Использование процесса ГРВ при определении влияния различных растворителей на структурные особенности воды

2005 г.
Фирсов А.А., Щевелев М.И., Ащеулов А.Ю.
Воронежский Гос. пед. Университет

Растворение молекул различной природы в воде приводит к нарушению характерных для нее трансляционных и вращательных движений, изменению частоты и амплитуды колебаний, что в свою очередь отражается на состоянии надмолекулярной структуры жидкости.
Структура жидкости характеризуется следующими особенностями: наличием ближнего порядка в распределении молекул, флуктуацией плотности, ориентацией молекул, их ассоциацией и сольватацией.
Исследования физических объектов методом газоразрядной визуализации основываются на усилении сверхслабых процессов, протекающих в них. На вид ГРВ-грамм растворов оказывает влияние огромный набор факторов. Ниже будут описаны основные из них.
В первую очередь нужно разделить растворы электролитов и неэлектролитов. Первые вносят серьезные коррективы во внешнее электрическое поле, причиной которых является процесс диссоциации. После разрыва молекул одна часть ионов под действием поля смещается в мениск капли. Естественно знак их заряда будет совпадать с действующим в данный момент времени полем генератора. В результате происходит существенное усиление электромагнитного поля. Анионы, находящиеся на поверхности мениска способны испускать электроны в газовый промежуток, что сильно снижает пробивное напряжение. Это может привести к переходу коронного разряда в стримерную стадию. Хотя ионы вследствие малой подвижности не участвуют в ударной ионизации, своим электромагнитным полем они сообщают электронам дополнительную энергию. Эксперимент показывает, что в результате описанных явлений возрастают значения площади свечения, яркости и изрезанности изображений. (рис. 1)

Рис. 1. ГРВ-граммы дистиллированной воды (1), водных растворов этилового спирта (2), сульфата мания (3), гидроксида калия (4).

Наряду с диссоциацией большое влияние на ГРВ-граммы оказывают структурные особенности раствора. Структура растворов зависит в основном от природы растворенного вещества, его концентрации, температуры. Особенности структуры ярко отражаются в процессе ГРВ [1]. Об этом позволяет судить исследование растворов спирта, который не является электролитом. Попадание молекул спирта в пустоты каркаса молекул воды вызывает стабилизацию ее структуры [2]. На ГРВ-граммах это выражается в основном в росте изрезанности и увеличении площади изображения. Яркость при этом возрастает незначительно.
Структура и свойства растворов электролитов во многом определяются взаимодействием ионов с молекулами воды. Макроскопически это проявляется в так называемых структурных эффектах гидратации – изменениях макросвойств, прямо и косвенно связанных со структурным состоянием системы, ее упорядоченностью.
Можно установить три границы гидратации: ближняя, дальняя и  растворитель, слегка искаженный действием растворенных ионов. Нашей задачей было установление корреляций между типом электролита и степенью структурной неоднородности воды с помощью метода газоразрядной визуализации.
При рассмотрении различных электролитов, нами было выяснено, что одни из них (такие как К+, Cs+, Br-, I-) действуют на структуру воды подобно повышению температуры (размеры структурных неоднородностей (скоплений) уменьшаются). Действие других (например, Al3+, Mg2+, Li+, SO42-) схоже с повышением давления (восстанавливают структуру растворителя, увеличивая тем самым размеры скоплений). Объяснить это можно тем, что молекулы воды, взаимодействуя с находящимся в растворе ионом, под действием создаваемого им сильного электрического поля не только ориентируются вокруг него в соответствии с направлением поля, но и претерпевают деформацию, так как один конец их притягивается ионом, а другой отталкивается от него. При этом большую роль начинает играть водородная связь, так как полярность их возрастает, и они становятся способными еще сильнее связываться с другими полярными молекулами и, в частности, с другими молекулами воды [3]. Результаты проведенных экспериментов находятся в согласии с рентгенографическими, оптическими, электрохимическими, термодинамическими и другими методами.
 Эти эффекты в процессе ГРВ растворов электролитов вуалируются увеличением яркости ГРВ-грамм вследствие электролитической диссоциации. Таким образом, наиболее информативным параметром, позволяющим судить о действии растворяемого вещества на структурно-термодинамические свойства воды, является изрезанность изображения.

Литературы:
1.    Фирсов А.А.и др. Регистрация изменения структурно-термодинамических характеристик воды при различных температурах методом газоразрядной визуализации. Статья в настоящем сборнике.
2.    Крестов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. – Л.: Химия, 1973, 304 с.
3.    Киреев В.А. Краткий курс физической химии. – М.: Химия, 1969, 640 с.