CC BY
209
Раздел III
МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И РАЗРАБОТКА ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
УДК: 612.744.16 DOI: 10.12737/11843
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Б.И. ЛАПТЕВ*, Г.Н. СИДОРЕНКО*, Н.П. ГОРЛЕНКО**, Ю.С. САРКИСОВ**, Л.В. АНТОШКИН***
*Nove tehnologije d.o.o, Legatova ul. 2, Ljubljana, Slovenia, 1000 **Томский государственный архитектурно-строительный университет, пл. Соляная, 2, г. Томск, Россия, 634003 ***НИИ оптики атмосферы СО РАН, площадь Академика Зуева, 1, г. Томск, Россия, 634055
Аннотация. С использованием нового методического подхода на основе диэлектрометрии и резонансного метода исследованы изменения структуры воды и водных растворов при различных воздействиях, включающих влияние температуры, магнитного поля, материала поверхности в пристеночном слое и других факторов.
Показано, что повышение (снижение) электрической емкости и (или) добротности колебательного контура при использованных воздействиях отражают возрастание (уменьшение) подвижности диполей воды в переменном электрическом поле (при обычном и (или) резонансном режимах его воздействия) и, очевидно, свидетельствуют об уменьшении (увеличении) структурированности воды и водных растворов, которая, в свою очередь, зависит от соотношения свободных и ассоциированных, например, в кластеры молекул воды, гидратных образований и взаимодействия между ними, а также от изменения концентрации растворенных газов.
Разработан критерий для оценки структуры питьевых и минеральных вод.
Ключевые слова: структура воды, кластеры, пограничный слой, электрическая емкость, резонанс, ди-электрометрия.
EVALUATION OF CHANGING THE STRUCTURE OF WATER AND AQUEOUS SOLUTIONS BY EXTERNAL
INFLUENCES
B.I. LAPTEV*, G.N. SIDORENKO*, N.P. GORLENKO**, Y.S. SARKISOV**, L.V. ANTOSHKIN***
Nove tehnologije d.o.o, Legatova ul. 2, 1000, Ljubljana, Slovenia, 1000 Tomsk State University of Architecture and Building, Solyanaya Sq., 2, Tomsk, Russia, 634003 Research Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Academician Zuev Sq., 1, Tomsk, Russia, 634055
Abstract. With use of the new methodological approach the changes of structure of water and aqueous solutions are investigated at the various influences including change of temperature, influence of magnetic field, influence of a material of a surface in boundary layer and other factors.
It is shown, that rising (depression) of electric capacity and (or) Q of an oscillatory circuit at the used influences reflect an ascending (a decrease) of mobility of dipoles of water in a variable electric floor (at usual and (or) resonant regimens of its influence) and, obviously, testify to decrease (augmentation) of structure of water and aqueous solutions. The structure of water and aqueous solutions, evidentiary, depends on the amount of free molecules of water and associate molecules of water, for example, in duster, hydrated formations and interaction between them, and also from change of concentration of the dissolved gases.
The criterion for an estimation of structure of drinking and mineral waters are developed.
Key words: water structure, water clusters, boundary water, electric capacity, resonance.
Введение. Известно, что вода и водные системы имеют высокую чувствительность к внешним воздействиям, включая информационные воздействия [6,13]. Поэтому для их адекватного изучения необходимы неразрушающие методы исследования в широком
диапазоне частот - от 1 до 1014 Гц. Так, для оценки структуры воды и водных систем используют определение их диэлектрической проницаемости на разных частотах (метод диэлектрометрии) [7,18]. Такой подход позволяет получить данные о молекулярной ди-
намике и структурных превращениях жидких систем при изменении их состава и температуры. При этом мало изучены процессы, протекающие в воде и водных системах в интервале от 104 до 106 Гц [18].
Известен способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов при котором исследуемые жидкости в диэлектрическом сосуде последовательно вводятся внутрь различных соленоидных катушек, а измерения проводятся в диапазоне частот выше 10 кГц [19]. При этом величина напряженности вихревого электрического поля внутри измерительной ячейки изменяется от 5 до 300 мкВ/см. Это создает определенные неудобства в работе и в 60 раз меняет величину реактивного тока в процессе измерений, что может приводить к различным неконтролируемым изменениям структуры жидкостей.
В последние годы рядом авторов показано, что в воде и водных растворах происходит непрерывное образование и разрушение ассоциатов молекул воды (кластеров и гигантских гетерофазных кластеров воды - ГГКВ), образующих льдоподобную структуру за счет водородных связей. Время жизни таких ассо-циатов от 10-11 до 1 секунд и более, а их размеры имеют широкий диапазон (10-9 до 10-4) м [20,21,23] и зависят от концентрации раствора [22], температуры [1] и других факторов. Недостатком указанного метода, прежде всего, является невозможность определения других физико-химических свойств жидкостей, например, подвижности диполей воды, что имеет определяющее значение при формировании структуры, а также свойств воды и ее растворов.
Цель работы - разработка методического подхода для исследования структуры воды и водных растворов при внешних воздействиях, включающих влияние температуры, магнитного поля, материала поверхности в пристеночном слое и других факторов.
Методика проведения эксперимента. В опытах использованы дистиллированная вода, а также водные растворы хлоридов натрия, калия, кальция и магния в концентрациях от 10-6 М до 1,0 М. Изучаемую жидкость помещают в измерительные ячейки, включающие емкость из диэлектрического материала для исследуемых жидкостей, а также обкладки конденсатора из немагнитного материала без непосредственного контакта с исследуемой жидкостью.
Особенностью ячеек является такое взаимное расположение обкладок конденсатора, которое позволяет увеличить динамический диапазон изменения сигнала с измерительных ячеек и, вследствие этого, получить возможность регистрировать малые изменения структуры воды и водных растворов (рис. 1). Для этого, в зависимости от решаемых задач, обкладки конденсатора измерительной ячейки располагают напротив друг друга на расстоянии более 5 см или смещают относительно друг друга в параллельных плоскостях, или располагают в одной плоскости, а жидкость в этом случае находится над об-
кладками конденсатора.
Рис. 1. Схемы измерительных ячеек для оценки структуры воды и водных растворов. А - исследуемая жидкость находится между обкладками конденсатора; Б - обкладки конденсатора смещены относительно друг друга в параллельных плоскостях; В - обкладки конденсатора располагают в одной плоскости, а жидкость находится над обкладками конденсатора: 1 - емкость для жидкости, 2 - исследуемая жидкость, 3 - обкладки конденсатора, 4 - клеммы для подключения сигнала от генератора синусоидальных колебаний
Для оценки структурных изменений водных растворов в пристеночном слое использовали измерительные ячейки, показанные на рис. 2 и представляющие собой модификацию измерительной ячейки В (рис. 1).
Рис. 2. Схема измерительных ячеек для оценки структуры воды и водных растворов в пристеночном слое. А - ячейка, в которой жидкость находится между двумя стеклянными поверхностями. Б - ячейка, в которой жидкость находится
между пластмассовой и стеклянной поверхностями. 1 - нижняя стеклянная емкость с плоским дном для исследуемых жидкостей (в ячейке А) или пластмассовая пластинка (в ячейке Б), 2 - верхняя стеклянная емкость с плоским дном, 3 - исследуемая жидкость, 4 - обкладки конденсатора, 5 - клеммы для подключения сигнала от генератора синусоидальных колебаний
Напряжение к измерительным ячейкам подается от генератора синусоидальных колебаний АБС 2025, сигнал с ячеек усиливается инструментальным усилителем на основе микросхемы АБ8067 и измеряется на осциллографе РБ55022Б. Величину индуктивности измеряют с помощью прибора ЪСК-9063.
Величина напряжения генератора синусоидальных колебаний, подводимого к измерительной ячейке, уменьшается обратно пропорциональна его частоте. Это, во-первых, обеспечивает постоянную (эталонную) величину тока через измерительную ячейку при разных частотах генератора в случае подключения между обкладками конденсатора ячейки эта-
лонного конденсатора. Во-вторых, уменьшается зависимость плотности тока через измерительную ячейку от его частоты, что снижает влияние величины реактивного тока на структуру жидкостей.
Установка позволяет измерять электрическую емкость жидкостей (по изменению величины реактивного тока через них и после вычитания из общей емкости конденсатора емкости измерительной ячейки без жидкости), а также определять добротность колебательного контура, образованного переменной индуктивностью и конденсатором при нахождении жидкостей между его изолированными пластинами. При измерении емкости жидкостей частота тока, подводимого к обкладкам конденсатора, изменяется от 1 до 3000 кГц. При измерении добротности колебательного контура величины индуктивности устанавливают на уровне, позволяющем получить резонансную частоту 30 кГц, 100 кГц, 300 кГц или 1000 кГц.
Для оценки структуры воды и водных растворов при различных воздействиях используются минимальные величины напряженности электрического поля внутри измерительной ячейки (от 15 до 75 мкВ/см в зависимости расстояния между пластинами конденсатора) и плотности тока на обкладках конденсатора (от 10 до 100 нА/см2 в зависимости от площади пластин конденсатора).
Результаты эксперимента и их обсуждение. В начале исследований оценивали влияние расстояния между электродами и, соответственно, напряженности электрическогго поля на динамику электрической емкости и добротности колебательного контура с использованием варианта А измерительной ячейки, показанного на рис. 3. Оказалось, что электрическая емкость дистиллированной воды при расстоянии между пластинами конденсатора 2 см с увеличением частоты реактивного тока от 1 до 3000 кГц уменьшалась до 66% (рис. 2А) от исходного уровня (Р<0,001). При этом с повышением частоты от 300 кГц до 3000 кГц величина этого показателя практически не изменялась. При увеличении расстояния между пластинами конденсатора до 5 см и 10 см электрическая емкость при возрастании частоты от 1 до 3000 кГц снижалась более выраженно (до 48% и 27% соответственно).
Величина добротности колебательного контура при увеличении расстояния между пластинами конденсатора от 2 см до 10 см на частотах 30 кГц, 100 кГц и 300 кГц снижалась до 39%, 64% и 78% соответственно (Р<0,001 во всех случаях). При этом более выраженное снижение добротности наблюдалось при меньшей резонансной частоте.
Электрическая емкость 110 2 М раствора хлорида натрия при расстоянии между пластинами конденсатора 2 см с увеличением частоты реактивного тока от 1 до 3000 кГц снижается менее выражено по сравнению с дистиллированной водой (до 91% от исходного уровня, Р<0,001). При увеличении же рас-
стояния между пластинами конденсатора до 5 см и 10 см электрическая емкость при возрастании частоты снижалась более выраженно - до 89% и 87% соответственно. При расстоянии между пластинами конденсатора 2 см величина добротности колебательного контура, по сравнению с дистиллированной водой, многократно возрастает, а при увеличении расстояния между пластинами конденсатора от 2 см до 10 см на частотах 30 кГц, 100 кГц и 300 кГц добротность снижалась до 97%, 78% и 50% соответственно (Р<0,001 во всех случаях). При этом снижение добротности было более выражено на большей резонансной частоте.
Рис. 3. Зависимость электрической ёмкости (С, пФ) дистиллированно воды (А) и 110 2 М раствора хлорида натрия (Б)
от частоты реактивного тока при различном расстоянии между обкладками конденсатора: 1 - 2 см, 2 - 5 см, 3 - 10 см
Исходя их полученных выше результатов было предположено, что для выявления структурных изменений в воде и в водных растворах, во-первых, целесообразно использовать измерительные ячейки, в которых пластины конденсатора параллельны друг другу и находятся на расстоянии более 5 см друг от друга (вариант А, рис. 2), либо смещены относительно друг друга в параллельных плоскостях (вариант Б, рис. 2), либо располагают в одной плоскости, а жидкость в этом случае находится над обкладками конденсатора (вариант В рис. 2). Во-вторых, добротность колебательного контура, по сравнению с электриче-
ской емкостью, вероятно, является более чувствительным параметром и также может быть использована для оценки структуры воды и водных растворов.
Ниже приведены данные, полученные с использованием варианта Б (рис. 1Б) измерительной ячейки [8]. В этом случае при температуре 20оС с увеличением частоты реактивного тока от 1 до 100 кГц электрическая емкость дистиллированной воды многократно (до 7% от исходного уровня, Р<0,001) снижалась (рис. 4А). При дальнейшем повышении частоты до 3000 кГц электрическая емкость практически не уменьшалась. Следует отметить, что уже при частоте 3 кГц емкость снижалась до 42% по сравнению с частотой 1 кГц (Р<0,001).
Принимая во внимание данные литературы, проведенные нами расчеты и полученные ранее результаты [1,8,9,23], можно предположить, что в дистиллированной воде её молекулы достаточно прочно связаны между собой в ассоциаты. Это значительно снижает подвижность диполей воды уже при низкой частоте реактивного тока (1-10 кГц).
К"| ц
Д
кГц
Б
Рис. 4. А - зависимость электрической ёмкости дистиллированной воды и водных растворов от частоты реактивного
тока: 1-дистиллированная вода, 2, 3, 4, 5, 6 и 7- растворы соли хлорида натрия в концентрациях 110'6 М, 110'5 М, 110'4
М, 110-3 М, 110'2 М и 110'1 М соответственно. Б - относительное изменение электрической ёмкости при различных частотах реактивного тока и концентрациях раствора ЫаС1: 1 - 110-6 М раствор по сравнению с дистиллированной водой; 2 - 110-5М раствор по сравнению с 1106 М раствором; 3 - 1104 М раствор по сравнению с 1105 М раствором; 4 - 1-10-3 М раствор по сравнению с 110'4М раствором; 5 - 110-2 М раствор по сравнению с 110'3М раствором, 6 - 1101 М раствор по сравнению с 110'2М раствором, 7 - 1,510-1 М раствор по сравнению с 110-1М раствором
При использовании водного раствора NaCl с концентрацией 110'6 М возрастание его емкости (по сравнению с емкостью дистиллированной воды) на-блюдадается на частотах 1, 3, 10 и 30 кГц с максимумом на частоте 1 кГц (рис. 3Б). При концентрации 110-5 М емкость раствора (по сравнению с 110-6 М раствором NaCl) максимально возрастает на частоте 3 кГц, а при концентрации 10-4 М (по сравнению с 10-5 М раствором) максимальное увеличение этого параметра наблюдается на частоте 10 кГц (P<0,001). При дальнейшем повышении концентрации раствора до 110'3М, 110-2М и до 110-1М максимальное относительное возрастание емкости происходит на частотах 30 кГц, 300 кГц и 3000 кГц соответственно (Р<0,001). При максимальной концентрации раствора NaCl (0,15М) снижение емкости дистиллированной воды при повышении частоты от 1 до 3000 кГц составляет всего 10%. Таким образом, при повышении концентрации растворов солей происходит последовательное увеличение их емкости сначала на низких, а затем и на более высоких частотах.
Повышение, по сравнению с дистиллированной водой, электрической емкости раствора NaCl, начинающееся уже при небольшой его концентрации, свидетельствует о том, что, наряду с количественными изменениями, происходит изменение структуры раствора, приводящее к увеличению количества диполей, совершающих колебательные движения при частотах 1 - 3000 кГц. Далее можно предположить, что динамика электрической емкости при повышении концентрации растворов NaCl отражает:
- изменения в структуре ассоциатов молекул воды, в соотношениях размеров и количества кластеров;
- особенности процессов гидратации ионов;
- динамику взаимодействия между ассоциатами молекул воды и гидратными образованиями.
Эти предположения подтверждаются данными наших более ранних исследований и работ других авторов [1,8,10,23], в которых показано, что кластеры могут характеризоваться колебаниями в области частот от 1 до 103 кГц, а в 110-3 М растворах NaCl, по сравнению с дистиллированной водой, возрастает содержание более крупных кластеров и снижается содержание более мелких кластеров. Увеличение же концентрации раствора до 0,1 М и выше приводит к увеличению содержания более мелких кластеров. Следует отметить, что аналогичные результаты динамики электрической емкости наблюдались в проведенных нами ранее исследованиях с растворами NaCl, KCl, MgCli и CaCh [9,10], в которых также было показано, что по величине электрической емкости растворы солей достоверно отличаются друг от друга.
Далее были проведены опыты с нагреванием и охлаждением этих воды и водных растворов.
В работах ряда авторов показано, что при нагревании от 20°С до 40°С общая концентрация класте-
ров с размерами от 2 до 40 мкм в дистиллированной воде, а также в 0,01М растворах хлоридов натрия, калия и других солей снижается [1]. При этом крупные кластеры воды (размером 30 мкм и более) исчезают уже при нагревании более 30°С. При снижении же температуры происходит возрастание количества кластеров. При этом содержание в воде «плотных» кластеров максимально при 0оС [4].
В проведенных с использованием варианта Б (рис. 1Б) измерительной ячейки показано, что при повышении температуры от 20оС до 40оС (рис. 5) электрическая емкость дистиллированной воды увеличивается на низких частотах (1, 3, 10 кГц). Так, при частоте 3 кГц электрическая емкость повышается на 40% (Р<0,001).
С, пФ
А
О
Б
Рис. 5. Относительное изменение электрической ёмкости (А) и добротности (Б) при изменении температуры дистиллированной воды и различных частотах реактивного тока: 1 - 30 оС по сравнению с 20 оС; 2 - 40оС по сравнению с 20 оС; 3 - 10 оС по сравнению с 20 оС
При охлаждении воды до 10 оС электрическая емкость воды, наоборот, уменьшается на низких частотах (1,3,10 и 30 кГц). На этих частотах снижение емкости составло 19-26% (Р<0,001).
При повышении температуры до 40оС добротность колебательного контура достоверно снижается при всех резонансных частотах, а при охлаждении воды до 10оС она возрастала при резонансных частотах 30 и 100 кГц на 21 и 19% соответственно (Р<0,001).
С учетом приведенных данных литературы и полученных результатов можно предположить, что динамика электрической емкости и добротности колебательного контура при изменении температуры дистиллированной воды и концентрации растворов в значительной степени обусловлена изменением содержания в воде кластеров. Вероятно, что при повышении температуры и (или) концентрации, в жидкостях начинают разрушаться кластеры воды, вследствие чего диполи воды становятся менее связанными между собой и их подвижность возрастает, что и приводит к увеличению электрической емкости воды. При снижении же температуры происходит обратный процесс, при котором образуются больше крупных кластеров, в которых подвижность диполей снижается и, соответственно, электрическая емкость падает.
Ниже приведены данные с использованием варианта Б измерительной ячейки (показанной на рис. 1Б) по изучению активированной дистиллированной воды [12]. Обработка дистиллированной воды магнитным полем приводила к снижению на частотах 130 кГц ее электрической емкости и повышению рН среды. Добротность колебательного контура (при нахождении воды между изолированными обкладками конденсатора) при этом возрастала на резонансных частотах 30, 100 и 300 кГц. Изменения электрической емкости и добротности колебательного контура при активации дистиллированной воды нагреванием до 60оС с последующим охлаждением до исходной температуры 20оС без доступа воздуха, а также при снижении температуры воды до 10оС имели ту же направленность, что и при магнитной обработке воды. Внолятно, что активация дистиллированной воды магнитным полем, нагреванием с последующим охлаждением без доступа воздуха, а также охлаждение воды вызывают подобные изменения ее структуры, обусловленное изменениями размеров кластеров и количества мономерных диполей воды и концентрации растворенных газов.
При нагревании дистиллированной воды до 30оС и 40оС изменения ее электрической емкости и добротности колебательного контура имеют противоположную направленность по сравнению с динамикой этих параметров после активации указанными выше способами.
Далее с использованием модифицированной измерительной ячейки (рис. 2 А) оценивали влияние пристеночного (пограничного) слоя на структуру водных растворов в диапазоне частот реактивного тока от 1 до 3000 кГц [11].
Оказалось, что при уменьшении расстояния до стеклянной поверхности от 5000 мкм до 8 мкм элек-
трическая емкость 0,01 М, 0,15 М и 1М растворов NaCl на частотах 1000 и 3000 кГц и добротность колебательного контура на частоте 30 кГц многократно снижались. При этом при больших концентрациях растворов хлорида натрия и хлорида калия эти параметры изменялись менее выраженно.
Следует также отметить, что имеются различия в динамике изучаемых параметров при использовании, растворов различных солей. Так, при высоте слоя жидкости 50 мкм электрическая емкость 0,15 М раствора хлористого калия и добротность колебательного контура уменьшались значительно меньше, чем 0,15 М раствора хлористого натрия. Это согласуется с известным положением о структуроразру-щающем действии иона калия на нативную структуру воды, как иона с отрицательной гидратацией.
Далее была проведена сравнительная оценка влияния материала на структуру водных растворов в пристеночном слое (рис.6). Оказалось, что если 0,15 М раствор NaCl находится между пластмассовой и стеклянной поверхностью (в ячейке Б, рисю 2Б), то с увеличением частоты реактивного тока от 1 до 3000 кГц его электрическая емкость снижается более вы-раженно, по сравнению с опытом когда этот же раствор находится между стеклянными поверхностями (в ячейке А, рис. 2 А).
С. кФ 5» ■
25 -
о
16 г5 so 1во
ЮПИ
о
4U "
ill ■
0 —,-1-,-
16 2$ 2т
мкч
Б
Рис. 6. А - зависимость электрической ёмкости (С, пФ) 0,15 М раствора хлорида натрия на частоте 300 кГц. Б - зависимость добротности колебательного контура с включением 0,15 М раствора хлорида натрия на частоте 100 кГц от высоты слоя раствора. 1 - раствор находится между стеклянными поверхностями. 2 - раствор находится между пластмассовой и стеклянной поверхностью
Так, на частоте 300 кГц при высоте слоя жидкости 16 мкм электрическая емкость 0,15 М раствора хлорида натрия между пластмассовой и стеклянной поверхностями ячейки снижалась по сравнению с исходным уровнем до 34%, а в ячейке между стеклянными поверхностями - лишь до 63%. При увеличении высоты слоя раствора до 200 мкм указанное различие практически исчезало.
Болеее значительные различия между параметрами 0,15 М раствора хлорида натрия в ячейках А и Б были выявлены при использовании добротности колебательного контура (рис. 6Б).
Полученные выше результаты свидетельствуют о том, что при приближении к твердой поверхности в растворах, очевидно, увеличивается структурированность жидкостей, что проявляется в снижении подвижности диполей воды, приводящей, в свою очередь, к снижению электрической емкости растворов и добротности колебательного контура. Выраженность этих изменений в пограничном слое зависит от растворенного вещества, концентрации растворов и материала поверхности и проявляются на расстояниях менее 5000 мкм. Методика оценки влияния поверхностного слоя на электрофизические свойства жидкости может быть использована для подбора материалов, изменяющих структуру жидкостей и, соответственно, кинетику химических процессов.
Далее с использованием варианта Б (рис. 1Б) измерительной ячейки была проведена оценка структуры притьевых и минеральных вод [14]. Для этого был разработан коэффициент для оценки структуры минеральных вод - (Ks), который рассчитывали по следующей формуле: Ks = 10(Cl°° Cl000)/ где Cj, С100 и С1000
Ci
- ёмкость жидкости на частоте 1, 100 и 1000 кГц.
При оценке структуры используемых питьевых и минеральных вод с использованием коэффициента Ks оказалось, что для питьевах и минеральных вод его величины составляют: Fiji - 5,39+0,02; Zala -4,24+0,02; Primula - 3,77+0,02; Donat Mg - 0,35+0,01; морская вода - 0,16+0,01 (различия между водами во всех случаях были достоверны, P<0,001). Принимая во внимание данные литературы, проведенные нами расчеты и полученные ранее результаты [9,21-23], можно предположить, что в питьевых и минеральных водах подвижность диполей воды зависит от состава и концентрации солей. Снижение коэффициента Ks, очевидно, является результатом увеличения подвижности диполей воды, обусловленного увеличением содержания более мелких ассоциатов молекул воды и возрастанием степени гидратации различных ионов. С учетом этого допущения можно предположить, что оздоровительные и лечебные свойства питьевых и минеральных вод в значительной степени могут зависеть не только от их состава и концентрации растворенных веществ, но и от соотношения различных по размерам ассоциатов воды, а также степени гидратации ионов.
Совокупность полученных выше данных позволяет с новой точки зрения оценить роль структурных изменений в воде и в водных растворах в живых и неживых системах. Так, по мнению ряда авторов, размеры и свойства гигантских гетерофазных кластеров воды (ГГКВ) подобны размерам и свойствам клеток организмов [2,20,22]. ГГКВ, как и клетки организмов, имеют «мембрану», трансмембранный потенциал (около 100 мв). При этом, в крупном кластере воды могут находиться более мелкие кластеры воды, подобно тому, как в клетке находятся митохондрии и другие органеллы. Кластеры могут взаимодействовать между собой и образовывать структуры [2,20-22], подобно структуре многоклеточных организмов. ГГКВ присутствуют в соке растений [1]. Размеры кластеров могут влиять на оздоровительные и лечебные свойства питьевых и минеральных вод и уменьшаются при повышении температуры [1,14].
С учетом этих данных, можно предположить, что при своем образовании, росте и развитии клетки «используют» уже имеющуюся кластерную, «клеточную» структуру воды как структурную основу. Это предположение частично подтверждается тем, что у теплокровных животных, имеющих более высокую температуру тела, диаметр эритроцитов составляет около 7,5 мкм, что более, чем в 2 раза меньше диаметра эритроцитов холоднокровных животных [15].
Известно также, что внутки клеток организмов концентрация калия во много раз больше, чем снаружи клеток, а концентрация натрия внури клеток во много раз меньше, чем снаружи. С учетом полученных результатов и данных литературы [16,17] можно предположить, что в клетках организмов большая концентрация внутриклеточного калия позволяет частично снизить избыточный эффект структурирования жидкостей в пограничном слое и облегчить взаимодействие процессов, протекающих в клетках в резонансном режиме [5]. Относительно большая концентрация внеклеточного натрия, наоборот, позволяет в большей степени стабилизировать наружную сторону клеточной мембраны.
Выше было показано, что при активации воды в ней происходит снижение электрической емкости на частотах 1-30 кГц, но повышение добротности колебательного контура при резонансных частотах 30 кГц, 100 кГц и 300 кГц. С учетом этого, стимулирующее воздействие активированной воды на живые и неживые системы, вероятно, обусловлено такими изменениями структуры водных систем (в частности, внутри и вне клеток), при которых облегчается взаимодействие между процессами в резонансном режиме, но сохраняется стабильность, благодаря ограничению подвижности диполей при воздействии не резонансных частот.
Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы и частично уже используются в практике [3,11,14].
Во-первых, это возможность оценивать подвижность диполей воды и соответственно структурированность водных растворов находящихся в измерительных ячейках или в другой таре из диэлектрического материала.
Во-вторых, разработанные измерительные ячейки позволяют подбирать параметры каких-либо воздействий на воду и водные растворы, например, для модификации физико-химических процессов, протекающих в вяжущих системах
В-третьих, разработанный методический подход для исследования структуры воды и водных растворов позволяет оценивать воздействие различных материалов на структуру воды о водных систем в пристеночном слое.
В-четвертых, разработаный критерий Ks использован для оценки структуры притьевых и минеральных вод.
Выводы:
1. При температуре 20оС электрическая емкость дистиллированной воды при увеличении частоты реактивного тока от 1 до 3000 кГц многократно снижается. Электрическая емкость водных растворов NaCl, KCl, CaCh и MgCli при повышении их концентрации до 1101 М и возрастании частоты реактивного тока многократно увеличивается сначала низких (1-30кГц), а затем на более высоких частотах (100-3000 кГц). По выраженности изменений этого параметра растворы отличаются друг от друга.
2. При повышении концентрации водного раствора NaCl от 110-6 М до 110-2 М добротность колебательного контура на резонансной частоте 10 кГц многократно возрастает во всем диапазоне увеличения концентраций растворов NaCl. При этом на частотах 30 и 100 кГц добротность сначала снижается, но затем многократно возрастает при повышении концентрации NaCl более 110-4 М при частоте 30 кГц и более 110-3 М при частоте 100 кГц.
3. При нагревании жидкостей до 40о С электрическая емкость дистиллированной воды увеличивается на частотах 10 кГц и 30 кГц, а электрическая емкость 1.10 4 М растворов NaCl, KCl, MgCli и CaCh возрастает при большей частоте -300 кГц. При этом добротность колебательного контура в опытах с дистиллированной водой на резонансных частотах 30 и 100 кГц снижается, но возрастает в опытах с 110 4 М растворов NaCl, KCl, MgCli и CaCli.
4. При активации дистиллированной воды нагреванием от 20оС до 60оС с последующим охлаждением до 20оС без доступа воздуха, при ее магнитной обработке и при снижении температуры до 10оС происходит уменьшение емкости на низких частотах (1-10) кГц и возрастание добротности на более высоких частотах, а при нагревании дистиллированной воды наблюдается обратная
динамика этих параметров.
5. В пристеночном слое при уменьшении расстояния до стеклянной поверхности от 5000 мкм до 8 мкм и при концентрации водных растворов NaCl, KCl от 0,01 М до 1,0 М электрическая емкость на частотах 1000 и 3000 кГц и добротность колебательного контура на частоте 30 кГц многократно снижаются. Эти изменения зависят от концентрации растворов, природы растворенного вещества и материала поверхности.
6. Разработанные измерительные ячейки и способ измерения электрических параметров позволяют косвенно оценивать структуру дистиллированной воды питьевых и минеральных вод, а также водных растворов при различных воздействиях, включающих изменение температуры, магнитного поля, влияние материала поверхности в пристеночном слое и других факторов.
7. Повышение (снижение) электрической емкости и (или) добротности колебательного контура при различных воздействиях отражают возрастание (уменьшение) подвижности диполей воды в переменном электрическом поле (при обычном и (или) резонансном режимах его воздействия) и, очевидно, свидетельствуют об уменьшении (увеличении) структурированности воды и водных растворов, которая, зависит от соотношения свободных и ассоциированных, например, в кластеры молекул воды, гидратных образований и взаимодействие между ними, а также от концентрации растворенных газов.
Литература
1. Гончарук В.В., Орехова Е.А., Маляренко В.В. Влияние температуры на кластеры воды // Химия и технология воды. 2008. Т. 30, № 2. С. 150-158.
2. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды / Гончарук В.В., Смирнов В.Н., Сыроешкин А.В. [и др.] // Химия и технология воды. 2007. Т. 29, № 1. С. 3-17.
3. Горленко Н.П., Лаптев Б.И., Саркисов Ю.С., Сидоренко Г.Н., Кульченко А.К. Влияние электромагнитных полей на свойства жидкости затворения цементных систем // Перспективные материалы в строительстве и технике. Материалы Международной научной конференции молодых ученых 15-17 октября 2014 года. Томск, 2014. С. 137-145.
4. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Кластерная структура жидких спиртов, воды и н-гексана // Журнал прикладной спектроскопии. 2005. Т. 72, № 3. C. 305-312.
5. Илларионов В.Е. Магнитотерапия. М.: Книжный дом «Либроком», 2009. 136 с.
6. Кидалов В.Н., Хадарцев А.А. Тезиография крови и биологических жидкостей / Под ред. А.А. Хадарцева. Тула: Тульский полиграфист, 2009. 244 с.
7. Кочеткова Т.Д. Температурные зависимости спектров диэлектрической проницаемости воды и водных растворов спиртов в области релаксации: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Томск, 2003. 126 с.
8. Лаптев Б.И., Сидоренко Г. Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В., Кульченко А.К. Современные электрофизические методы исследований структуры воды и водных растворов // Вода и экология. Проблемы и решения. 2014. № 3. С.21-32.
9. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С. Влияние нагревания и концентрации растворов на процессы структурообразования в воде и водных растворах // Вода и экология. Проблемы и решения. 2012. № 4. С. 43-50.
10. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В. Процессы структуроообразования в воде и водных растворах // Вода и экология. Проблемы и решения. 2012. № 2/3. С.26-33.
11. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В. Оценка изменений структуры водных растворов в пристеночном слое с использованием диэлектрометрии и резонансного методов // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2015. N4. С. 20-25.
12. Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В., Кульченко А.К. Электрические свойства воды при внешних воздействиях // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2014. № 9. С. 20-27.
13. Левицкий Е.Ф., Лаптев Б.И., Сидоренко Г.Н., Горленко Н.П., Саркисов Ю.С., Антошкин Л.В. Использование метода диэлектрометрии для оценки структуры питьевых и минеральных вод // Физиотерапевт . 2013. № 3. С. 3-8.
14. Левицкий Е.Ф., Лаптев Б.И. Сидоренко Г.Н. Электромагнитные поля в курортологии и физиотерапии. Томск, 2000. 127 с.
15. Липунова Е.А., Скоркина М.Ю. Физиология крови // Монографическое исследование. Белгород, 2007. 326 с.
16. Новые подходы в биомедицинской технологии на основе воды пограничного слоя / Постнов С.Е, Мезенцева М.В, Подчерняева Р.Я [и др.] // Биомедицинская радиоэлектроника. 2009. Т.1. С. 3-15.
17. Необычные свойства воды пограничного слоя / Постнов С.Е., Подчерняева Р.Я., Мезенцева М.В. [и др.] // Вестник российской академии естественных наук. 2009. №3. С. 12-15.
18. Семихина Л.П. Низкочастотная диэлькометрия жидкостей в слабых вихревых электрических полях: автореф.дис.докт. физ.-мат.наук. Тюмень, 2006. 33 с.
19. Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью 1-ячейки //
Патент RU N 2234102.
20. Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В. Супранадмолекулярные комплексы воды // Рос. хим. журн. 2004. T.48, N 2. C. 125-135.
21. Вода как гетерогенная структура / Сыроешкин А.В., Смирнов А.Н., Гончарук В.В. [и др.] // Электронный журнал «Исследовано в России». 2006. С. 843-854. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/ articles/2006/088.pdf.
22. Успенская Е.В. Изучение структуры воды на супрамолекулярном уровне для разработки новых методов стандартизации и контроля качества минеральных вод и жидких лекарственных форм: автореф. дис. канд. хим. наук. М., 2007. 27 c.
23. Michaelides А, Morgenstern K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces // Nature Materials. 2007. V.6. P. 597-601.
References
1. Goncharuk VV, Orekhova EA, Malyarenko VV. Vliyanie temperatury na klastery vody. Khimiya i tekhnologiya vody. 2008;30(2):150-8. Russian.
2. Goncharuk VV, Smirnov VN, Syroeshkin AV, et al. Klastery i gigantskie geterofaznye klastery vody. Khimiya i tekhnologiya vody. 2007;29(1):3-17. Russian.
3. Gorlenko NP, Laptev BI, Sarkisov YuS, Sidorenko GN, Kul'chenko AK. Vliyanie elektromagnitnykh poley na svoystva zhidkosti zatvoreniya tsementnykh sistem. Perspektivnye materialy v stroitel'stve i tekhnike. Materialy Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii molodykh uchenykh 15-17 oktyabrya 2014 goda. Tomsk; 2014. Russian.
4. Zubova KV, Zubov AV, Zubov VA. Klasternaya struktura zhidkikh spirtov, vody i n-geksana. Zhurnal prikladnoy spektroskopii. 2005;72(3):305-12. Russian.
5. Illarionov VE. Magnitoterapiya. Moscow: Knizhnyy dom «Librokom»; 2009. Russian.
6. Kidalov VN, Khadartsev AA. Teziografiya rovi i biologicheskikh zhidkostey. Tula: Tul'skiy poligrafist; 2009. Russian.
7. Kochetkova TD. Temperaturnye zavisimosti spektrov dielektricheskoy pronitsaemosti vody i vodnykh rastvorov spirtov v oblasti relaksatsii: avtoref. dis. kand. fiz.-mat. nauk. Tomsk; 2003. Russian.
8. Laptev BI, Sidorenko GN, Gorlenko NP, Sarkisov YuS, Antoshkin LV, Kul'chenko AK. Sovremennye elektrofizicheskie metody issledovaniy struktury vody i vodnykh rastvorov. Voda i ekologiya. Problemy i resheniya. 2014;3:21-32. Russian.
9. Laptev BI, Sidorenko GN, Gorlenko NP, Sarkisov YuS. Vliyanie nagrevaniya i kontsentratsii rastvorov na protsessy strukturoobrazovaniya v vode i vodnykh rastvorakh. Voda i ekologiya. Problemy i resheniya. 2012;4:43-50. Russian.
10. Laptev BI, Sidorenko GN, Gorlenko NP, Sarkisov YuS, Antoshkin LV. Protsessy strukturooobrazovaniya v vode i vodnykh rastvorakh.
Voda i ekologiya. Problemy i resheniya. 2012;2/3:26-33. Russian.
11. Laptev BI, Sidorenko GN, Gorlenko NP, Sarkisov Yu.S., Antoshkin L.V. Otsenka izmeneniy struktury vodnykh rastvorov v pristenochnom sloe s ispol'zovaniem dielektrometrii i rezonansnogo metodov. Vodoochistka, vodopodgotovka, vodosnabzhenie. 2015;4:20-5. Russian.
12. Laptev BI, Sidorenko GN, Gorlenko NP, Sarkisov YuS, Antoshkin LV, Kul'chenko AK. Elektricheskie svoystva vody pri vneshnikh vozdeystviyakh. Vodoochistka, vodopodgotovka, vodosnabzhenie. 2014;9:20-7. Russian.
13. Levitskiy EF, Laptev BI, Sidorenko GN, Gorlenko NP, Sarkisov YuS, Antoshkin LV. Ispol'zovanie metoda dielektrometrii dlya otsenki struktury pit'evykh i mineral'nykh vod. Fizioterapevt. 2013;3:3-8. Russian.
14. Levitskiy EF, Laptev BI, Sidorenko GN. Elektromagnitnye polya v kurortologii i fizioterapii. Tomsk; 2000. Russian.
15. Lipunova EA, Skorkina MYu. Fiziologiya krovi. Monograficheskoe issledovanie. Belgorodzh 2007. Russian.
16. Postnov SE, Mezentseva MV, Podchernyaeva RYa, et al. Novye podkhody v biomeditsinskoy tekhnologii na osnove vody pogranichnogo sloya. Biomeditsinskaya radioelektronika. 2009;1:3-15. Russian.
17. Postnov SE, Podchernyaeva RYa, Mezentseva MV, et al. Neobychnye svoystva vody pogranichnogo sloya. Vestnik rossiyskoy akademii estestvennykh nauk. 2009;3:12-5. Russian.
18. Semikhina LP. Nizkochastotnaya diel'kometriya zhidkostey v slabykh vikhrevykh elektricheskikh polyakh [dissertation]. Tyumen' (Tyumen' region); 2006. Russian.
19. Semikhina LPb inventors; Sposob opredeleniya dielektricheskikh parametrov vody i ee rastvorov v nizkochastotnoy oblasti s pomoshch'yu l-yacheyki. Russian Federation patent RU 2234102. Russian.
20. Smirnov AN, Syroeshkin AV. Supranadmolekulyarnye kompleksy vody. Ros. khim. zhurn. 2004;48(2):125-35. Russian.
21. Syroeshkin AV, Smirnov AN, Goncharuk VV, et al. Voda kak geterogennaya struktura. Elektronnyy zhurnal «Issledovano v Rossii». 2006:843-854. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/ articles/2006/088.pdf. Russian.
22. Uspenskaya EV. Izuchenie struktury vody na supramolekulyarnom urovne dlya razrabotki novykh metodov standartizatsii i kontrolya kachestva mineral'nykh vod i zhidkikh lekarstvennykh form [dissertation]. Moscow (Moscow region); 2007. Russian.
23. Michaelides A, Morgenstern K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces. Nature Materials. 2007;6:597-601.
