CC BY
483
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ОБРАЗЦОВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ЧИСТОТЫ
Людмила Борисовна Воробьёва
ФГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», кандидат химических наук, профессор кафедры технологии оптического производства, 630108, Новосибирск, Плахотного 10, тел. (383) 361-07-79, e-mail: lbvorobyeva@gmail.com
В статье рассмотрена удельная электрическая проводимость образцов питьевой воды, подвергнутых предварительной обработке с целью улучшения потребительских свойств. Измерены активная и реактивная составляющие проводимости. Показана высокая чувствительность реактивной составляющей.
Ключевые слова: вода, структура, удельная электрическая проводимость.
ELECTROCONDUCTIVITY OF DRINKING WATER SAMPLES WITH DIFFERENT PURITY DEGREES
Ludmila B. Vorobyeva
«Siberian State Academy of Geodesy», professor, department of optical production technology, 630108, Novosibirsk, Plakhotnogo 10, tel. (383) 361-07-79, е-mail: lbvorobyeva@gmail.com
In article studied electrical conductivity of samples of drinking water under preprocessing to improve consumer properties. Measured active and reactive components of conductance. Reactive component shows the high sensitivity.
Key words: water, structure, conductivity.
Исследование свойств чистых систем - одна из наиболее фундаментальных и сложных проблем науки, имеющая большое теоретическое и практическое значение. Центральное место в таких работах занимают исследования молекулярной структуры жидкостей и динамики ее перестройки. Тенденция увеличения спроса и предложения столовых и лечебных вод (в том числе предназначенных для приготовления лекарственных сред, детского питания, суперчистых технологических сред), особенности технологий производства бутилированных вод — факторы, стимулирующие научные исследования в области свойств вещества воды. Исследования показали, что природная вода обладает стимулирующим действием на различные биологические объекты и даже лечебными свойствами [1].
Известная всем аномальность многочисленных свойств воды свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, соединение их в агрегаты, т.е. воде присуща особая первичная структура. Это принципиальное открытие было сделано Берналом и Фаулером [2]. Вода относится к «непростым» жидкостям благодаря водородным связям между молекулами, обеспечивающим уникальный тетраэдрический ближний порядок. Представления о кинетических свойствах жидкостей с позиций структурности
предложены Френкелем [3] и легли в основу всех разработанных позднее моделей. Модельное описание структурности воды обобщено в обзоре Саркисова и полученные выводы соотнесены с результатами численных экспериментов [10]. Несмотря на множество исследований, полной ясности в вопросе о структуре вещества воды еще нет. Сведения о разнообразных моделях структуры воды приведены в табл. 1.
Таблица І . Водородные связи и структура воды
Модель структуры Время жизни структуры, с-1 Автор/год/ источник Объясняемое свойство/ метод исследования
Короткоживущие группы молекул - мерцающие кластеры. (Водородные связи непрерывно образуются и рвутся) 10-10 -10-11 Frank H.S., Wen W.Y. /1957/[4] Высокая степень подвижности жидкой воды и ее низкая вязкость
Динамически нестабильная полимерная система Более 10 Г.А. Домрачев и др. /1990-1995/[5] Реакция жидкой воды на механические воздействия
Устойчивые «кванты воды», состоящие из 6 молекул. (Могут объединяться друг с другом и со «свободными» молекулами воды за счет экспонированных на поверхности водородных связях) Tsai C.J. and K.D. Jordan /1993/[13] 6-лучевая симметрия растущих кристаллов (снежинок)
Иерархия правильных объемных «ассоциатов» (clathrates), в основе которых лежит кристаллоподобный «квант воды». До 240 С.В.Зенин /1994-1997/ [10-12] Использованы методы рефрактометрии, протонного резонанса и жидкостной хроматографии
Разнообразные формы, включая модель гигантского икосаэдра из 1820 молекул Н2О M. Chaplin /2002-2011/[8]
Топологические цепочки и кольца из множества молекул воды - «истинные кирпичики» Долгоживу щие Хэд-Гордон/ 2002-2006/[9] Использован метод рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS)
Гигантские гетерофазные кластеры размером до 0,1 мм Успенская Е.В. / [1]/2007 Обьясняет рассеяние монохроматического света/ использован метод дифракции в монохроматическом свете
Все приведенные выше модели структуры воды можно условно разделить на две группы: дискретные и непрерывные. Все авторы соглашаются, что часть молекул жидкой воды (примерно 30 %) находятся в свободном состоянии, около 30% не имеют упорядоченной структуры, а примерно 40% входит в состав ассоциатов и «водяных кристаллов», которые и составляют
«структурированную» воду. Это позволяет сделать вывод, что вода имеет структурно-информационное свойство - способность образовывать кластеры/клатраты/полимерные цепи. Конечно, структурное свойство характерно для любого тела, но у воды это свойство легко изменяется при любом внешнем воздействии. Если для разрыва ковалентной связи между двумя атомами в молекуле необходима энергия, эквивалентная энергии кванта УФ-или, по меньшей мере, видимого света, то такая же связь в макрообразовании или полимере может разорваться при воздействии на него даже механических колебаний. В первом случае частота колебаний соответствует величинам порядка 1015 Гц, во втором - килогерцам.
Если поместить в воду предельно малое количество другого вещества (даже единицы молекул) - кластеры начнут «перенимать» его электромагнитные свойства. Природа такого взаимодействия обусловлена дальними кулоновскими силами, определяющими новый вид зарядово-комплементарной связи. Изучением надмолекулярных структур веществ занимается совсем молодая наука - супрамолекулярная химия - раздел химии, описывающий сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух и более химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами [11]. Супрамолекулярная химия - это химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей.
Композиция свойств воды зависит как от степени ее чистоты, так и от термодинамического состояния: температуры, давления и других
макропараметров. Свойствами и структурой воды - количеством свободных молекул воды в полостях клатратов и вне их, можно управлять с помощью давления, температуры, магнитного поля и т. д. Магнитная обработка воды увеличивает скорость химических процессов и кристаллизации растворенных веществ, интенсифицирует процессы адсорбции, повышает коагуляцию примесей и способствует выпадению их в осадок. Температурная активация увеличивает растворяющую способность воды и позволяет длительно удерживать в растворе аномальные количества растворенного вещества и значительно повышать кислотность. Повышением «скользкости» можно вызвать изменение «текучести» воды. Вымораживание/кипячение воды, вызывает выделение солей жесткости. Кипячение воды с использованием энергии сверхвысокой частоты позволяет интенсифицировать физикохимические процессы, например, в регенерационной системе космического корабля [12].
Целью данной работы является исследование влияния предыстории образца воды на её электрическую проводимость, как интегральное свойство чувствительное к концентрации/активности растворенных примесей и структуре вещества воды. Измерения выполнялись на стенде для измерения электрической проводимости жидкостей. Использовалась стеклянная цилиндрическая измерительная ячейка с медными электродами. Удельная активная электрическая проводимость и реактивная ёмкость образцов воды в ячейке измерялись компенсационным методом на рабочей частоте 1 кГц.
Чувствительность замеров электрической проводимости составляет 0,01 мкСм/см. Результаты измерения приведены в табл. 2.
Таблица 2. Электрические свойства образцов воды
Образец воды Удельная электрическая проводимость, мкСм/м Реактивность сопротивления, пФ
1. Водопроводная 36,30 340
2. Дистиллировнная 0,63 0,3
3. Питьевая (бутилированная) 20,20
4. Питьевая вымороженная 19,30 166
5. Водопроводная вымороженная 22,00 150
Ряд увеличения удельной электрической проводимости образцов воды хорошо коррелирует с повышением содержания в них примесей. Видно, что вымораживание воды (вымораживание способствует удалению трудно растворимых солей жесткости), незначительно снижает удельную электропроводность питьевой воды и существенно увеличивает электропроводность водопроводной. Наблюдаемое может быть связано как с повышением активности (концентрации) заряженных ионных частиц примесей, так и разрушением надмолекулярной структуры воды.
Измерительный стенд позволил, кроме общей удельной электрической проводимости, определить реактивную составляющую сопротивления в единицах емкости измерительной ячейки (далее реактивность) [13]. Полученные результаты показывают, что реактивная составляющая сопротивления дистиллированной воды на несколько порядков меньше, чем для всех остальных образцов. Значит, реактивность является более чувствительным показателем состояния воды. Реактивный ток (ток смещения) является следствием релаксационной поляризации и возникает в диэлектрике при наложении внешнего переменного электрического поля как результат следования диполей полярных молекул за изменением поля. Релаксационная поляризация является одним из двух слагаемых сопротивления диэлектрика (наряду с активной составляющей сопротивления) и определяет реактивный компонент сопротивления. Ионно-релаксационный вид поляризации - это неупругое смещение. К этому виду поляризации относится ориентация молекул в электрическом поле (молекулы, поворачиваясь в вязкой среде, тратят энергию на преодоление трения), ионная тепловая поляризация, обусловленная слабо связанными ионами. Представляется возможным, что ассоциаты образцов воды, вследствие ее различной предыстории, отличающиеся размерами и конфигурацией, будут определять реактивность сопротивления.
Выводы: в работе показаны различия в удельной электрической
проводимости и реактивной составляющей сопротивления водопроводной воды и воды подвергнутой с целью очищения дополнительной обработке в сравнении с дистиллированной водой. Установлено, что реактивная составляющая
сопротивления более чувствительна к предыстории образца воды и изменяется у образцов от долей до сотен пикофарад. Практическая значимость полученных результатов видится в естественном желании каждого из нас использовать воду максимально приближенную по составу и структурным свойствам к природной пресной воде. Установленная в работе связь между предысторией воды, а значит и её структурой, и измеряемыми диэлектрическими параметрами, даёт возможность классифицировать воду на структурированную в большей или меньшей степени. Конечно, сравниваемые образцы воды по уровню минерализации должны соответствовать стандарту. Для бытовых замеров нет необходимости в использовании высокоточных измерительных стендов, а достаточно рядового измерителя импеданса с одной или двумя рабочими частотами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Успенская, Е.В. Изучение структуры воды на супрамолекулярном уровне для разработки новых методов стандартизации и контроля качества минеральных вод и жидких лекарственных форм [Текст] / Е.В. Успенская // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук: 15.00.02. - Москва, 2007.
2. Бернал Дж., Фаулер Р. Структура воды ионных растворов / Бернал Дж. Фаулер Р. // Успехи физических наук, 1934 - Т. 14, вып. 5.
3. Френкель, Я.И. Кинетическая теория жидкостей [Текст] / Я.И. Френкель // М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1945.
4. Frank H.S., Wen W.Y. Discuss Faraday Soc. V. 24, p. 133, 1957.
5. Домрачев, Г.А., Родыгин, Ю.Л., Селивановский, Д.А. Механохимически активированное разложение воды в жидкой фазе. / ДАН, 1993, 329(2), - С. 186-188.
6. Tsai C.J., Jordan K.D. Theoretical Study of Small Water Clusters: Low-Energy Fused Cubic Structures for (H2O)n, n=8, 12, 16 and 20. Journal of Physical Chemistry, 1993, 97, 5208-10.
7. Зенин, С.В. Водная среда как информационная матрица биологических процессов [Текст] / С.В. Зенин // Первый Международный симпозиум «Фундаментальные науки и альтернативная медицина». 22-25 сентября 1997 г. Тезисы докладов. - Пущино, 1997. - С. 1213.
8. Chaplin М. Water structure and Science. [Electronic resource]/ Англ.-Режим доступа: http://www.lsbu.ac.uk/water/index2.html
9. Teresa Head-Gordon Т., Johnson М. Е. Tetrahedral structure or chains for liquid water. [Electronic resource]/ Англ.- Режим доступа: http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/103/21/7973
10. Саркисов, Г.Н. Структурные модели воды [Текст] / Г.Н. Саркисов // УФН, 2006. -Т. 176, № 8, - С. 833-845.
11. Лен, Ж.-М. Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы [Текст] / Ж-М. Лен // Пер. с англ.- Новосибирск: Наука, 1998.
12. Климарев, С.И. Интенсификация физико-химических процессов СВЧ-энергией в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля [Текст] / С.И. Климарев // Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М., 2009.
13. Ахадов, Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей: Справочник [Текст] / Я.Ю. Ахадов // Гос. ком. стандартов Совета Министров СССР. - М.: Изд-во стандартов, 1972.
© Л.Б. Воробьёва, 2012
