CC BY
15
УДК 539.196
АДСОРБЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЕ СЛОИ В ИЗМЕРЕНИЯХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
А. А. Белов1, В. К. Конюхов
Адсорбция примесей на обкладках измерительного конденсатора и диффузия примесей в воде создают слоистую структуру в межэлектродном пространстве, что проявляется в изменении емкости конденсатора и ошибке порядка 1% в определении диэлектрической проницаемости для образцов дистиллированной воды. Механическое перемешивание жидкости разрушает структуру слоев, что проявляется в уменьшении емкости конденсатора на 0,1%.
Исследование диэлектрических свойств жидкостей является одним из основных ме тодов изучения их структуры и молекулярных взаимодействий. В экспериментах объем жидкости ограничен поверхностями твердых тел, например, электродами измеритель ного конденсатора, стенками объемного резонатора, или волновода, стенками сосуда из стекла или другого диэлектрического материала, куда наливается жидкость. Взаимодействие молекул жидкости с поверхностью этих тел приводит к тому, что слои жидкости, расположенные вблизи поверхности, приобретают свойства, отличные от свойств жидкости в объеме.
Адсорбция молекул жидкости и содержащихся в ней примесей на поверхностях разде ла вызывает диффузионное движение молекул в жидкости в результате чего концентра ция примесей вблизи поверхности отличается от средней по объему. Обмен ионами меж ду жидкостью и поверхностью твердого тела формирует на границе раздела двойной
'Московский государственный университет.
номер 5-6, 1997 г._Краткие сообщения по физике ФИАН
электрический слой. Адсорбция и двойной электрический слой интенсивно исследуютс я в электрохимии в растворах с большой концентрацией ионов и высокой проводимостью. Диэлектрические свойства жидкостей, в частности, воды и водных растворов изучаются в условиях, когда концентрации посторонних веществ малы, а жидкость имеет малую электропроводность. Однако и в этих условиях адсорбция на поверхности раздела и диффузионное перераспределение примесей по объему играют существенную роль.
При измерении диэлектрических свойств жидкостей с малой электропроводностью, таких как н-гептан, гексан и четыреххлористый углерод, на сверхнизких (Ю-2 Ю-3 Гц) частотах было обнаружено, что диэлектрическая проницаемость этих жид костей увеличивается на один - два порядка по сравнению со значением на высокой (105 Гц) частоте при концентрации примесей Ю-2 — 10-3% [1, 2]. Объяснение этого эф фекта основано на представлении об адсорбции примесей, содержащихся в любой реаль ной жидкости, на поверхности электродов измерительного конденсатора [3]. Одновре менное действие адсорбции и диффузии приводит к стационарному пространственному распределению концентраций примесей в меж электродном промежутке в виде слоев, параллельных поверхности электродов, с различными электрическими свойствами и размытыми границами. В такой слоистой структуре происходит объемная поляризация вещества [4], которая сопровождается появлением областей дисперсии дебаевского типа в диэлектрическом спектре [5].
В настоящей работе обращается внимание на существенную роль адсорбционно диффузионных слоев в воде с малой концентрацией примесей, например, дистиллиро ванной воде, и приводится еще одно доказательство существования этих слоев в воде, заполняющей измерительный конденсатор, когда слои разрушаются механическим пе ремешиванием.
Впервые слоистая структура воды в измерительном конденсаторе была зарегистри рована при измерении диэлектрической проницаемости спин-модифицированной воды, где пришлось применить метод периодического сравнения исследуемого и контрольно го образцов, чтобы исключить изменение емкости конденсатора за счет адсорбционно диффузионного перераспределения примесей [6].
Эффект механического перемешивания для образцов дистиллированной воды был зарегистрирован на частоте 160 МГц на установке с точностью регистрации диэлек трической проницаемости (Де/е) = 1-Ю-5 и термостатированием в пределах ±110-2 Объем жидкости в конденсаторе имел величину 1 мм3 при расстоянии между электро дами 1 мм. Перемешивание жидкости происходило за счет медленного движения воды
туда и обратно под действием небольшого избыточного давления между измерительным конденсатором и резервным объемом, который содержал воду того же состава и той же температуры. Эксперимент повторялся многократно, и каждый раз перемешивание сопровождалось уменьшением регистрируемого значения диэлектрической проницаемости воды на Дб = 0,1% с последующим возвращением ее к прежнему значению с характерным временем 5 мин.
Величина изменения е, вызываемого перемешиванием, оказалась меньше, чем первоначальное изменение 0,7%, которое регистрируется сразу после заполнения конденсатора водой, а установление стационарного значения диэлектрической проницаемости после перемешивания происходит значительно быстрее, чем его установление после заполнения конденсатора. Такое положение объясняется тем, что течение жидкости с малой скоростью выносит из конденсатора слои жидкости на оси течения и не затрагивает слоев вблизи стенок канала. Однако сам факт изменения емкости при замене части воды в конденсаторе на воду с тем же содержанием примесей и той же температуры подтверждает реальность существования слоев воды с различными диэлектрическими свойствами в сосудах, полостях, кюветах с близко расположенными стенками.
Образование адсорбционно-диффузионных слоев при контакте воды с поверхностью твердых тел позволяет по-другому интерпретировать опыты с измерением диэлектрической проницаемости е талой воды, где было зарегистрировано отличие е талой воды на 2 - 4% от б образца воды, взятого из того же источника, но после продолжительной выдержки его при постоянной температуре [7]. В экспериментах использовалась проточная система с различной скоростью движения воды через измерительный конденсатор. Так как никаких мер предосторожности, связанных с диффузионным перераспределением примесей, не было принято, а порядок изменения е лежит в пределах, которые определяются адсорбционно-диффузионными процессами в воде, то нельзя считать, что этими экспериментами твердо установлено отличие диэлектрической проницаемости талой воды от обычной.
Авторы выражают благодарность В. И. Тихонову за обсуждения результатов работы.
Работа частично поддержана РФФИ.
ЛИТЕРАТУРА [1] Б е л о в А. А., Сафонов В. А., Хвостиков В. А. Журнал физической
номер 5-6, 1997 г._Краткие сообщения по физике ФИЛИ
химии, LX, N 5, 1253 (1986).
[2] Б е л о в А. А., У с а н о в А. А., Щетинин М. В. Вестник МГУ, сер. 3, 30, N 1, 54 (1989).
[3] Б е л о в А. А., Б о н ч - Б р у е в и ч В. В. Радиотехника и электроника, 36 N 8, 1589 (1991).
[4] Maxwell J. С. Electriciti and Magnetism. Clarendon Press, Oxford, 1, 452 (1892).
[5] X и п п e л ь A. P. Диэлектрики и волны. M., ИЛ, I960.
[6] Б e л о в А. А., Конюхов В. К., Логвиненко В. П., Тихонов В. И. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3-4, 46 (1996).
[7] Сикорский Ю. А., Вертепная Г. И., Красильник М. Г. Известия вузов. Физика, N 3, 12 (1959).
Институт общей физики РАН Поступила в редакцию 19 февраля 1997 г.
