Диэлектрические и радиояркостные свойства водных растворов электролитов в СВЧ и КВЧ областях спектра Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Диэлектрические и радиояркостные свойства водных растворов электролитов в СВЧ и КВЧ областях спектра

А.К. Лященко, В.С. Дуняшев

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

[email protected]

Структура водных растворов электролитов в широкой области концентраций рассмотрена на основе модели образования структур замещения и внедрения ионов и долго-живущих гидратных комплексов в исходной структуре воды. На ее основе объясняются и рассчитываются объемные и другие свойства растворов [1]. Метод диэлектрической спектроскопии в сантиметровой (см) и миллиметровой (мм) областях спектра ставится во главу угла. Проведено экспериментальное исследование более 40 водно-электролитных систем на частотах в области основного максимума дисперсии воды и растворов [2 и др.]. Спектры комплексной диэлектрической проницаемости разных растворов и коллективная ориентационная динамика воды анализируются в нескольких аспектах. Данные высокочастотного предела основного максимума дисперсии служат для установления высокочастотной границы суммарных коллективных процессов в сетке Н-связей (> 150 ГГц). Низкочастотный предел задают статические диэлектрические константы, пониженные в растворах солей. При отсутствии ассоциации ионов они используются для описания и расчетов термодинамических коэффициентов активности растворов [3, 4] (без подгоночных параметров в достаточно широкой области концентраций).

По данным диэлектрической релаксации в температурном интервале определены изменения ориентационной подвижности молекул воды в измененной сетке Н-связей в начальной области концентраций. Несмотря на высокие значения энергий гидратации ионов при гидрофильной гидратации ионов сетка оказывается более подвижной и менее структурированной по сравнению с чистой водой [2]. При гидрофобной гидратации ионов наблюдаются обратные эффекты.

На примере растворов хлоридов и сульфатов щелочных металлов и ряда других систем определены квазиоптические коэффициенты и радиояркостные характеристики растворов в мм области спектра [5-8]. С помощью формул Френеля и разработанных компьютерных программ они рассчитаны из диэлектрических данных см области. В ряде случаев они также найдены экспериментально. Измерены коэффициенты отражения растворов на частотах 80-120 ГГц (специальная методика [7,9]) и (или) коэффициента излучения на частоте 61.2 ГГц [8] спомощью радиометра (методика ИРЭРАН, НПО» Исток», Фрязино [10,11]). Они согласуются с расчетными данными. Из диэлектрических параметров спектров дается обоснование экспериментально наблюдаемым различиям собственного излучения разных растворов солей в мм области. Показано, что оно отражает вклады как дипольных, так и ионных потерь, которые все еще остаются значимыми на мм области. Они могут даже определять наличие разнознаковых эффектов излучения растворов с разными катионами по сравнению с водой. Предложен метод дистанционного анализа концентрации и свойств растворов для его использования в лабораторной практике. Наличие разнознаковых изменений излучения и поглощения при переходе от воды к растворам хлоридов натрия и калия, соляной кислоты и ряда других электролитов может

быть значимым для биологических объектов, характеризуя отличия излучения и радиояркости внутриклеточной (ионы K+) и внеклеточной (ионы Na+) жидкостей. Это может служить для объяснения медицинских эффектов медицинских волн.

Работа выполнена в рамках программ фундаментальных исследований ИОНХ РАН и при поддержке РФФИ № 19-03-00033.

[1] A.K.Lyashchenko. Structure and structure-sensitive properties of aqueoussolutionsofelectro lytesand nonelectrolites. In:Adv. Chem. Phys. Series, V. LXXXVII, p. 379-425 (1994)

[2] A.K.Lyashchenko, A.S. Lileev. Dielectric relaxation of water in hydration shells of ions. J. Chem. Eng. Data, V. 55, p. 2008-2016 (2010).

[3] I.Yu.Shilov, A.K.Lyashchenko. Modeling activity coefficients in alkali iodide aqueous solutions using the extended Debye-HQckel theory. J. Mol. Liq., V. 240, p. 172-178,(2017).

[4] И.Ю.Шилов, А.К.Лященко. Моделирование коэффициентов активности в водных растворах солей алюминия с помощью обобщенной теории Дебая-Хюккеля. Журн. неорган химии, Т.62, с. 1006-1010,(2019).

[5] А.К. Лященко, А.С. Лилеев, А.Ю. Засецкий. Физико-химические аспекты дистанционного радиофизического зондирования водных поверхностей в СВЧ-диапазоне. Тезисы докладов XV Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Минск. 266 с. (1993).

[6] А.К.Лященко. Структураводы, миллиметровые волны и их первичная мишень в биологических объектах. Биомедицинская радиоэлектроника. № 8-9. c. 62-70.(2007).

[7] A.K.Lyashchenko, A.Yu.Zasetsky. J.Mol.Liquids. V. 77. p. 61-64.(1998).

[8] А.К.Лященко, И.М.Каратаева, В.С.Дуняшев. Связь радиояркостных и диэлектрических свойств водных растворов солей в миллиметровой области спектра. Журн. физич. химии, Т.93, с. 552-557.(2019).

[9] А.Ю. Засецкий, А.К. Лященко. Квазиоптический метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости водных растворов электролитов в миллиметровом диапазоне длин волнирелаксационные характеристики растворов. Деп. ВИНИТИ 06.07.99. №2181-В99, 62 с.(1999).

[10] В.И.Криворучко. Известия вузов. Радиофизика. Т. XLVI. №8-9. c. 782-784,(2003).

[11] А.С.Козьмин. Низко интенсивное электромагнитное излучение миллиметрового диапазона воды и водных растворов. Дисс. канд. физ.- мат.наук. Волгоград. 180 с.(2011).