Несмотря на широкий круг исследований воды, и водных растворов электролитов и неэлектролитов, вопросы изменений их свойств и структуры под влиянием внешних воздействий остаются предметом многочисленных теоретических и экспериментальных работ
Существуют различные модели воды, их объединяющей основой является утверждение о наличии в ее структуре как отдельных (независимых) молекул, так и объединенных различными связями, образующих динамически развивающиеся кинетические образования. Такое положение обусловливает наличие множества вариабельных состояний воды, а, следовательно, и проявление разнообразных свойств, в том числе и аномальных. В то же время можно утверждать, что особенности структурного строения воды и ее метастабильность позволяют последней значимо откликаться на внешнее воздействие любой природы. Можно отметить воздействие электрического, магнитного полей, внесение химических добавок в любом агрегатном состоянии, в частности электролитов и неэлектролитов и др. Многократно проверенные факты свидетельствуют, что даже малые энергетические воздействия и добавки различных веществ в очень малой концентрации приводят к существенному изменению физико-химических свойств систем, обусловливают сдвиги энергетических параметров последующих физико-химических процессов в десятки раз, превышающие сообщенную веществу энергию активирующего воздействия [11, с. 118; 6, с. 128; 14, с. 3―8; 3, с. 71―76; 13, с. 90]. Зафиксированы изменения структурных, оптических, кинетических, магнитных и других физико-химических свойств исследуемых водных систем [2, с. 99―118; 4, с. 25―21; 5, с. 301―303; 10, с. 63; 8, с. 1133―1135; 9, с. 2087―2092; 7, с. 567―568].
Одними из наиболее изученных являются водные растворы одноатомных спиртов. Строение водно-спиртовых растворов в значительной мере определяется структурой воды и спиртов, а также особенностями взаимодействия между компонентами в растворе. Индивидуальные спирты и вода представляют собой типичные ассоциированные жидкости, в которых практически все OH-группы молекул соединены межмолекулярными водородными связями. Известно, что алифатические спирты растворяются в воде в значительных количествах, благодаря образованию прочных водородных связей с ее молекулами. Представляет интерес выяснить, каким образом разрушается сетка водородных связей, составляющая основу структуры жидкой воды, в условиях конкуренции за эти связи между молекулами воды и спиртов. Исследования показывают, что при добавлении определенных количеств спирта к воде наблюдается стабилизация раствора, которая обусловливается в основном ассоциацией частиц, а также переходом менее упорядоченных структур в более упорядоченные. Жидкая вода состоит из областей определенного строения, называемых кластерами. При добавлении спирта сначала заполняются пустоты между кластерами, что приводит к их стабилизации, а затем молекулы спирта начинают конкурировать за водородные связи внутри кластеров. При концентрациях спирта больше 30 мас. % происходит разрушение структуры воды. При этом гидрофильные группы спиртов могут замещать молекулы воды в локальных образованиях. Особенно легко в структуру воды внедряются небольшие по размеру молекулы спирта, которые, попадая в локальные молекулярные образования, сохраняют пространственное расположение молекул воды. Это подтверждает тот факт, что при добавлении спирта к воде наблюдается уменьшение межслойных расстояний по сравнению с теми же значениями для воды. С возрастанием алкильного радикала происходит постепенное увеличение межслойных расстояний, что доказывает разрушающее воздействие более объемных молекул спирта, которое сопровождается более существенными перестройками пространственного расположения молекул в локальных образованиях воды [13, с. 14―18].
Цель работы: изучить влияние электромагнитного (ЭМ) поля радиочастотного диапазона на объемные и поверхностные свойства разбавленных водных растворов бутанола.
Методика эксперимента
Для приготовления 0,2 М растворов спиртов в мерную колбу объемом 1 литр вносили 18,3 мл бутанола марки «х. ч.» и доводили до метки дистиллированной водой. Из растворов с концентрацией 0,20 моль/л путем разбавления готовили растворы меньшей концентрации.
Источником электромагнитного поля являлся высокочастотный генератор Г3-19А, выходная мощность которого составляла 1 Вт, диапазон частот ― 30―200 МГц. Напряжение на ВЧ электродах ― 20―22 В.
Для облучения воды и водных растворов спирта использовали ячейку емкостного типа. Ячейка состояла из тефлонового стаканчика объемом 20 мл, в центре которого располагался внутренний ВЧ электрод, представлявший собой латунный стержень, изолированный тефлоном. Внешним ВЧ электродом служил алюминиевый стаканчик, плотно прилегавший к поверхности тефлона. Электроды через дно стаканчика присоединялись к генератору посредством ВЧ кабеля.
Измерение электропроводности проводили на кондуктометре ОК-102/1 с платиновыми электродами. Электроды хранили в дистиллированной воде, периодически очищая поверхность путем промывания разбавленной HNO3. Постоянная ячейки, определенная с помощью 0,01 М раствора KCl, составляла 51 м-1. Перед проведением экспериментов проводилась проверка чистоты посуды (ячейки, стаканчика) по величине электропроводности дистиллированной воды. В работе использовали дистиллированную воду с начальной удельной электропроводностью 1,2*10-4―1,7*10-4 См/м.
Показатель преломления растворов спирта измеряли с помощью рефрактометра УРЛ № 77-2549, плотность ― пикнометрически при температуре 296 К.
Поверхностное натяжение σ определяли сталагмометрическим методом. Расчет проводили по уравнению
σx=σ0 (mx/m0),
где: m0и mx ― масса капли воды и раствора ПАВ соответственно,
σx ― поверхностное натяжение облученного раствора бутанола,
σ0 ― поверхностное натяжение воды при соответствующей температуре.
Результаты и их обсуждение.
Проведенные исследования показали изменение как объемных, так и поверхностных свойств водных растворов бутанола в результате электромагнитного воздействия. Эффективность полевого воздействия зависела от частоты и времени облучения.
Максимальное увеличение электропроводности раствора бутанола наблюдалось при ЭМ воздействии частотой 130 и 170 МГц (рис. 1) и составило 54 % (170 МГц).
Рисунок 1. Изменение удельной электропроводности 0,2 М раствора бутанола в результате воздействия ЭМ поля различной частоты (tобл=60 мин, t=230С)
Значительный рост электропроводности наблюдался в первые 30―40 минут воздействия, в дальнейшем происходило постепенное нарастание измеряемой величины и через 2,5 ч после начала облучения величина удельной электропроводности составляла уже 8,4*10-4 См/м и превышала исходное значение в 3 раза (рис.2).
Рисунок 2. Зависимость удельной электропроводности 0,2 М раствора бутанола от времени облучения (f=170 МГц, t=230С)
После прекращения полевого воздействия электропроводность раствора измеряли каждые сутки в течение 10 дней. Электропроводность продолжала нарастать и достигла 23*10-4 См/м (рис. 3). В дальнейшем изменений не наблюдалось.
Рисунок 3. Зависимость удельной электропроводности раствора бутанола от времени, после прекращения облучения (f=170 МГц, t=230С)
Увеличение электропроводности воды при добавлении к ней спирта может быть следствием либо возрастания числа носителей заряда, либо увеличением их подвижности. Поскольку кислотные свойства бутанола выражены в меньшей степени, чем у воды, наблюдаемый рост электрической проводимости может быть следствием увеличения подвижности ионов водорода и гидроксила, образовавшихся в результате частичной диссоциации молекул воды. Как следует из литературных данных [12, с. 14―18], спирты упорядочивают водную структуру, что облегчает перемещение протонов и ионов гидроксила по сетке водородных связей (эстафетный механизм электропроводности). Можно предположить, что поглощаемая раствором энергия электромагнитного поля расходуется на упрочнение водородных связей между молекулами воды, т. е. поле в еще большей степени изменяет надмолекулярную структуру воды. Проведенные ранее исследования показали, что, облучение воды полем частотой 170 МГц приводит к десятикратному увеличению ее электропроводности [1, с. 48―50]. В присутствии спирта, из-за гидрофобных взаимодействий, вода уже частично структурирована, поэтому эффективность полевого воздействия существенно ниже. Если высказанное предположение верно, то должны изменяться и другие объемные свойства воды, зависящие от ее надмолекулярной структуры.
В результате проведенных исследований установлено значимое изменение (как снижение, так и возрастание) плотности раствора бутанола. Максимальное увеличение плотности явилось результатом полевого воздействия частотой 170 МГц, при этой же частоте наблюдалось и максимальное изменение показателя преломления ― он возрастал на 0,2 %. Данные представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Изменение плотности и показателя преломления 0,2 М раствора бутилового спирта в результате воздействия ЭМ поля различной частоты (tобл=60 мин, t=230С)
Поверхностное натяжение на границе жидкости с газовой фазой можно представить как работу переноса молекул из объема на поверхность. Т. к. поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то оно ими и обусловлено Чем сильнее межмолекулярные связи в данной жидкости, тем больше ее поверхностное натяжение (работа когезии Wк = 2σж/г) [15, с. 68―85]. Ранее [1] было установлено увеличение поверхностного натяжения воды (максимально на 5 % в результате воздействия поля частотой 170 МГц), что подтверждает гипотезу об упрочнении ее надмолекулярной структуры в результате полевого воздействия.
Структурирование воды в результате ЭМ воздействия должно приводить к повышению поверхностной активности спиртов, что было проверено экспериментально. Водные растворы бутанола (С=0,025 М) облучали полем различной частоты в течение 30 минут и измеряли поверхностное натяжение. Каждая порция спирта подвергалась воздействию поля только одной частоты. Максимальное снижение поверхностного натяжения σ наблюдалось при частотах 130 и 150 МГц (рис. 4). После воздействия поля частотой 130 МГц поверхностное натяжение раствора бутанола снижалось в максимальной степени ― на 3,7 %. При концентрации спирта 0,2 моль/л снижение σ было выражено в меньшей степени. Оно составило 2,65% в результате воздействия поля частотой 130 МГц.
Рисунок 4. Зависимость поверхностного натяжения раствора бутанола от частоты ЭМ поля (tобл=30 мин., t=230С)
Изменение поверхностного натяжения спирта происходило в течение первых 15―30 минут электромагнитного воздействия. Дальнейшее облучение не приводило к снижению измеряемой величины (рис. 5).
Рисунок 5. Зависимость поверхностного натяжения раствора бутанола (С=0,025М) от времени облучения (f=130 МГц, t=200C)
Полученные результаты не противоречат гипотезе о структурировании воды в результате полевого воздействия, т. к. усиление взаимодействия между молекулами воды должно ослаблять взаимодействие молекул воды с углеводородными радикалами молекул спирта, что приводит к вытеснению последних из объема водной фазы на поверхность, что приводит к увеличению поверхностной концентрации спирта и, как следствие, к снижению поверхностного натяжения раствора.
Таким образом, проведенные исследования показали изменение как объемных, так и поверхностных свойств водных растворов бутанола, обусловленных, по нашему мнению, изменением их надмолекулярной организации в результате поглощения энергии электромагнитного поля.
Список литературы:
1.Бессонова А.П., Стась И.Е., Частотная дисперсия физико-химических свойств воды, подвергшиеся ЭМ воздействию // Известие ВУЗов. Химия и химическая технология. ― 2010 год. ― Т. 53,выпуск 4, С. 48―50.
2.Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков. Свершения и прогнозы / А.Л. Бучаченко // Журнал успехи химии. ― 1999. ― Т. 68, № 2. ― С. 99―118.
3.Гапочка Л.Д. Воздействие электромагнитного излучения КВЧ ― и СВЧ ― диапазонов на жидкую воду / Л.Д. Гапочка, М.Д. Гапочка, А.Ф. Королев // Вестник МГУ. ― Сер. ― Физ. астрон. ― 1994. ― Т. 35, № 4. ― С. 71―76.
4.Железцов А.В. Магнитные явления в растворах / А.В. Железцов // Электронная обработка материалов. ― 1976. ― № 4. ― С. 25―31.
5.Киргинцев А.Н. К вопросу о влиянии магнитного поля на физико-химические свойства растворов / А.Н. Киргинцев, В.М. Соколов, В.И. Ханаев // Журнал физической химии. ― 1968. ― Т. 48. ― С. 301―303.
6.Классен В.И. Омагничивание водных систем / В.И. Классен. ― М.: Химия, 1982. ― 128 с.
7.Красиков, Н. Н. Влияние электрического поля на ионный состав водных растворов / Н. Н. Красиков // Журнал физической химии. – 2002. – Т. 76, № 3. – С. 567 – 568.
8.Красиков Н.Н. Действие электромагнитного поля на жидкости, осуществляемое без контакта с потенциалозадающими электродами / Н.Н. Красиков, О.В. Шуваева // Журнал физической химии. ― 2000. ― Т. 74, № 6. ― С. 1133―1135.
9.Лобанов А.И. Параметрический резонанс и формирование диссипативных структур в растворах электролитов при воздействии периодического электрического поля / А.И. Лобанов, Т.К. Старожилова, А.П. Черняев // Журнал физической химии. ― 2000. ― Т. 74, № 11. ― С. 2087―2092.
10.Миненко В.И. О физико-химических основах магнитной обработки воды / В.И. Миненко, В.И. Петров // Теплоэнергетика. ― 1962. ― Т. 9. ― С. 63.
11.Мокроусов Г.М. Физико-химические процессы в магнитном поле / Г.М. Мокроусов, Н.П. Горленко; под ред. Д.И. Чемоданова. ― Томск: Изд-во ТГУ, 1988. ― 128 с.
12.Монахова Ю.Б., Муштакова С.П., Квантовомеханическое изучение системы вода ― одноатомные спирты // Известия Саратовского университета. ― 2006. ― Т. 6, № 1/2 ― С. 14―18.
13.Персидская А.Ю. О влиянии импульсного магнитного поля на механические свойства полимерных волокон / А.Ю. Персидская, И.Р. Кузеев, В.А. Антипина // Журнал химической физики. ― 2002. ― № 2. ― С. 90.
14.Плеханов Г.Ф. Три уровня механизмов биологического действия низкочастотных электромагнитных полей / Г.Ф. Плеханов // Биологические механизмы и феномены действия низкочастотных и статических электромагнитных полей на живые системы: материалы Всесоюзного симпозиума ― Томск, 1984. ― С. 3―8.
15.Фролов Ф.Г. Курс коллоидной химии. ― М: Химия. ― 1989, С 68―85.