ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 6, с. 452-458
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ХИМИИ ^^^^^^^^^^ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
УДК 543.613.22;546.212;5443543
МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОДЕ
© 2007 г. А. Д. Стыркас*, Н. Г. Никишина**
*Институт физики твердого тела Российской академии наук 142432, Московская обл., Черноголовка **Научно-исследовательский центр квантовой медицины "Видгук", Киев Поступила в редакцию 06.07.2006 г.
Показано, что при механических колебаниях с инфразвуковыми частотами в воде наблюдается эффект роста концентрации протонов и некоторых продуктов, в том числе и с высоким окислительным потенциалом. Обнаруженный в данной работе эффект протекания химических реакций в воде при ее механическом движении обсуждается с точки зрения одной из возможных абиогенного пополнения запасов кислорода на Земле.
В воде существуют гигантские кластеры размерами до 100 мкм и они движутся не броуновски, а упорядоченно [1]. В ассоциатах воды устойчив даже сольватированный электрон [2]. Гипотеза о разложении воды при воздействии звука [3] подтвердилась экспериментально. В работах [4, 5] установлено образование перекиси водорода при сонолизе, в связи чем высказана идея о возможности абиогенного происхождения кислорода в воде [3-6]. В работе [7] показано, что содержание Н202 в любой дождевой воде практически постоянно, независимо от смога или прошедших гроз.
Свойства воды на поверхности раздела жидкой и твердой фаз отличны от объемных. Очень важной особенностью является отсутствие растворенных веществ в тонком слое воды на границах фаз [8-10]. Электропроводность в кровеносных капиллярах описывается волной солитонного типа, где протон переносится вдоль цепочки водородных связей в виде ионов Н30+, ОН-, дефектов Бьерру-ма [11, 12], и так вода поставляет протоны при ионном обмене на мембранах.
Водородные связи в воде создают полимерные цепочки молекул H2O с отличной от нейтральной воды электрической активностью [6, 13-16]. Время жизни их в объеме т = 10-11с [10], но у поверхности оно существенно выше, что позволило инициировать в воде переход в-Sn —► ^-Sn [17] и выращивать монокристаллы a-Sn [18-20].
Полимерные цепи воды могут рваться механически [3-6, 21, 22]. В полимерах энергия межмолекулярного взаимодействия за счет ван-дер-вааль-совых и водородных связей значительно превышает энергию отдельной химической связи и за счет этого может происходить механокрекинг молекул воды, т.е. разрыв химических связей. Это не противоречит закону сохранения энергии [21]. Деформация, радиация, электромагнитные поля разры-
вают связи в твердых телах, биообъектах, жидкостях [21, 22], создают радикалы. Велика роль физико-химических факторов в биологических и геологических процессах. Говоря о роли механических сдвигов, основное внимание уделяют процессам с участием кавитации [21]. В [3-6] показано, что она не является необходимой.
В настоящей работе показано, что механическое движение чистой воды приводит к появлению продуктов химического превращения. Происходят изменения потенциалов индикаторных электродов, присутствие которых в воде для этого не является необходимым, а, наоборот, снижает эффективность процесса.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Измеряли показания Р^ хингидронного и стеклянного электродов как в присутствии их в воде при колебаниях, так и при введении в воду после накопления продуктов превращения. Схема опытов показана на рис 1. Вода приводилась в движение вручную и поршневым дозатором, который с частотой 1 Гц прогонял заданный объем по полиэтиленовым трубкам в замкнутой системе. Менялось расстояние между трубками и электродами, направление трубок и их калибр. Также с помощью электромеханического привода задавалось резкое возвратно-поступательное движение толчком с выбранной частотой. Кроме того, производилось вращение сосуда с водой вокруг оси, перпендикулярной длине сосуда. Движения сосуда с водой относительно магнитного поля Земли задавали вдоль магнитных линий, поперек и по биссектрисе угла между ними.
Использовали стандартный стеклянный электрод марки ЭСЛ 48-11, разность потенциалов измеряли ионометром И-135М.1. Платиновые электро-
ЭС
Pt
— ■ -j —
И
Б
(А)
&
о н л со О И
t
(Б)
(В)
(Г)
Рис. 1. Схема опытов по наблюдению динамики изменения Red-Ox потенциалов, рН и температуры при различном характере движения воды. ЭС - электрод сравнения, Pt - платиновый электрод, ИБ - измерительный блок, А - перемещение сосуда с водой вручную, Б - прокачка воды автоматическим дозатором, В - сосуд закреплен и совершает возвратно-поступательные движения толчками при запуске реле метрономом: а - показан опыт со слоем масла, б - крестиками обозначен добавленный хингидрон, Г - пробирка с водой вращается вокруг своей оси.
ды представляли собой проволоку, впаянную в стекло и полностью погруженную в воду. Подготовка электродов стандартная, флуктуации потенциала составляли менее мВ (рис. 2А). Электрод сравнения - насыщенный каломельный электрод (НКЭ).
Измерялись при идентичных колебаниях изменения потенциалов Pt-электрода, реагирующего на Red-Ox потенциал продуктов, и хингидронного электрода, реагирующего лишь на изменение концентрации протонов. Отношение концентраций хи-нон/гидрохинон в хингидроне постоянно, так как раствор насыщен хингидроном. Сравнивали всегда относительные ДЕ электродов. При работе с Pt и хингидронным электродами измерения регистрировались с помощью двухкоординатного самописца H307/1 и вольтметра ME-31. Принимались меры по изоляции электродов от атмосферы. Опыты проводили в присутствии или в отсутствие в воде электродов при колебаниях, при этом измерительную цепь держали или замкнутой, или разомкнутой.
"Пилы" на рис. 2, 5 обусловлены дискретностью записей с интервалами, заданными прибором, так как момент записи выпадает на случайные точки кривой при движении. Непрерывная запись (рис. 3) выявляет динамику изменений потенциала. Существование эффекта движения проверено на образцах воды: дистиллированной, водопроводной, дегазированной, талой, нейтральной, при рН 1 и 10; в атмосфере воздуха, углекислого газа, кислорода, а также в ее отсутствие под слоем масла. Измеряли лишь изменение величин потенциалов, а не их абсолютное значение. Объем сосуда 100 мл, хотя эффект имеет место при любых размерах сосуда. Перемешивание, кроме изучаемых форм движения воды, исключалось.
В
a ч!
1
_|_L
2
J_L_
5 0 50 100 150 200 250 300
К
50
100 150 Время, c
200
250
Рис. 2. Динамика изменения Red-Ox потенциалов ДЕ при встряхивании (рис. 1 В). A: частота толчков 1.6 Гц, фон - отсутствие сигналов при работающем рядом реле и дозаторе (1), электроды закреплены неподвижно на штативе, тележка с водой совершают движения (2), электроды движутся вместе с водой (а -исходное значение потенциала электрода; b - колебания потенциала в процессе встряхивания сосуда, с -релаксация после остановки) (3). Б: электроды неподвижны, вода движется вдоль Земного меридиана (1), перпендикулярно ему (2).
0
0 5 10 15 20
Время, с
Рис. 3. Изменения потенциалов АЕ при одиночных толчках вручную (рис. 1А). Электроды закреплены неподвижно, сосуд с водой совершают движения: резким толчком (1), медленным перемещением (2), более быстрым - "средняя скорость" (3), резкий толчок "туда" и "назад" (4).
Для предотвращения возможности фотохимических реакций [15] опыты проводили в помещении с рассеянным светом без попадания лучей на стеклянный (или пластмассовый) сосуд с водой. Для предотвращения образования Н202 от соприкосновения с 02 [7, 23] воду дезгазировали кипячением и быстрым охлаждением в герметичном сосуде. Изменения температуры контролировали батареей термопар, термометром Бекмана или терморезистом. Время измерений составляло от нескольких секунд до нескольких минут, а для увеличения температуры на 1°С потребовалось непрерывное вращение сосуда с водой со скоростью 2 об/с (рис. 1Г) в течение часа. При увеличения продолжительности процесса концентрация продуктов должна достичь стационарного значения, но нахождение его не входило в задачу исследования.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Инерционность стеклянного электрода не дает возможности судить о динамике изменения потенциала, но фиксирует интегральные изменения в воде. Процессы всегда идут в сторону повышения кислотности. Так, периодические колебания привели к изменениям потенциала стеклянного электрода за 5 мин качки сосуда с водой с частотой 1 Гц, которые соответствуют снижению рН на 0.1 от исходного (6.5), близкого к нейтрально-
0 5 10 15 20 25 30 Время, с
Рис. 4. Математическая обработка кривой релаксации потенциала АЕ. Экспериментальные значения -точки, расчетные кривые 1-3.
му. Отметим, что величина рН не играет роли для обнаружения эффекта изменения потенциала электрода. Через 5 мин после прекращения колебаний значение рН возвращалось к исходному. Это наблюдение близко к обнаруженному в [24] упорядоченному движению гидрофильных частиц, нарушаемому при гидродинамических возмущениях, но быстро восстанавливаемому. Однако, как нами показано ниже, возврат не полный и изменения накапливаются.
Положительный потенциал индикаторного платинового электрода возрастал, в зависимости от интенсивности механического действия, на несколько мВ и даже десятки мВ. В результате релаксации при покое его величина постепенно падала
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Время, c
Рис. 5. Динамика изменения Red-Ox потенциалов AE при колебаниях дегазированной воды с открытой поверхностью в атмосфере воздуха (1); с поверхностью воды, закрытой слоем масла толщиной 10 мм (2).
почти до исходного значения. Характер изменения потенциала одинаков (рис. 2А, кривые 2, 3, участок "с"; рис. 2Б и другие), вне зависимости, находился ли электрод в воде в процессе колебаний или введен в воду после их прекращения, как будет показано ниже. Фон при работе электромеханического привода и дозатора рядом с покоящейся водой (рис. 2А, кривая 1) на 1.5-2 порядка ниже хорошо воспроизводимых сигналов. Независимость характера изменений потенциалов при движении воды относительно электродов (кривые 2, 3) подтверждает, что процесс не есть следствие перестройки только двойного слоя
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.