Регистрация изменения структурно-термодинамических характеристик воды при различных температурах методом ГРВ

2005 г.
Фирсов А.А., Щевелев М.И., Ащеулов А.Ю.
ВГПУ                                          

Общепринятой моделью воды в настоящее время считается четырехполюсная, согласно которой электрические заряды молекулы воды расположены в вершинах тетраэдра. Два отрицательных полюса созданы избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, а два положительных созданы недостатком в местах расположения протонов. Указанная модель согласуется с моделями, полученными на основе теории молекулярных орбиталей, распределения электронной плотности и других[1]. Тетраэдрическая направленность в размещении электрических зарядов связана с распределением электронной плотности на четырех гибридных  -орбиталях.
Жидкая вода характеризуется значительными силами межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей, приводящих к ассоциации и особой структуре. Отправным моментом  в изучении структуры будем считать установление тетраэдрического окружения ее молекулы. Считается, что как и в структуре льда, три соседа каждой молекулы воды в жидкой воде расположены в одном слое и находятся от нее на большем расстоянии, чем четвертая молекула из соседнего слоя. Это согласуется с результатами Самойлова[2]: каждая молекула воды в составе льдоподобного каркаса образует одну зеркальносимметричную (прочную) и три центросимметричных (менее прочных) связи. Первые относятся к связям между молекулами воды данного слоя и соседних слоев, вторые – к связям между молекулами одного слоя.
В настоящее время основными являются две модели жидкой воды. Структурно однородная модель представляет собой частичное заполнение пустот льдоподобной тетраэдрической структуры молекулами воды, физическая возможность которого связана с представлениями о «гидрофобизации» молекул воды в пустотах льдоподобного каркаса вследствие трудностей образования в них направленных связей за счет высокой симметрии поля. Ко второй, структурно неоднородной, относится модель Фрэнка и Янг-Вена[3]. Эта модель основана на представлении об образовании «мерцающих скоплений», в которых одна часть молекул воды связана водородными связями, а другая находится в виде мономеров. При комнатных температурах в формировании скоплений участвует до 2/3 от общего числа молекул воды. Время их существования 10-10-10-11 сек. Затем скопление разрушается. По данным инфракрасной спектроскопии среднее число молекул в скоплении при температуре 20ºС равно 90. При увеличение температуры тепловое движение, разрывает водородные связи, что соответствует разрушению упорядочения
Под влиянием знакопеременного электрического поля эти скопления будут совершать прецессионные колебания, в результате чего жидкость переходит из гомогенного состояния в состояние объемно-неоднородного диэлектрика, с которым можно связать искажение электрического поля вблизи него[4].
Исследования проводились с помощью системы «КоронаTV» и устройства для изучения скользящего газового разряда, предложенного Коротковым К.Г. Полученные изображения обрабатывались с помощью программы K-drop, позволяющей анализировать общие параметры изображения жидкофазных объектов. В качестве параметров ГРВ-грамм в ходе эксперимента и процессе обработки изображений нами были выбраны площадь свечения, общая яркость и изрезанность изображения. Выбор этих параметров определился максимальной их информативностью в процессе обработки ГРВ-грамм.
Теоретические положения хорошо согласуются с результатами эксперимента.

Рис.1. ГРВ-граммы дистиллированной воды при различной температуре.

При фотографировании дистиллированной воды при различной температуре прослеживается четкая закономерность (см. рис.1). При нулевой температуре, несмотря на переход воды в жидкую фазу, практически все водородные связи сохраняются. Это можно интерпретировать следующим образом. Структура жидкости почти также устойчива как структура льда. Скопления настолько плотно упакованы, что прецессия их невозможна. ГРВ-граммы, полученные при этой температуре, отличаются малостью параметров. При нагревании происходит значительное разрушение водородных связей. Скопления получают «свободу действий», и их прецессия в переменном электрическом поле оказывает существенное влияние на него. Значение параметров ГРВ-грамм при этом резко возрастает. При дальнейшем повышении температуры продолжается разрушение водородных связей, и размеры скоплений уменьшаются. Влияние скоплений на внешнее электрическое поле при этом уменьшается. Об этом можно судить по плавному монотонному убыванию функций, интерполирующих экспериментальные данные, на графиках зависимости перечисленных выше параметров от температуры. При приближении аргумента к 80ºС, функция вытягивается в горизонтальную прямую, что означает разрушение практически всех водородных связей и переход жидкости в гомогенное состояние.

Литература:
1.    Крестов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. – Л.: Химия, 1973, 304с.
2.    Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. – М.: АН СССР, 1957, 218 с.
3.    Frank H.S., Jang-Wen W. Disc. Faraday Soc., 1957, 133 s.
4.    Коротков К.Г. основы ГРВ биоэлектрографии. – СПб: Санкт-Петербург, 2001, 356 с.