканчика з позитивним електродом (анодом) через «місток» витекло 0,5 грама води.

«Пустці водяний місток» довжиною близько 3 сантиметрів.

Наелектризована скляна паличка спотворює форму «містка» і розбиває його на цівки.

Так буде виглядати емулони, що утворюють ниткоподібну структуру «містка».

<

>

Воду прийнято розглядати і як практично нейтральний розчинник, в якому протікають біохімічні реакції, і як субстанцію, що розносять по тілу живих організмів різні речовини. Разом з тим вода - неодмінний учасник усіх фізико-хімічних процесів і, в силу своєї величезної важливості, саме досліджуване речовина. Вивчення властивостей води не раз призводило до несподіваних результатів. Здавалося б, які несподіванки може таїти в собі нескладна реакція окислення водню 2H2 + O2 → 2H2O? Але роботи академіка Н. Н. Семенова показали, що реакція ця - розгалужена, ланцюгова. Було це більше сімдесяти років тому, і про ланцюгову реакцію поділу урану ще не знали. Вода в склянці, річці або озері не просто величезні кількості окремих молекул, а їх об'єднання, надмолекулярних структури - кластери. Для опису структури води запропонований ряд моделей, які більш-менш правильно пояснюють тільки деякі її властивості, а щодо інших суперечать експерименту.

теоретично кластери розраховують зазвичай тільки для декількох сотень молекул або для шарів поблизу міжфазної межі. Однак ряд експериментальних фактів свідчить, що в воді можуть існувати гігантські, за молекулярними масштабами, структури (роботи члена-кореспондента РАН Е. Е. Фесенко).

У ретельно очищеної двічі дистильованої води і деяких розчинах нам вдалося методом акустичної емісії виявити і за допомогою лазерної інтерферометрії візуалізувати структурні утворення, що складаються з п'яти фракцій розмірами від 1 до 100 мкм. Експерименти дозволили встановити, що кожен розчин має свою, притаманну лише йому структуру (рис. 1, 2).

Надмолекулярні комплекси утворені сотнями тисяч молекул води, згрупованих навколо іонів водню і гідроксилу в вигляді іонних пар. Для цих надмолекулярних комплексів ми пропонуємо назву «емулони», щоб підкреслити їх схожість з частинками, що утворюють емульсію. Комплекси складаються з окремих фракцій розмірами від 1 до 100 мкм, причому фракцій, мають розміри 30, 70 і 100 мкм, значно більше за інших.

Зміст окремих фракцій емулонов залежить від концентрації іонів водню, температури, концентрації розчину і передісторії зразка (рис. 3). У бидистиллированной воді при 4оС комплекси щільно упаковані і утворюють текстуру, що нагадує паркет. Як відомо, вода при цій температурі має максимальну щільність. При підвищенні температури до 20оС в структурі води відбуваються істотні зміни: кількість вільних емулонов стає найбільшим. При подальшому нагріванні вони поступово руйнуються, число їх зменшується, і цей процес в основному закінчується при 75оС, коли швидкість звуку у воді досягає максимуму.

За рахунок дальнодействия електростатичних сил емулони в воді утворюють досить стабільну надґратка, яка, однак, чуйно реагує на електромагнітні, акустичні, теплові та інші зовнішні впливи.

Виявлені надмолекулярні комплекси несуперечливо включають в себе всі раніше отримані відомості про організацію води в нанооб'ёмах і дозволяють пояснити багато експериментальні факти, які не мали стрункого, логічного обґрунтування. До них відноситься, наприклад, утворення «ширяючого водяного містка», описаного в ряді робіт.

Суть експерименту полягає в тому, що якщо поставити поруч два невеликих хімічних склянки з водою, опустити в них платинові електроди під постійною напругою 15-30 кВ, то між судинами утворюється водяна перемичка діаметром 3 мм і довжиною до 25 мм. «Місток» ширяє тривалий час, має шарувату структуру, і по ньому відбувається перенесення води від анода до катода. Цей феномен і все його властивості - наслідок наявності у воді емулонов, які, мабуть, мають дипольним моментом. Можна передбачити і ще одна властивість явища: при температурі води вище 75оС «місток» не виникне.

Легко пояснюються і аномальні властивості талої води. Як зазначалося в літературі, багато властивостей талої води - щільність, в'язкість, електропровідність, показник заломлення, растворяющая здатність і інші - відрізняються від рівноважних параметрів. Сведéние цих ефектів до видалення з води дейтерію в результаті фазового переходу (температура плавлення «важкого льоду» D2O 3,82оС) не має сенсу, оскільки концентрація дейтерію вкрай незначна - один атом дейтерію на 5-7 тис. Атомів водню.

Вивчення плавлення льоду методом акустичної емісії дозволило вперше встановити, що після повного розплавлення льоду тала вода, що знаходиться в метастабільних станів, стає джерелом акустичних імпульсів, що служить експериментальним підтвердженням освіти в воді надмолекулярних комплексів (рис. 4).

Експерименти показують, що тала вода протягом майже 17 годин може перебувати в активному метастабільних станів (після плавлення льоду його мікрокрісталлікі зберігаються тільки частки секунди і зовсім не визначають властивості талої води). Це загадкове явище пояснюється тим, що при руйнуванні гексагональної кристалічної решітки льоду різко змінюється структура речовини. Кристали льоду руйнуються швидше, ніж перебудовується в стійке рівноважний стан утворилася з нього вода.

Унікальність фазового переходу лёд↔вода полягає в тому, що в талій воді концентрація іонів водню H + і гідроксилу OH- нетривалий час зберігається нерівноважної, якою вона була в кризі, тобто в тисячу разів меншою, ніж у звичайній воді. Через деякий час концентрація іонів H + і OH- в воді приймає своє рівноважне значення. Оскільки іони водню і гідроксилу відіграють вирішальну роль у формуванні надмолекулярних комплексів води (емулонов), вода на деякий час залишається в метастабільних станів. Реакція її дисоціації H2O → H + + OH- вимагає значної витрати енергії і протікає дуже повільно. Константа швидкості цієї реакції становить всього 2,5 ∙ 10-5 c-1 при 20оС. Тому час повернення талої води в рівноважний стан теоретично має становити 10-17 годин, що і спостерігається на практиці. Дослідження динаміки зміни концентрації іонів водню в талій воді в часі підтверджують це. Незвичайні властивості талої води спричиняють розмов про «пам'яті» води. Але під «пам'яттю» води слід розуміти залежність її властивостей від передісторії і нічого більше. Можна різними способами - заморожуванням, нагріванням, кип'ятінням, обробкою ультразвуком, дією різних полів і ін. - перевести воду в метастабільний стан, але воно буде нестійким, недовго зберігає свої властивості. Оптичним методом ми виявили в талій воді присутність лише однієї фракції надмолекулярних утворень з розмірами 1-3 мкм. Можливо, що знижена в'язкість і більш рідкісна просторова сітка з емулонов в талій воді збільшують розчиняють здатність і швидкість дифузії.

Реальність існування емулонов підтверджує класичний метод термічного аналізу (рис. 5). На графіку спостерігаються чітко виражені піки, які свідчать про структурні перебудови в воді. Найбільш значимі відповідають 36оC - температурі мінімальної теплоємності, 63оC - температурі мінімальної стисливості, і особливо характерний пік при 75оC - температурі максимальної швидкості звуку в воді. Їх можна трактувати як своєрідні фазові переходи, пов'язані з руйнуванням емулонов. Це дозволяє зробити висновок: рідка вода - дуже своєрідна дисперсна система, що включає як мінімум п'ять структурних утворень з різними властивостями. Кожна структура існує в певному, характерному для неї температурному інтервалі. Перевищення температури над граничним рівнем, критичним для даної структури, призводить до її розпаду.

література

Зацепіна Г. Л. Фізичні властивості і структура води. - М .: Изд-во Московського університету. - 1998. - 185 с.

Кузнєцов Д. М., Гапонов В. Л., Смирнов А. Н. Про можливість дослідження кінетики фазових переходів в рідкому середовищі методом акустичної емісії // Інженерна фізика, 2008, № 1, с. 16-20.

Кузнєцов Д. М., Смирнов А. Н., Сироешкін А. В. Акустична емісія при фазових перетвореннях в водному середовищі // Російський хімічний журнал - М .: Рос. хім. т-во ім. Д. І. Менделєєва, 2008, т. 52, № 1, с. 114-121.

Смирнов А. Н. Структура води: нові експериментальні дані. // Наука і технології в промисловості, 2010, № 4, с. 41-45.

Смирнов А. Н. Акустична емісія при протіканні хімічної реакції і фізико-хімічних процесів // Російський хімічний журнал. - М .: Рос. хім. т-во ім. Д. І. Менделєєва, 2001., т. 45, с. 29-34.

Смирнов А. Н., Сироешкін А. В. Супранадмолекулярние комплекси води // Російський хімічний журнал. - М .: Рос. хім. т-во ім. Д. І. Менделєєва, 2004, т. 48, № 2, с. 125-135.

***
Подробиці для допитливих

Як виникає «місток»

Освіта «водяного містка» описано в роботах нідерландського фізика Елмара Фукса з колегами [1, 2].

У два що стоять поруч невеликі ємності з водою опускають платинові електроди і подають на них постійна напруга 15-20 кВ. На фотографіях з [1] чітко видно, що спочатку в анодному склянці, а потім і в катодному на поверхні води виникають піднесення, які зливаються, утворюючи між ємностями водяну перемичку круглого перетину діаметром 2-4 мм. Після цього склянки можна відсунути один від іншого на 20-25 мм. Перемичка існує досить довго, утворюючи «ширяє водяний місток». Уздовж «містка» перетікає вода. Кінці «містка» різнойменно заряджені, тому вода в ємностях набуває різні значення рН: 9 і 4. «Місток» складається з тонких цівок; при піднесенні до нього зарядженої скляної палички він розщеплюється на кілька рукавів. Висока техніка експерименту дозволила зареєструвати рух кулястих утворень по поверхні «водяного містка» [2].

Пояснити цей ефект доктор Е. Фукс не зміг, але ряд спостерігали його дослідників схильні вважати ефект наслідком виникнення надплинності, зміни співвідношень кількостей орто- і парамолекул води (з паралельними і антипаралельними спинами відповідно) або тяжіння дипольних молекул води. Але жоден з цих варіантів пояснень не представляється переконливим. А виявлені гігантські надмолекулярні комплекси розмірами до 100 мкм - емулони - цілком підходять на роль елементів «містка». Виникнення на ньому сферичних утворень, наприклад, можна пояснити втратою стійкості нитками з емулонов і виштовхуванням деяких з них на поверхню «містка», по якій вони стануть переміщатися до одного з електродів.

література

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).