Membru corespondent al Academiei de Științe a URSS B. Deryagin
Mi se pare că istoria cercetării privind apa anormală poate fi de interes pentru cel mai larg cerc de cititori. Fenomenele descoperite de cercetători sunt neobișnuite și neașteptate; Calea căutărilor pe care le-au traversat poate fi un subiect de reflecție pentru cei interesați de metodologia științei.
Acesta ar trebui să înceapă cu recunoașterea faptului că denumirea „apă atipică“ destul de ambiguu, deoarece cel mai frecvent apa se comportă în multe privințe, cum ar fi alte lichide, și pentru că ea este un exemplu de anomalie (anomalie - o abatere de la norma). Dimpotrivă, apa anormală, care va fi discutată mai târziu, în unele privințe, de exemplu, în ceea ce privește expansiunea termică, se comportă "în mod normal".
Apa tipică se distinge în primul rând de caracteristicile expansiunii termice. Din manualele școlare se știe că aproape toate corpurile sunt încălzite atunci când sunt încălzite și când sunt comprimate sunt comprimate. Apa se comportă diferit. Acesta își reduce volumul cu răcire de la 100 ° la 4 °, dar în intervalul de la 4 ° la 0 ° începe să se extindă din nou. Cea mai mare densitate de apă corespunde unei temperaturi de + 4 °.
Cu răcire suplimentară, apa se transformă într-o stare solidă. Momentul de tranziție este însoțit de o creștere accentuată a volumului (cu aproximativ 10%) și de o scădere corespunzătoare a densității. De aceea gheața plutește pe apă. Toate celelalte substanțe (cu rare excepții) sunt înecate în lichide formate în timpul topirii lor.
Anomaliile apei sunt de o mare importanță pentru conservarea vieții în corpurile de apă. Gheața plutește pe suprafața apei și protejează datorită conductivității sale termice scăzute din înghețarea întregului corp de apă.
Mai puțin este cunoscută o altă caracteristică a apei - o schimbare neobișnuită a capacității sale de căldură (cantitatea de căldură necesară ridicării temperaturii cu 1 °). Ca regulă, capacitatea de căldură a unui corp este variabilă. Pe măsură ce crește temperatura, crește și ea. Apa, atunci când este încălzită de la 0 ° la 35 °, nu-și mărește căldura specifică, dar scade. Cu toate acestea, în intervalul de la 35 ° la 100 °, capacitatea de căldură începe din nou să crească.
După cum se poate vedea din exemplele date, care ar putea fi continuate, apa nu se comportă ca un lichid obișnuit. Motivul pentru acest comportament al apei când este încălzit este structura sa, adică aranjamentul reciproc al moleculelor învecinate.
În timp ce moleculele de cristal sunt aranjate în ordinea strictă în nodurile rețelei obișnuite, la care sunt supuse și moleculele îndepărtate, c. există doar o comandă cu rază scurtă de acțiune.
Atât gheața, cât și apa diferă de alte lichide datorită friabilității structurii, care, de asemenea, se schimba brusc cu temperatura. Acest lucru explică anomaliile apei obișnuite. La rândul său, slăbirea structurii gheții și a apei se datorează acțiunii așa-numitei "legături de hidrogen". Atomul de hidrogen, ca un pod, reunește doi atomi de oxigen aparținând a două molecule diferite de apă. Energia, care realizează această conexiune, intermediară între energia unei legături chimice convenționale (de exemplu, care acționează între atomii O în H în aceeași moleculă de apă) și energia atracției moleculare a moleculelor vecine. Atomul de oxigen, care face parte din fiecare moleculă de apă, poate fi conectat prin punți de hidrogen la alți patru atomi de oxigen. Legătura este asigurată de patru atomi de hidrogen; două dintre ele sunt incluse în compoziția chimică a moleculei în cauză, iar celelalte două aparțin altor două molecule. Astfel, în jurul bulei de apă din spațiu există patru poduri de hidrogen (Fig.1). În forma cea mai pură și cea mai completă, se formează un sistem similar de poduri de hidrogen în cristalul gheții obișnuite. În ea, fiecare moleculă este unită printr-o legătură de hidrogen cu exact patru vecini apropiați. În general, cristalul este o structură de cadru, formată dintr-o "rețea" de legături de hidrogen cu o mulțime de goluri între ele. În această structură se produce aceeași structură de gheață care explică o serie de proprietăți și, în special, capacitatea de a pluti pe apă. Dată fiind quasichemical (de exemplu, ca și în cazul în care chimică) natura legăturii de hidrogen, despre cristalul de gheață poate spune că este o singură moleculă de polimer, în care oxigenul este „ca și cum“ este tetravalent. Când se topește gheața, locația ideală a moleculelor de apă și structura rețelei de legătură cu hidrogen sunt rupte. Cu cât crește temperatura mai ridicată, cu atât mai mult numărul de punți de hidrogen este distrus de acțiunea mișcării termice, moleculele primesc un ambalaj dens și mai dens. Golurile din structura apei scad. Prin urmare, apa este comprimată, în ciuda faptului că mișcarea termică tinde simultan să mărească distanța medie dintre molecule. Numai peste + 40 ° C predomină ultima tendință, iar apa începe să se extindă.
Fig. 1 Molecula de apă (la centru) este legată cu patru molecule vecine vecine prin legături de hidrogen.
Fig. 2 Extinderea termică a coloanelor de apă în capilarii de diferite raze. Curba, intenționată cu o linie dublă, este raza capilarului de 2 micrometri. Curba punctată - raza capilară este de 0,1 microni. Linia solidă este raza capilarului de 0,02 microni.
Fig. 3 Înmulțirea și creșterea coloanelor secundare de apă.
Fig. 4 Comportamentul coloanelor de apă anormale în timpul răcirii. Curba A arată cum se comportă apa normală. Are un volum minim de 4 ° C. Sub zero, nu îngheață imediat (acest lucru este tipic pentru comportamentul volumelor mici de apă) și continuă să se extindă cu scăderea temperaturii. Și, în sfârșit, la un moment dat se transformă în gheață, schimbându-și volumul cu un salt ascuțit. Dacă coloana de gheață este încălzită, topirea și scurtarea rapidă a coloanei apar exact la 0 ° C. Curbele B, C și D corespund coloanelor în care crește concentrația componentei anormale. Cu cât este mai mare concentrația purtătorului anomaliei, cu atât curba de extindere este mai mare decât curba pentru apa pură. Curba D (apă pură anormală) a fost obținută după expunerea prelungită a coloanei inițiale într-un vid, care a dus la evaporarea apei normale. Ca urmare, la nici o temperatură nu a fost posibil să se observe nici turbiditatea, nici expansiunea bruscă. Când se răcește la temperaturi de - 45 ° - 50 ° C, curba de compresiune monotonă este supusă unei pauze, devenind aproape orizontală. Acest comportament este caracteristic tuturor lichidelor care nu cristalizează după răcire, ci devin vitrioase datorită unei creșteri uriașe a vâscozității (de exemplu, glicerina, rășinile).
Și, brusc, oamenii de știință s-au confruntat cu absența acestei anomalii, care a devenit un exemplu de manuale. Acest lucru sa întâmplat în 1959, când N. Fedyakin a observat expansiunea coloanelor de apă în capilarele ultrathin. Figura 2 prezintă o serie de curbe reprezentând creșterea lungimii coloanei de apă ca funcție a temperaturii în capilarii de sticlă de diferite raze. In capilarele cu o rază mai mare de 1 micron, curse de apă, lărgindu așa cum se cunoaște din manualele școlare, dezvăluind o lungime minimă și, în consecință, densitatea maximă la + 4 ° C. Pentru expansiune capilare foarte îngustă este deja în mod diferit. În cele mai înguste - se schimbă dincolo de recunoaștere. Pentru ei dispare coeficientul de dilatare lungime minimă în întregul interval de temperatură analizat este constantă, prin urmare, expansiunea apei dispare complet anomalie.
Experimentele lui N. Fedyakin pot fi explicate după cum urmează. În capilari foarte înguste, datorită influenței pereților, formarea unui schelet din punțile de hidrogen între moleculele de apă este dificilă. Acest lucru elimină restricția privind numărul de vecini nelegiuiți și permite moleculelor să se stabilească mai strâns. Prin urmare, pe măsură ce crește temperatura, nu mai există condensare, ca în cazul stării obișnuite a apei aproape de zero Celsius, dar apa din capilarele înguste se extinde ca lichide "normale". Ventilatorul curbelor reprezentat în Figura 2 ar putea fi obținut de N. Fedyakin numai datorită tehnicii sale remarcabile de desenare și calibrare a celor mai subțiri capilare, cu o rază de până la 160 angstromi. Cu toate acestea, cea mai importantă observație a fost făcută în capilari relativ largi, cu o rază de aproximativ un micron sau mai mult.
Zapaivaya raza capilară de aproximativ o coloană de microni de apă sau alt lichid (metanol, acid acetic, acetonă), N. Fedyakin le-a observat o lungă perioadă de timp. Ei au remarcat crearea de noi coloane, copii care au apărut (a se vedea figura 3> la o distanță de meniscul coloanei originale, și a crescut prin scurtarea ultimei natura sistematică a acestui fenomen a cerut o explicație, și N. Fedyakin a concluzionat: ... Creșterea de coloane pentru copii datorate părinte indică faptul că presiunea de vapori este sub primul „normal“ disponibil la cele mai recente varietate de presiune de vapori cu aceeași compoziție chimică a condus la aparent singura concluzie posibilă. primară și coloane torice au structuri diferite.
Acest lucru a fost confirmat în experimentele efectuate la temperaturi negative (vezi curbele din figura 4). În comparație cu apa normală (curba A), coloanele de apă obținute prin condensarea vaporilor (de exemplu, curba B) se comportă diferit. Lungimea minimă este deplasată spre stânga, iar lungimea saltului este mai mică atunci când este înghețată, iar atunci când este încălzită, se observă o scădere ușoară a lungimii. După cum se poate vedea pe grafic, bucla se închide la o temperatură negativă. Coloanele anomale cu o extindere spasmodică cresc tulbure, iar acest lucru se deosebește brusc de cele obișnuite. Cu încălzire suplimentară devine clar că conținutul coloanelor anormale constă din incluziuni de picături. Indicele lor de refracție este mai mic decât cel al restului lichidului. Cu o temperatură în creștere, numărul și mărimea incluziunilor scad - se pare că se topesc. De fapt, după cum arată un studiu mai atent, aceste incluziuni se dovedesc a fi particule de gheață pură. Fiind înconjurat de apă anormală, ultima gheață se topește la o anumită temperatură sub zero.
Fig. 5 Camera V. Karasev și Yu. Luzhkov pentru obținerea apei maxim anormale pure. Se compune dintr-un compartiment care conține câteva sute de capilare de cuarț, izolat cu o pereche de sticlă subțire de la separare cu o sursă de vapori (evaporator). După evacuarea prelungită cu încălzire la 400 ° C, separarea se rupe și capilarele vin în contact cu vaporii de apă, care durează câteva săptămâni. Ca urmare, se formează coloane de apă anormală în partea capilară.
Care este motivul comportamentului surprinzător al apei anormale? Conform uneia dintre ipoteze, trebuie căutată în formarea de complexe stabile de compoziție moleculară (H2O) n, rezultând în condensarea vaporilor pe suprafețele sticlei sau cuarț topit. După evaporarea moleculelor de apă obișnuită, rămân numai aceste complexe, care, conform ipotezei, formează ceea ce noi vom numi apă II pentru scurtă durată. Dacă este de dorit să lăsați deschisă problema compoziției sale, atunci este mai bine să utilizați termenul "component anormal".
Apa II (apa superdensă sau polivoda, așa cum este uneori numită în Occident) se obține în cantități nesemnificative - aproximativ un microgram într-o coloană. Cu toate acestea, își păstrează persistent proprietățile. Ca rezultat al experimentelor delicate (o descriere detaliată a cărora ar putea să ne copleșească povestea), s-au măsurat densitatea componentei anormale și indicele de refracție. Densitatea era de 1,4. Indicele de refracție: 1,48-1,49.
Interesant, indicele de refracție și densitatea și o apă obișnuită transformat II împreună într-o linie, ceea ce a permis o creștere a indicelui de refracție al apei includ capacitatea II comparativ cu complet apa-I prin creșterea numărului de molecule de apă pe unitatea de volum.
Următoarea întrebare importantă este: cât de mare este stabilitatea moleculelor componentei anormale și care sunt forțele care le ciment? - Răspunsul experimentele dat J. și M. Rabinowitz Talaeva, care barează aberant-apă este distilat la un capăt al tubului capilar la alta. La încălzirea coloanei inițiale de apă de pe partea stângă a capilarului la o temperatură mai mare de 50-80 grade concentrație de apă în coloana II a crescut datorită netranspunerea volatilitate la această temperatură, iar condensatul de vapori este o apă pură. Astfel a fost posibilă separarea apei II de apa I. Când temperatura crește peste 150 de grade, apa II începe de asemenea să fie distilată. La 300 de grade se termină distilare destul de repede, condensatul (coloana din dreapta) va avea aproximativ aceleași proprietăți (indicele de refracție și punct de topire de închidere), coloana originală. Acest lucru ne permite să concluzionăm că moleculele de apă 11 în timpul evaporării și distilației nu sunt distruse - în caz contrar, condensul va fi mai aproape de apa normală în proprietăți decât coloana originală. Și mai convingător este distilarea apei prin bariera termică - zona în care capilarul este încălzit din exterior printr-o spirală. Când temperatura barieră depășea 700-800 de grade, condensul nu diferă de apa normală. Din aceasta rezultă că la această temperatură perechile componentei anormale se descompun, izolând apa obișnuită ca produs de dezintegrare.
Să ne întoarcem la fapte. În primul rând o explicație banală a fenomenului este contrară prezenței impurităților solubile în apă, care își schimbă proprietățile lichidului are loc numai în condiții specifice de condensare a vaporilor săi de pe suprafața de cuarț, la temperaturi relativ scăzute (- (-. 30 ° până la -40 ° C) Acest rezultat nu a putut fi atins atunci când introducerea în aceeași apă lichidă capilară, chiar și în contact prelungit cu mare - până la 400 de grade - temperatură chiar și după contactul prelungit cu foarte dezvoltate (adică, o zonă extinsă) de suprafață a porilor. shka silice (SiO2) la apă obișnuită temperatură ridicată nu modifică semnificativ proprietățile sale. Totuși, aceste argumente în favoarea unor ipoteze de structura moleculelor de „polimer“ componentă anormală sunt oarecum indirecte. Dovezi directe ar fi de a obține probe de apă II cu astfel de adaosuri mici organice sau anorganice substanțele a căror prezență nu a putut explica proprietățile sale uimitoare. Cu toate acestea, acest lucru nu a fost posibil până de curând pentru a efectua destul de fiabil.
Recent, în laboratorul nostru a fost dezvoltată o tehnică care permite studierea concentrației celor mai diverse atomi de "impurități" din aceeași probă, care oferă informații mai exacte cu privire la compoziția coloanelor.
În cele din urmă, se pare că este dizolvat în apă I condensat anormal obținută atât prin noi și Brümmer Laboratory (SUA) are o anumită greutate moleculară este de aproximativ zece ori mai mare decât cea a greutății moleculare a H2 O.
Aceasta înseamnă că dintr-o zonă unică rezultă o "recoltă" de multe ori mai mare decât de pe suprafața cuartului. În prezent, acest mesaj este verificat de noi.
Întrebarea rămâne încă neclară: care este mecanismul apariției moleculelor de apă II în timpul condensării vaporilor de apă I pe suprafața cuarțului sau sticlei topite?
Evident, aici trebuie să vorbim despre un nou tip de cataliză - cataliză de condensare, deoarece contactul simplu al apei lichide cu aceleași suprafețe nu duce la schimbări persistente. Rolul suprafeței este la fel de semnificativ: când nu apare condensarea vaporilor de apă pe suprafața cuarțului sau a sticlei, deja acoperită cu un film de apă obișnuită.
În concluzie, răspunsul este, de obicei, a întrebat întrebarea: de ce apa II nu a fost găsit înainte în natură, de exemplu, în studiile de compoziția izotopică a apelor naturale, unde densitatea este măsurată până la 4 sau a 5-a zecimal?
Pentru aceasta putem răspunde că, înainte de a fi purificată prin metode de precizie explora apă naturală de impurități (săruri, coloizi de sol și materie organică) prin distilare la 100 ° C. Apa moleculele II, ca un non-volatilă, rămâne la această temperatură cu impurități și nu cad pe cercetare. Astfel, problema existenței apei II pe Pământ rămâne deschisă.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: