Электромагнитные свойства воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЕМНОГО О ВОДЕ

(3. Электромагнитные свойства воды)

И.И. Василенко

Белгородская ГСХА, г. Белгород, Россия

В настоящее время деятельность отечественной науки все чаще сводится к уровню рационализаторства и рекламы «гениальных» идей, препаратов и устройств малообразованных кустарей.

В частности, российские СМИ переполнены информацией о волшебных свойствах воды «живой и мертвой», магнитной, подвергнутой облучению, заговорам и установкам доморощенных экстрасенсов и т. п. Многочисленные дилетанты и явные шарлатаны привнесли в это направление так много догматики и «чудесных» трактовок, что утопили в них рациональное, действительно научное физико-химическое зерно.

1. Электропроводность воды

Давно известно, что константа электролитической диссоциации воды Н12О16 равна при 220С всего 1,8*10-16 и не обеспечивает существенной концентрации носителей электрических зарядов-ионов. В частности, в чистой воде [H+]=[OH-]=vKw=10-7, где Kw - ионное произведение воды.

Тем не менее, по электропроводности вода занимает промежуточное положение между диэлектриками и металлами - электронными проводниками. Это неординарное свойство воды объясняли исключительно высокой подвижностью протона H+, которая всего на один порядок меньше, чем скорость движения электронов в металлах. Например, эквивалентная проводимость в водных средах ионов H+, Na+, Cl+ при 150С соответственно равна 300, 39 и 61 г-экв/см3 [1].

Известно также, что молекула воды имеет асимметричное угловое строение (угол между связями ОН равен 104,50, а оба поляризованных атома водорода расположены с одной стороны от атома кислорода). Поэтому молекула представляет собой дипольную систему со значительным дипольным моментом в 1,84 Д и проявляет склонность к образованию ассоциативных комплексов общего состава (Н2О)х.

В принципе, за счет образования водородных связей между молекулами воды возможно образование стереорегулярных линейных и других полимеров при х?2 (например, по схемам рис. 1).

Однако, в жидкой воде при межмолекулярном взаимодействии значительную роль играет также деформация (изгибание) водородных связей. В частности, значение коэффициента g, учитывающего взаимодействие молекулы воды с соседними, имеет вид

g=1+Zcos2г ()2

где Z - число ближайших соседей, cosг характеризует средний угол между соседними дипольными молекулами, Кц - постоянная изгибания водородных связей, величина которой Кц=[] ц=0 зависит от энергии изгибания Е = Е(ца) + Е(цв), где ца и цв - углы изгибания водородных связей. Например, для четырехсвязанной молекулы воды (т. е. при х=4) значение Кц составляет 3,78*10-13 эрг/рад2 [2].

С учетом последнего фактора понятно, что молекулы воды способны образовать не только линейные ассоциаты, но и циклического, а также пространственного строения (упрощенная схема б на рисунке).

В общем, до настоящего времени ясности в вопросах жидкого состояния воды нет [2, стр. 103]. В связи с этим, при описании строения и свойств ассоциированных диполей жидкой воды на молекулярном уровне используются различного уровня ограничения и упрощения.

При этом общепризнанной является модель, согласно которой каждая молекула участвует в образовании четырех водородных связей, а расстояние между соседними (ближайшими) молекулами составляет 2,8 Е. Ассоциированные в жидкости молекулы воды образуют первичные тетраэдры, в которых центральная молекула связана водородными связями с тремя остальными, расположенными в вершинах пирамиды. Для кристаллов льда более характерны гексагональные структуры.

В нашем случае сама по себе модель структурирования воды не столь важна. При обсуждении электропроводности воды самое главное - аномально высокая скорость переноса электрических зарядов. Например, подвижность протона Н+ в жидкой воде примерно 3*10-3, а ионов Li+ и F- - 3*10-4 см2/сек*вольт, т. е. на порядок ниже [2, стр. 63].

Естественно, что ион водорода в водных средах находится в гидратированном состоянии. Первые доказательства существования иона оксония Н3О+ (т. е. моногидрата протона) были получены еще в 1894 - 95 гг. Гольдшмидтом и Оствальдом. Значительно позже (1962, 1967 гг.) показано, что ион Н3О+ имеет плоскостную форму с расстоянием Н - Н равным 2,72 Е и оптимальную суммарную энергию при величине угла Н - О - Н порядка 1200.

Время жизни Н3О+, полученное из предположения, что он эстафетно движется по структуре воды, составило 0,024*10-12 сек (Конуэй, Боркис и Линтон, 1956 г.). Это означало, что Н3О+ как самостоятельная структурная единица в воде не движется, а высокая скорость переноса его заряда обусловлена тем, что молекулы воды обмениваются протоном. Позже (Мейбум, 1961 г.) время жизни Н3О+ было оценено при 250С методом ядерного магнитного резонанса в 1,7*10-12 сек, что в принципе ничего не изменило.

Возможны и другие, более сложные варианты гидратации иона Н+. Например, протон может присоединиться к димеру по схеме Н++(Н2О)2-Н5О2+ или другим, объединенным водородной связью кластерам. При этом скорость переноса его заряда остается высокой. Следовательно, аномально высокая электропроводность воды обусловлена не пространственным перемещением гидратов Н+.

Суть в следующем: присоединение протона к началу цепочки из молекул воды, объединенных водородной связью, сопровождается практически одновременным отщеплением Н+ в конце этой же цепи. Примерно такой же механизм переноса заряда в цепочках с конечным ионом ОН- (или Н3О2-); в этом случае перемещается по водородным связям протонная «дырка».

В качестве аналога этому практически мгновенному процессу можно привести пример, доступный для понимания не только ученым химикам и физикам - систему сообщающихся сосудов.

Наполните водой сообщающиеся сосуды до краев в одном из них. Влейте в первый или любой другой сосуд определенный объем жидкости - из переполненного сразу же вытечет точно такое же количество. Длительность процесса практически не зависит от размеров и формы сосудов, а также их числа.

Таким образом, аномально высокая электропроводность воды связана не с механическим движением носителей зарядов (первичных ионов Н+ и ОН- или продуктов их гидратации) в объеме жидкости. Решающее значение имеет протонная «сверхпроводимость» по водородным связям. В связи с этим интересно отметить следующее.

Экспериментальные данные указывают на то, что не только вода, но и спирты и другие вещества с межмолекулярными водородными связями при определенных условиях могут представлять собой протонные полупроводники.

Особое внимание исследователей привлекают биологические системы, так как автолокализованные возбуждения (солитоны) очень быстро распространяются в таких молекулярных системах на сравнительно большие расстояния без изменения формы или профиля. Это может обеспечить высокую эффективность переноса энергии и электрических зарядов в биосистемах без нарушения их структуры.

2. Магнитная вода

Экспериментальных фактов о полезных свойствах омагниченной воды накопилось так много, что они уже давно не нуждаются в дополнительных доказательствах. Наиболее авторитетным специалистом по свойствам омагниченных водных систем в советское время был доктор технических наук В.И. Классен [3].

Например, еще в 80-е годы прошлого века Научно-Технические советы ряда Министерств СССР рекомендовали предприятиям шире использовать «магнитную» воду в основных и вспомогательных производствах химической и нефтеперерабатывающей промышленности, черной и цветной металлургии, производстве стройматериалов и др. И в сельском хозяйстве тоже.

Начало водной магнитобиологии положили исследования по воздействию на растения естественных и искусственных магнитных полей. В частности, ученые пришли к выводу о том, что в районе Курской магнитной аномалии, где напряженность магнитного поля Земли на 200 - 300% выше естественного, урожайность озимой пшеницы, кукурузы и подсолнечника ниже, чем в соседних районах при одинаковых климатических условиях. Однако, искусственные магнитные поля умеренной мощности за пределами таких аномалий ускоряли прорастание семян и созревание овса, пшеницы, ржи, огурцов, бобовых и других сельскохозяйственных культур.

Вскоре биологи начали использовать омагниченную (предварительно пропущенную через магнитное поле) воду для полива растений. Потому что их семена реагировали на магнитные и электрические поля только после замачивания в воде.

Первые сведение о стимулировании развития растений при поливе омагниченной водой опубликованы еще в 1965 г. (И.В. Дардымов, И.И. Брехман, А.В. Крылов). Они установили, что в тепличных условиях на 12-й день опыта применение такой воды увеличило высоту подсолнечника на 21%, сои - на 40%, а у кукурузы стебель оказался толще на 26% по сравнению с контрольными растениями, орошаемыми обычной водой.

Омагничивание поливной воды увеличило высоту растений лука и моркови на 22%, гороха - на 14%, а помидоров - на 18%. причем цветение помидоров началось на два дня раньше, а их плоды были тяжелее контрольных на 18% (В.В. Лисин, Л.Г. Молчанова, 1967 г.).

Опыты в вегетационном домике и на делянках Волжского НИИ гидротехники и мелиорации показали, что при поливе омагниченной водой гороха, сои, редиса, огурцов, кукурузы и др. фазы цветения и созревания растений наступают на 1 - 3 дня раньше, а их урожайность повышается на 10 - 45% (Н.П. Яковлев, 1971 - 72 гг.).

На опытном участке в 11,6 га зерносовхоза «Кубанский» Краснодарского края в 1974 - 76 гг. испытали поливной агрегат для магнитной обработки воды, содержащий шесть магнитов, установленных на трубе водопровода с пропускной способностью 100 л воды за секунду. В результате прибавка урожая гороха и овса составила 21%, а сахарной свеклы - 14%.

Результаты этих и других аналогичных работ, а также применения омагниченной воды для рекультивации засоленных почв в своё время В.И. Классен доложил на заседании бюро Президиума ВАСХНИЛ СССР.

Таким образом, с прикладной частью этой проблемы все было ясно еще в прошлом веке. Однако, механизм воздействия магнитных полей на воду и растения остается предметом дискуссий и споров до сих пор.

Одни исследователи утверждают, что под действием магнитных сил вода не только изменяет свои собственные свойства, но и заставляет водосодержащие биосистемы воспринимать эти воздействия. Но каким образом? И почему растения развиваются быстрее, а урожай дают больший?

Другие считают главным детектором таких сил кислород, который известен своими магнитными свойствами. По их мнению, именно он воспринимает колебания электрических и магнитных полей, окружающих организмы. Но атомы кислорода входят в состав не только воды, но и многих других соединений, в том числе белков...

Третьи приписывают всё атомам железа, которые содержатся практически во всех организмах. Но в чистой воде его нет...

Также непонятно, почему омагниченные водные системы достаточно быстро (в зависимости от их состава и температуры - от нескольких часов до суток) полностью теряют столь важные и полезные свойства, приобретенные под влиянием магнитного поля.

Нельзя же серьезно воспринимать утверждения самых продвинутых «натуралистов из народа», внушающих доверчивым слушателям, что вода - субстанция одушевленная, адекватно реагирующая на хорошие и плохие слова, тексты на латыни, иероглифы и пр. Но забывающая свое прошлое, как человек в преклонном возрасте: знает многое, но вспомнить не может... Лучше все-таки обратиться к химии и физике воды.

В разделе 1 показано, что жидкая вода представляет собой структурированную среду, сформированную кластерами различного порядка. Молекулы воды в них удерживаются водородными связями, прочность которых составляет всего 5 - 7 ккал. Для сравнения: средняя энергия ковалентных связей О - Н в молекуле воды равна 109,6 ккал/моль.

Поэтому при энергетических воздействиях на воду водородные связи достаточно легко разрываются и число неассоциированных мономолекул увеличивается. А их кинетическая энергия (без учета колебательной и вращательной составляющих) зависит прежде всего от температуры.

Например, если ЕК = mv2/2, а средняя квадратичная скорость линейного движения молекулы воды V = v3RT/M, где М - молярная масса, то в принципе ЕК = k*T, где К - постоянная Больцмана 2,07*10-23 Дж/моль*град.

При нагревании воды тепловая энергия сначала расходуется на разрыв водородных связей и накопление мономерных молекул Н2О. Поэтому вода отличается от своих менее поляризованных аналогов типа Н2S исключительно высокой теплоемкостью.

Когда нагрев прекращается, мономеры снова постепенно соединяются водородными связями, и вода выделяет поглощенное ею тепло (те самые 5 - 7 ккал на каждую образовавшуюся связь). На всякий случай напоминаем, что 1 г-моль воды (т. е. 18 г) содержит 6,02*1023 молекул, способных к образованию водородных связей.

Воздействие на обычную воду магнитного поля специфично, так как не сопряжено с существенным повышением температуры и ЕК. Для объяснения механизма данного воздействия сначала вспомним, как магнитное поле Земли влияет на стрелку компаса: разворачивает её из любого положения и ориентирует строго по линии север - юг.

Ориентацию молекул воды в составе кластеров определяют электростатические силы притяжения противоположных зарядов и отталкивания одинаковых (рис. 2). Но внешнее магнитное поле стремится сориентировать все полярные молекулы очень жестко, как солдат в парадном строю, что возможно только после разрушения кластера. Следовательно, разрыв водородных связей и существенное увеличение концентрации мономерных молекул при омагничивании воды неизбежны.

Тех самых молекул, которые необходимы для повышения растворимости веществ в воде, различных физико-химических и биологических процессов. В том числе для физиологических, обеспечивающих жизнедеятельность субъектов флоры и фауны.

Например, вода в растения поступает за счет направленной диффузии через полупроницаемые стенки клеток (известное явление осмоса). Размер отверстий в этих природных диафрагмах доступен только мономерным молекулам воды, но слишком мал для более крупных частиц - гидратированных ионов и ассоциатов состава (Н2О)4. А само растение не может «откусывать» от кластера необходимые ему для питания мономеры Н2О.

Таким образом, улучшение водообеспечения растений при поливе омагниченной водой безусловно стимулирует их развитие; но это еще не все. Сотрудники Софийского университета НРБ в свое время установили, что магнитная обработка оросительной воды увеличивает усвоение удобрений растениями помидоров на 70%! В таких комфортных условиях растениям только и остается радоваться жизни, развиваться и плодоносить раньше и более крупными плодами. А повышение коэффициента полезного действия минеральных удобрений - это уже задача государственной важности.

После прекращения воздействия на воду магнитного поля, строгая ориентация полярных молекул нарушается и становится произвольной. Время релаксации составляет при температуре 20 и 250С всего 2,95 и 3,37 секунд соответственно. Остальное время (часы или сутки) вода приходит в себя - возвращается в начальное структурированное состояние.

Механизм воздействия магнитного поля на молекулы воды основательно был проработан после открытия эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Сущность его заключается в резонансном поглощении электромагнитной энергии двумя ядрами водорода с отличным от нуля спином. Происходит это в магнитном поле достаточно высокой напряженности (10 - 25 кгс) вследствие неравномерной заселенности энергетических уровней атомов, соответствующих различным ориентациям магнитного момента ядер.

Более подробный анализ ЯМР выходит за рамки настоящей статьи.

вода электропроводимость поле магнитный

Рис.1. Примерные схемы структурирования жидкой воды

(водородные связи показаны точками).

Рис. 2. Ориентация молекул воды в кластерах.

Использованные источники

1. Антонченко В.Я. Физика воды. Киев: Изд-во «Наукова думка», 1986. - 104 с.

2. Зацепина Г.Н. Свойства и структура воды. М.: Изд-во МГУ, 1974 г. - С. 120.

3. Классен В.И. Омагничивание водных систем. М.: Изд-во «Химия», 1979 г.

Размещено на Allbest.ru