особенности строения молекулы воды и способы изменения ее

Н. В. ВАСИЛЬЕВА
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ И СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЕЕ СВОЙСТВ
Вода является не только наиболее распространенным, не только самым необходимым для жизни, но и
одним из наиболее исследованных веществ на Земле. Сложно недооценить влияние воды на качество
пищевых продуктов. В состав одних ее вводят для растворения кристаллических веществ, тогда как,
являясь основным сырьевым компонентом других, она обусловливает их качество. Содержание воды в
продуктах существенно влияет на вкус, питательность и консистенцию продукта. Изменение химического
состава, структуры и свойств воды может значительно изменить качество и сохраняемость товаров.
Однако на сегодня, не существует единой признанной модели строения воды, которая бы описывала все
ее аномальные свойства.
На создание моделей, объясняющих удивительные свойства воды, направляли свои усилия многие
ученые. Но общей характерной чертой большинства моделей воды служит недооценка структуры
молекулы Н2О и возможной динамики ее изменения в процессе молекулярного взаимодействия.
С современных позиций строения атома электронные облака молекул воды расположены в форме
неправильного тетраэдра. Атом кислорода оказывается при этом в центре, а два атома водорода - в
противоположных углах одной из граней куба [3]. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм,
расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих
внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют
ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две не поделенных
электронных пары.
Для объяснения аномальных свойств воды в жидком состоянии учеными созданы различные модели ее
структуры. В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое
вещество (жидкие кристаллы). Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком
состоянии доказано экспериментально [12].
Представляет особый интерес модель структуры жидкой воды в виде мерцающих кластеров, состоящих из
соединенных водородными связями молекул, плавающих в более или менее «свободной» воде. Кластер –
это надмолекулярный комплекс, содержащий множество молекул.
Кластеры постоянно существуют в текучей жидкости, непрерывно образуясь и разрушаясь в соответствии
со случайными тепловыми изменениями в микроучастках жидкости. Американские ученые определили
время полужизни кластера как 10-10 - 10-11 с, что соответствует времени релаксационных процессов в
воде. Это время в 100-1000 раз больше периода молекулярных колебаний.
Возникновение водородной связи в молекуле воды объясняется свойством атома водорода
взаимодействовать с сильно электроотрицательным элементом, например с кислородом другой молекулы.
Такая особенность водородного атома обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на
образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде ядра очень малого размера, почти
лишенного электронной оболочки. Поэтому он не испытывает отталкивания от электронной оболочки
кислорода другой молекулы воды, а, наоборот, притягивается и может вступить с ней во взаимодействие
[3].
В классической теории структуры воды существование максимума плотности при t = 4°С объясняется тем,
что при этой температуре преобладающая часть молекул воды связана в кварцеподобную структуру, а при
других температурах они имеют тридимитоподное кристаллическое строение, соответствующее меньшей
плотности [4].
Во все времена ученые пытались изучить аномальные свойства воды и различные способы их изменений.
При этом было установлено что, подвергаясь различным внешним воздействиям: температура, давление и
др., вода может приобрести совершенно новые свойства. Особенно ярко это проявляется при действии на
воду различных излучений. Существуют различные способы изменения свойств воды. Обычно эти
процессы называют активацией.
Все методы активации можно свести к энергетическому воздействию на молекулы воды. В литературе не
существует единой теории активационных процессов. Обычно каждый из них рассматривается в той из
областей науки и техники, где он используется. Выделяют наиболее распространенные методы активации:
магнитная, механическая, ультразвуковая, термическая, активация наносекундными электромагнитными
импульсами и электрохимическая.
Магнитная обработка воды заключается в пропускании потока воды через магнитное поле. В общем
случае действие магнитного поля на движущуюся воду сводится к действию сил Лоренца на заряженные
частицы. Отмечается, что действие магнитных полей с напряженностью 105 - 106 А/м дает энергетическое
воздействие порядка 5•10-8 – 5•10-9 Дж [5].
Существующие установки для омагничивания воды обычно включают и различные способы
механического воздействия на воду: перемешивание, распыление, многократное прохождение через
магнитное поле, смену направления действия поля и т.д. Очевидно, что в этих установках происходит и
механическое воздействие на воду. Поэтому более точное название метода должно быть магнитномеханический способ активации.
Процесс омагничивания воды не имеет признанной теории и результаты обработки не всегда
повторяются. Возникшие новые свойства воды часто не имеют объяснения.
Значительное количество исследований посвящено изучению влияния магнитных полей на изменение
свойств воды. Рассмотрим некоторые из них.
В работе [6] отмечается зависимость режима магнитной обработки воды от её химического состава,
скорости движения на участке омагничивания и конструктивных особенностей омагничивающих
аппаратов.
В. И. Миненко, С. М. Петров, М. Н. Минц [9, 10] считают, что магнитная обработка воды приводит к
изменению её структуры, поверхностного натяжения, вязкости, электросопротивления, магнитной
восприимчивости, диэлектрической проницаемости и других физических свойств.
Под действием магнитного поля изменяются свойства чистой воды и водных растворов, но наибольшее
влияние магнитное поле оказывает на ионы, магнитная восприимчивость которых значительно повышает
восприимчивость молекул воды. На изменение свойств воды под влиянием магнитных полей указывается
в работах [9, 10].
Многие исследователи [7, 8] считают, что магнитное поле оказывает влияние на структуру воды.
Некоторые из них предполагают, что эти процессы происходят в результате изменений водородных
связей между молекулами воды.
В работах Н. Н. Непримерова, У. Ш. Ахмерова [14] развивается идея о влиянии магнитного поля на воду
через изменение её «ядерной структуры». Предполагается, что магнитная обработка воды изменяет
ориентацию ядерных спинов водорода в молекулах воды, которая может быть параллельной
(ортомодификация) и антипараллельной (парамодификация). Энергия перехода одной модификации воды
в другую в сотни раз меньше, чем энергия, необходимая для разрыва связей. Авторы считают
энергетически не обоснованными объяснения свойств омагниченной воды изменениями в системе
водородных связей или переориентацией молекул, так как для осуществления этих процессов необходима
энергия в несколько тысяч калорий на моль.
Опубликованные данные настолько противоречивы, что их зачастую трудно систематизировать.
В настоящее время выделяют четыре группы гипотез процесса омагничивания воды [5]: влияние на
карбонатный состав воды, влияние на общий солевой состав, влияние на структуру воды, влияние на
состояние водной системы в целом.
Ни одна из рассматриваемых гипотез не имеет строгого теоретического обоснования и не дает оценок
изменения свойств омагниченной воды, которые получены в экспериментах. Также недостатком способа
омагничивания воды является отсутствие разделения свойств получаемой воды и разнородность
получаемых результатов.
Механическая активация может быть двух видов: статическая и динамическая. Статическая активация
связана с повышением давления. Ее вероятные последствия - уменьшение межмолекулярных пустот,
увеличение времени жизни кластеров и их количества. Динамическая активация (перемешивание),
наоборот, приводит к быстрому разрушению кластеров и уменьшению их количества. Динамическая
активация имеет наибольшее распространение в природе при падении дождевых капель [12].
Механическая активация не получила широкого применения и в литературных источниках имеется
немногочисленный экспериментальный материал для данного способа активации.
Обработка воды ультразвуковыми колебаниями также может быть отнесена к механической
динамической активации. Когда происходит импульсное или периодическое механическое воздействие на
воду, в результате чего в ней возникают ультразвуковые колебания. В литературе описываются различные
эффекты, которые происходят в воде при обработке ее ультразвуком. Но недостатком данного способа
активации является недолговечность используемых установок.
Термическая активация приводит к увеличению скорости движения молекул, более быстрому
разрушению кластеров. Если в воде имеются примеси других веществ, то они более быстро реагируют
между собой и образующимися в воде частицами.
Вопросами термической активации воды посвящено достаточно большое количество работ, но ни одна из
рассматриваемых гипотез не имеет строгого теоретического обоснования и не дает оценок изменения
свойств полученной воды.
Использование наносекундных электромагнитных импульсов для активации воды является новым
способом, что свидетельствует о недостаточной изученности происходящих процессов. Предложение об
использовании несинусоидальных электромагнитных импульсов для активации водных растворов
впервые было сделано в работе [13].
Характерной особенностью несинусоидального электромагнитного поля является использование
однополярных импульсов тока. Это приводит к отсутствию осциллирующих колебаний в излучаемом
поле. Следствием этого является наличие характерного пространственно-временного направления
действия силы за время одного импульса.
Сравнение экспериментальных результатов приведенных в литературе показывает, что при облучении
воды наносекундными электромагнитными импульсами изменяются ее физические и химические
характеристики. Характер изменений - уменьшение удельного электрического сопротивления и
увеличение диэлектрической постоянной - совпадают с их изменениями при радиолизе воды. Это
позволяет сделать заключение о возникновении гидратированных электронов при облучении воды
электромагнитными импульсами [13]. Недостатком данного метода является высокая стоимость
оборудования, применяемого для обработки воды.
В процессе электрохимической активации за счет униполярного электрохимического воздействия
происходит направленное безреагентное изменение рН, окислительно-восстановительного потенциала и
других физико-химических параметров растворов или воды в диапазонах часто более широких, чем это
достижимо при химическом регулировании. Изученные литературные данные свидетельствуют о
воспроизводимости полученных результатов. В настоящее время авторами [1, 2] приводится ряд
установок для получения анолита и католита, широко описаны свойства получаемой воды, но основные
параметры обработки воды остаются неизвестными.
Преимуществом данного метода является невысокая величина затрат на изготовление установки для
обработки воды, незначительные энергозатраты, а также наличие строгого теоретического обоснования и
оценок свойств электрохимически активированной воды и повторяемость получаемых результатов.
Нельзя не указать положительную сторону метода разделение анолита и католита при активации воды, а,
следовательно, и их свойств.
Остальные способы активации (магнитная, механическая, термическая, наносекундные электромагнитные
импульсы) не имеют четкой теоретической базы и не нашли широкого применения.
Вопрос о природе метастабильного состояния воды и разбавленных водных растворов после
электрохимического воздействия является одним из центральных для исследования механизма процессов
активации и до настоящего времени не решен окончательно, что отнюдь не мешает широкому
практическому использованию электрохимически активированных жидкостей для производства пищевых
продуктов.
Литература
1. Бахир В. М. Современные технические электрохимические системы для обеззараживания, очистки и
активирования воды. – М.: ВНИИИМТ, 1999. – 84 с.
2. Прилуцкий В. И., Бахир В. М. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм
биологического действия: - М.: ВНИИИМТ АО НПО «Экран», 1997. – 228 с.
3. Возная Н. Ф. Химия воды и микробиология: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. Школа, 1979. –340 с.
4. Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. - М.: Знание, 1987. – 176 с.
5. Миненко В. И. Электромагнитная обработка воды в теплоэнергетике. – Харьков: ХГУ, 1981. – 96 с.
6. Голгер Ю. Я., Классен В. И. К термодинамической теории влияния структурных изменений жидкости
на смачивание и флотационное прилипание. // Тезисы докладов ко второму Всесоюзному семинару
«Вопросы теории и практики магнитной обработки воды», М.,1969.
7. Иванова Г. М., Махнев Ю. М. Изменение структуры воды и водных растворов под действием
магнитного поля. // Тезисы докладов ко второму Всесоюзному семинару «Вопросы теории и практики
магнитной обработки воды», М.,1969.
8. Кисловский Л. В. Метастабильные структуры в водных растворах. // Тезисы докладов ко второму
Всесоюзному семинару «Вопросы теории и практики магнитной обработки воды», М.,1969.
9. Миненко В. И., Петров С. М., Минц М. Н. Магнитная обработка воды. Харьков, Харьковское кн.
Издательство, 1962. – 125 с.
10. Миненко В. И., Петров С. М. О физико-механических основах магнитной обработки воды.
«Теплотехника», 1962, №9.
11. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. - 472 с.
12. Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. – 2-е изд., перераб. – М.: Изд-во МГУ, 1987. –
171с.
13. Разработка теории и исследование возможностей создания технических устройств для излучения
электромагнитных волн на основе сред с заряженными кластерами. Отчет по НИР № гос.рег.
01.960.009493, Челябинск, ЧГТУ.
14. Непримеров Н. Н., Ахмеров У. Ш., Бильдюкевич А. Л. К вопросу о механизме действия магнитных
полей на водную систему. // Тезисы докладов и сообщений Всесоюзного научного семинара по проблеме
«Магнитная обработка воды в процессах обогащения полезных ископаемых», М., 1966.