Структура воды: новые экспериментальные данные

Кандидат химических наук Александр Смирнов, профессор МИРЭА.

Воде дана таинственная власть
Быть соком жизни на Земле.
Леонардо да Винчи

Воду принято рассматривать и как практически нейтральный растворитель, в котором протекают биохимические реакции, и как субстанцию, разносящую по телу живых организмов различные вещества. Вместе с тем вода — непременный участник всех физико-химических процессов и, в силу своей огромной важности, самое изучаемое вещество. Изучение свойств воды не раз приводило к неожиданным результатам. Казалось бы, какие неожиданности может таить в себе несложная реакция окисления водорода 2H₂ + O₂ → 2H₂O? Но работы академика Н. Н. Семёнова показали, что реакция эта — разветвлённая, цепная. Было это более семидесяти лет назад, и про цепную реакцию деления урана ещё не знали. Вода в стакане, реке или озере не просто огромные количества отдельных молекул, а их объединения, надмолекулярные структуры — кластеры. Для описания структуры воды предложен ряд моделей, которые более или менее правильно объясняют только некоторые её свойства, а в отношении других противоречат эксперименту.

теоретически кластеры рассчитывают обычно только для нескольких сотен молекул или для слоёв вблизи межфазной границы. Однако ряд экспериментальных фактов свидетельствует, что в воде могут существовать гигантские, по молекулярным масштабам, структуры (работы члена-корреспондента РАН Е. Е. Фесенко).

В тщательно очищенной дважды дистиллированной воде и некоторых растворах нам удалось методом акустической эмиссии обнаружить и с помощью лазерной интерферометрии визуализировать структурные образования, состоящие из пяти фракций размерами от 1 до 100 мкм. Эксперименты позволили установить, что каждый раствор имеет свою, присущую только ему структуру (рис. 1, 2).

Рис. 1. Структура воды при температуре 20^оС, размер по горизонтали — 400 мкм. Белые пятна — это эмулоны.<br><br>

Рис. 2. Структура водных растворов при 20^оС: А — дистиллированная вода; Б — дегазированная минеральная вода боржоми; В — спиртовая настойка 70%.

Надмолекулярные комплексы образованы сотнями тысяч молекул воды, сгруппированных вокруг ионов водорода и гидроксила в виде ионных пар. Для этих надмолекулярных комплексов мы предлагаем название «эмулоны», чтобы подчеркнуть их сходство с частицами, образующими эмульсию. Комплексы состоят из отдельных фракций размерами от 1 до 100 мкм, причём фракций, имеющих размеры 30, 70 и 100 мкм, значительно больше остальных.

Содержание отдельных фракций эмулонов зависит от концентрации ионов водорода, температуры, концентрации раствора и предыстории образца (рис. 3). В

Рис. 3. Эмулоны в бидистиллированной воде при температурах 4^оС (А), 20^оС (Б), 80^оС (В). Размеры снимков 1,5 × 1,5 мм.

бидистиллированной воде при 4^оС комплексы плотно упакованы и образуют текстуру, напоминающую паркет. Как известно, вода при этой температуре имеет максимальную плотность. При повышении температуры до 20^оС в структуре воды происходят существенные изменения: количество свободных эмулонов становится наибольшим. При дальнейшем нагреве они постепенно разрушаются, число их уменьшается, и этот процесс в основном заканчивается при 75^оС, когда скорость звука в воде достигает максимума.

За счёт дальнодействия электростатических сил эмулоны в воде образуют довольно стабильную сверхрешётку, которая, однако, чутко реагирует на электромагнитные, акустические, тепловые и другие внешние воздействия.

Обнаруженные надмолекулярные комплексы непротиворечиво включают в себя все ранее полученные сведения об организации воды в нанообъёмах и позволяют объяснить многие экспериментальные факты, которые не имели стройного, логичного обоснования. К ним относится, например, образование «парящего водяного мостика», описанного в ряде работ.

Суть эксперимента заключается в том, что если поставить рядом два небольших химических стакана с водой, опустить в них платиновые электроды под постоянным напряжением 15—30 кВ, то между сосудами образуется водяная перемычка диаметром 3 мм и длиной до 25 мм. «Мостик» парит длительное время, имеет слоистую структуру, и по нему происходит перенос воды от анода к катоду. Этот феномен и все его свойства — следствие наличия в воде эмулонов, которые, по-видимому, обладают дипольным моментом. Можно предсказать и ещё одно свойство явления: при температуре воды выше 75^оС «мостик» не возникнет.

Легко объясняются и аномальные свойства талой воды. Как отмечалось в литературе, многие свойства талой воды — плотность, вязкость, электропроводность, показатель преломления, растворяющая способность и другие — отличаются от равновесных параметров. Сведéние этих эффектов к удалению из воды дейтерия в результате фазового перехода (температура плавления «тяжёлого льда» D₂O 3,82^оС) несостоятельно, поскольку концентрация дейтерия крайне незначительна — один атом дейтерия на 5—7 тыс. атомов водорода.

Изучение плавления льда методом акустической эмиссии позволило впервые установить, что после полного расплавления льда талая вода, находящаяся в метастабильном состоянии, становится источником акустических импульсов, что служит экспериментальным подтверждением образования в воде надмолекулярных комплексов (рис. 4).

Рис. 4. Изменение амплитуды сигналов акустической эмиссии и температуры воды в процессе таяния льда.

Эксперименты показывают, что талая вода на протяжении почти 17 часов может находиться в активном метастабильном состоянии (после плавления льда его микрокристаллики сохраняются только доли секунды и совсем не определяют свойства талой воды). Это загадочное явление объясняется тем, что при разрушении гексагональной кристаллической решётки льда резко меняется структура вещества. Кристаллы льда разрушаются быстрее, чем перестраивается в устойчивое равновесное состояние образовавшаяся из него вода.

Уникальность фазового перехода лёд↔вода заключается в том, что в талой воде концентрация ионов водорода H⁺ и гидроксила OH^– непродолжительное время сохраняется неравновесной, какой она была во льду, то есть в тысячу раз меньшей, чем в обычной воде. Через некоторое время концентрация ионов H⁺ и OH^– в воде принимает своё равновесное значение. Поскольку ионы водорода и гидроксила играют решающую роль в формировании надмолекулярных комплексов воды (эмулонов), вода на некоторое время остаётся в метастабильном состоянии. Реакция её диссоциации H₂O → H⁺ + OH^– требует значительной затраты энергии и протекает очень медленно. Константа скорости этой реакции составляет всего 2,5∙10^–5 c^–1 при 20^оС. Поэтому время возвращения талой воды в равновесное состояние теоретически должно составлять 10—17 часов, что и наблюдается на практике. Исследования динамики изменения концентрации ионов водорода в талой воде во времени подтверждают это. Необычные свойства талой воды служат причиной разговоров о «памяти» воды. Но под «памятью» воды следует понимать зависимость её свойств от предыстории и ничего больше. Можно разными способами — замораживанием, нагреванием, кипячением, обработкой ультразвуком, воздействием различных полей и др. — перевести воду в метастабильное состояние, но оно будет неустойчивым, недолго сохраняющим свои свойства. Оптическим методом мы обнаружили в талой воде присутствие лишь одной фракции надмолекулярных образований с размерами 1—3 мкм. Возможно, что пониженная вязкость и более редкая пространственная сетка из эмулонов в талой воде увеличивают растворяющую способность и скорость диффузии.

Реальность существования эмулонов подтверждает классический метод термического анализа (рис. 5). На графике наблюдаются чётко выраженные пики, свидетельствующие о

Рис. 5. Относительное изменение температуры при нагревании воды.

структурных перестройках в воде. Наиболее значимые соответствуют 36^оC — температуре минимальной теплоёмкости, 63^оC — температуре минимальной сжимаемости, и особенно характерен пик при 75^оC — температуре максимальной скорости звука в воде. Их можно трактовать как своеобразные фазовые переходы, связанные с разрушением эмулонов. Это позволяет сделать вывод: жидкая вода — очень своеобразная дисперсная система, включающая как минимум пять структурных образований с различными свойствами. Каждая структура существует в определённом, характерном для неё температурном интервале. Превышение температуры над пороговым уровнем, критичным для данной структуры, приводит к её распаду.

Литература

Зацепина Г. Л. Физические свойства и структура воды. — М.: Изд-во Московского университета. — 1998. — 185 с.

Кузнецов Д. М., Гапонов В. Л., Смирнов А. Н. О возможности исследования кинетики фазовых переходов в жидкой среде методом акустической эмиссии // Инженерная физика, 2008, № 1, с. 16—20.

Кузнецов Д. М., Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в водной среде // Российский химический журнал — 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 промышленности, 2010, № 4, с. 41—45.

Смирнов А. Н. Акустическая эмиссия при протекании химической реакции и физико-химических процессов // Российский химический журнал. — М.: Рос. хим. об-во им. Д. И. Менделеева, 2001, т. 45, с. 29—34.

Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды // Российский химический журнал. — М.: Рос. хим. об-во им. Д. И. Менделеева, 2004, т. 48, № 2, с. 125—135.

***

Как возникает «мостик»

Образование «водяного мостика» описано в работах нидерландского физика Элмара Фукса с коллегами[1, 2].

В две стоящие рядом небольшие ёмкости с водой погружают платиновые электроды и подают на них постоянное напряжение 15—20 кВ. На фотографиях из [1] отчётливо

Схема опыта. За короткое время из стаканчика с положительным электродом (анодом) через «мостик» утекло 0,5 грамма воды.

видно, что вначале в анодном стакане, а затем и в катодном на поверхности воды возникают возвышения, которые сливаются, образуя между ёмкостями водяную перемычку круглого сечения диаметром 2—4 мм. После этого стаканы можно отодвинуть

«Парящий водяной мостик» длиной около 3 сантиметров.

один от другого на 20—25 мм. Перемычка существует довольно долго, образуя «парящий водяной мостик». Вдоль «мостика» перетекает вода. Концы «мостика» разноимённо заряжены, поэтому вода в ёмкостях приобретает различные значения рН: 9 и 4. «Мостик» состоит из тонких струек; при поднесении к нему заряженной стеклянной палочки он расщепляется на несколько рукавов. Высокая техника эксперимента позволила зарегистрировать движение шаровидных образований по поверхности «водяного мостика»[2].

Наэлектризованная стеклянная палочка искажает форму «мостика» и разбивает его на струйки.

Объяснить этот эффект доктор Э. Фукс не смог, но ряд наблюдавших его исследователей склонны считать эффект следствием возникновения сверхтекучести, изменения соотношений количеств орто- и парамолекул воды (с параллельными и антипараллельными спинами соответственно) или притяжения дипольных молекул воды. Но ни один из этих вариантов объяснений не представляется убедительным. А обнаруженные гигантские надмолекулярные комплексы размерами до 100 мкм — эмулоны — вполне подходят на роль элементов «мостика». Возникновение на нём

Так могут выглядеть эмулоны, образующие нитевидную структуру «мостика».

сферических образований, например, можно объяснить потерей устойчивости нитями из эмулонов и выталкиванием некоторых из них на поверхность «мостика», по которой они станут перемещаться 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).

Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/20017/ (Наука и жизнь, Структура воды: новые экспериментальные данные)