| УДК 546.212; 53.043 ИОН - КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ АССОЦИАЦИЯ ВОДЫА.А. Стехин, Г.В. Яковлева, В.А. Ишутин Военный университет радиационной, химической и биологической защиты В.К. Кондратов Восточный углехимический институт Ю.А. Рахманин НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды По данным экспериментальных исследований полная совокупность структур и свойств воды формулируется в виде явления объемной гетерогенной цепочечной ион-кристаллической ассоциации воды в электромагнитном поле. Вода, структура, лед, ассоциаты молекул. В настоящее время существует понятие "живая вода", которое связывается с изменением свойств воды с приданием ей биологической активности в результате воздействия на нее различных физических полей. Такая вода способна к ускоренному самоочищению, стимулирует биологическую активность, в результате которой ускоряется рост растений и изменяется физиологическое состояние живых организмов. Состояния воды и водных систем определяются внешними условиями, изменение которых приводит к ее структурной перестройке. Подобные структурные изменения необратимы или долговременны, что связано с кооперативными процессами самоорганизации. Данные процессы позволяют предположить, что вода является сложной ассоциированной жидкостью, в которой наряду с объемной фазой существуют льдоподобные структуры, подверженные структурной перестройке. В последние годы российскими научными школами установлена способность молекул воды к ориентационному центрально - симметричному упорядочению в поле электрической поляризации (гидрофобной волны), возникающей вблизи плоской поверхности. Это приводит к увеличению в одном направлении примерно в 2 раза количества водородных связей и возрастанию энергии межмолекулярного взаимодействия, что формирует атомные поверхностные структуры, характеризуемые высокими давлениями в прослойках (расклинивающее давление - 108...109 Па) [1,2]. При данных давлениях в соответствии с формирующимися в системе термодинамическими условиями кристаллические структуры должны соответствовать аллотропным формам льда [3]. Анализ известных данных рентгеноструктурных исследований свойств воды, рассеяния нейтронов, интерферометрии, магнитной томографии и др. [4-7], дают основание предположить, что вода при положительных температурах (более 0,15° С) представляет собой трехфазную коллоидную систему, в которой коллоидные частицы образуют две дополнительные фазы связанного состояния вещества, включающего аллотропные формы льдов. Дальнейшее подтверждение данной гипотезы основывается на изучении физических (образование неустойчивостей на межфазных границах, электромагнитной активности и "памяти" воды...), физико - химических (генерация связанных и свободных радикалов, хемилюминесценция, самоокисление…) процессов, исследований анизотропии диэлектрических, магнитных и электрических свойств воды. Наличие анизотропии подобных объемных метастабильных структур также может быть подтверждено на основе процессов их неравновесных фазовых превращений при изменении фазового состояния самой "матрицы" (фазовые переходы "жидкость - лед I", "жидкость – пар") и модуляции фазовой прочности льдов в составе ассоциатов электрическим или магнитным полем (электромагнитной волной), то есть при использовании тех методов, которые позволяют возбудить в связанных состояниях воды кристалло - химические, деформационно - тепловые и т.п. неустойчивости, развивающиеся за счет запасенной в среде энергии (скрытой теплоты). При этом очевидно, что получаемые данные, связанные с изучением неустойчивостей в кооперативных системах, определяются нелинейными процессами, зависящими от структурно - физических параметров системы. Для изучения строения и свойств ион - кристаллических ассоциатов нами разработано научно - методическое обеспечение, позволяющее осуществлять наблюдение поведения ассоциатов при воздействии внешних факторов и проводить их параметрическую оценку [8]. Разработанные методики исследования свойств связанных состояний воды основываются на регистрации пространственного разделения и активации ассоциатов в электрическом поле, оценке их параметрических характеристик в неравновесных процессах фазовой трансформации по продуктам распада и в межфазных процессах с использованием криофизических методов исследования, на регистрации изменений электропроводности и коэффициента электроосмоса, фиксации возникновения индуцируемых импульсов магнитных полей и определении параметров протонного магнитного резонанса и др. Для параметрической оценки пространственных характеристик ассоциатов активированная электрическим полем и разделенная пространственно на две зарядовые фазы вода подвергалась замораживанию в условиях ее экранирования от геомагнитных полей. При медленном охлаждении подобной системы в связанных состояниях воды образуются тепловые неустойчивости, распад которых сопровождается разложением связанной воды и выделением растворенных атмосферных газов. Процесс кристаллизация воды в этих условиях сопровождается внедрением переохлажденной жидкости в структуру льда-I и последовательной импульсной кристаллизацией с образованием линейных включений во льду. При этом микровключения имеют цилиндрическую форму. Образующиеся в результате неравновесной трансформации ассоциатов продукты распада формируют во льду два типа полостей: длинные слегка изогнутые цепочечные цилиндрические газовые полости, расположенные эквидистантно и перпендикулярно поверхности границы раздела фаз, примерно равноотстоящие друг от друга и мелкие сильно изогнутые нити или микропузырьки в центральной части (рис.1).
В зависимости от степени электролитической активации при замораживании активной воды изменяется соотношение плотности мелких и крупных газовых полостей. Водородный показатель (рН) среды центральной части, представленной газовыми образованиями малых размеров равен 4, в то время как для крупных газовых включений он составляет -10. Ориентация газовых включений, имеющих одинаковую геометрическую форму, зависит от формы емкости и имеет преимущественное направление вдоль ее наибольшего размера. При вымораживании воды в двух рядом стоящих сосудах наблюдается их взаимное влияние, проявляющееся в отклонении газовых полостей друг от друга, что указывает на наличие у ион - кристаллитов нескомпенсированного заряда одного знака (положительного - для малоразмерных ион - кристаллитов, отрицательного - для крупноразмерных ион - кристаллитов). Подобное поведение газовых полостей в потенциальном поле косвенно указывает на то, что образующие их ион - кристаллические ассоциаты несут на себе заряд, а в промежутках между ними находится изотропная жидкость, не имеющая заряда. Образование цилиндрических газовых включений во льду указывает на наличие мезогенных свойств у ион - кристаллитов различных знаков, что обусловливает различие их поведения при кристаллизации. Положительно заряженные ион - кристаллиты как частицы, способные к большему переохлаждению и являющиеся более гибкими, вытесняются фронтом льда в центр цилиндра, при этом в центральной части создается повышенная плотность ион-кристаллитов положительного заряда. Ассоциаты отрицательного заряда вследствие своей более высокой упругости и действия кулоновских сил внедряются в структуру формирующегося льда-I и образуют периодическую структуру, на которую указывают газовые полости на рис.1, имеющие примерно равную длину и объем. Это свидетельствует о фиксированных линейных размерах ассоциатов и их преимущественном расположении в виде цепочечных структур, разъединенных друг от друга поверхностными пленками в их торцевых частях. По мере приближения цепочки к центральной области вымораживаемого объема жидкости она обрывается вследствие сильного кулоновского взаимодействия ассоциатов отрицательного заряда с ассоциатами положительного заряда. Размеры образующихся газовых полостей зависят от температуры и от напряженности электрического поля активации воды. Так при Т» 1.5оС диаметр крупных полостей составляет 0,1...0,2 мм, а при Т» 20оС-0,8...1,2 мм. Газовые полости положительно заряженных ассоциатов изменяются в зависимости от температуры от единиц до десятков мкм. Повышение потенциала активации также приводит к увеличению диаметров полостей. Полагая длину ион-кристаллита неизменной, расчет параметров характерных поперечных размеров ион - кристаллитов показывает, что диаметр ассоциатов отрицательного заряда составляет 3...40 мкм, а положительного - 0,03...0,1 мкм. Длина отрицательного ассоциата по параметрам газовой полости составляет порядка 500 мкм. Таким образом, на основании макрофизических исследований кооперативных процессов при трансформации метастабильных структур льдов установлено, что вода представляет собой гетерогенную коллоидную систему, в которой наряду с объемной водой существуют униполярные ион - кристаллические ассоциаты. При этом при положительных температурах их свойства определяются структурой льдов-VI, YII и YIII, имеющих точки фазовых в этой области.
Ион-кристаллический ассоциат можно представить в следующем виде: между нематической частью ассоциата и поверхностной пленкой находится структурированная жидкость с плоскими доменами кубического льда, стабилизированными структурным давлением адсорбированной жидкости. На рис.2 приведена зависимость внутриструктурного давления с учетом коллинеарности и эквидистантности расположения ассоциатов в свободной полярной жидкости (осцилляции давления на приведенной зависимости сглажены) в направлении, перпендикулярном вектору нематика ассоциата. Зависимость внутриструктурного давления в жидкости имеет два типа осцилляций, формируемых ассоциатами льдов-YI и YII. Значения давлений, соответствующих критическим давлениям фазообразования кристаллических структур, ограничивают области существования жидкой фазы. При давлениях выше критических существуют ион - кристаллические ассоциаты, физическое состояние которых описывается фазами высоких давлений и 2d-состоянием вещества (двумерное). Ассоциаты разных фаз кристаллического состояния воды отличаются своими диэлектрическими характеристиками, вследствие чего ван-дер-ваальсово взаимодействие проявляется как притяжение спектрально - подобных молекул вводимого в жидкость вещества. Наличие сил притяжения для протоноакцепторных веществ (Fа) у ассоциата положительной полярности и протонодонорных свойств - у ассоциата отрицательной полярности (Fд) создает условия для направленной диффузии веществ в соответствии со знаком их дальнодействующего взаимодействия. На рис.3 показан процесс формирования аква - ассоциатов в воде при возникновении гидрофобной волны (волны спонтанной электрической поляризации).
Исходное состояние объемной жидкости в соответствии с выше изложенными представлениями характеризуется анизотропией свойств и давлений (рис.2). Поле давлений в жидкости формируется аква - ассоциатами в объемной жидкости с ортогональным к поверхности расположением и чередованием ассоциатов положительной и отрицательной полярности (в нейтральных средах). Ассоциаты формируют дальнодействующие поля, обеспечивающие плотную упаковку свободной воды в виде доменов гексагонально - клатратной структуры [9]. При образовании термодинамической неустойчивости (стадия б, рис.3), инициируемой, например, изменением равновесного расстояния между ассоциатами в результате распада какого - либо ассоциата в дальнем порядке объемной жидкости при изменении внешних условий, силы удерживания плотноупакованных гексагонально - клатратных структур уменьшаются. В результате формирования в свободной жидкости ион - кристаллических ассоциатов в ней образуются области фазовой и структурной гетерогенности. Процесс формирования аква - ассоциатов инициируется термодинамической неустойчивостью, связанной, например, с изменением равновесного расстояния между ассоциатами в результате распада какого - либо ассоциата в дальнем порядке объемной жидкости при изменении внешних условий, в результате которого силы удерживания гексагональных упаковок уменьшаются. Это приводит к возрастанию хаоса в движении молекул и упорядывающему доминированию поверхностных сил границы раздела фаз. Возрастание толщины структурного слоя поверхности раздела фаз подтверждается интерферометрическими измерениями [10], показывающими увеличение толщины граничного поверхностного слоя вблизи точек фазового перехода. Однако подобное увеличение не может быть однородным из-за анизотропии свойств жидкости. Поэтому термодинамически более выгодно структурирование вдоль направлений минимальных давлений в системе (стадия в). В подобных условиях в системе происходят фазовые переходы с образованием аллотропных форм льдов (YI-YIII). Однако стабильное существование подобных форм в виде объемной структуры аллотропной модификации льда невозможно, так как при исчезновении гидрофобной волны поверхностные структурные силы распространяются только в пределах ~ 1 периода решетки. Последующий переход может быть связан с расщеплением гексагона на две модификации - нематические цепочки с кубической и тетрагональной упаковками (рис.3в). Однако подобные льды обладают резко отличными диэлектрическими свойствами, что определяет появление сильного отталкивательного ван - дер - ваальсового взаимодействия между ними и сильного электрического поля как между цепочками и свободной жидкостью, так и между цепочками льдов. Эти силы, имеющие порядок 108В/см, достаточны для диссоциации молекул воды вблизи активных центров цепочек и их направленного переноса с образованием протоноактивных и гидроксильных центров. В последующем образовавшийся нематик стабилизируется в ассоциат. Скорость гидрофобного взаимодействия согласно экспериментальных оценок ~ 20 м/сек. Таким образом, полная совокупность структур и свойств воды может быть сформулирована в виде неизвестного ранее явления объемной гетерогенной цепочечной ион - кристаллической ассоциации воды в электромагнитном поле, заключающегося в том, что при наложении электромагнитного поля на ассоциаты воды происходит анизотропное фрагментальное структурное упорядочение кристаллов аллотропных форм льдов, ионов и нейтральных молекул воды с образованием ион - кристаллических систем, ограниченных межфазной адгезионной пленкой, стабилизированных донорно - акцепторным взаимодействием компонентов ион - кристаллитов и ориентированных ортогонально поверхности раздела фаз. Источники информации
| ||||||||||||||
