Физические свойства легкой воды Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Киркина А. А.1, Лобышев В. И.1, Асташев М. Е.2,3 © 1 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова; 2 Институт Биофизики Клетки Российской Академии Наук, Пущино; 3 Институт Теоретической и Экспериментальной Биофизики Российской Академии Наук, Пущино

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГКОЙ ВОДЫ

Аннотация

Статья посвящена изучению физико-химических свойств воды с уменьшенным и нормальным содержанием дейтерия

Ключевые слова: дейтерий, ультразвуковой спектрометр, вода. Keywords: deuterium, ultrasonic spectrometer, water.

Введение. Сегодня существенный прогресс в экспериментальной и теоретической биофизике достигнут в изучении воды и водных систем [1-5]. Известно, что молекулы природной воды на 99,98 % состоят из изотопов водорода 1Н и кислорода 16О. На другие изотопные формы водорода и кислорода приходится 0,02 %, и известно их количественное содержание в природе. Например, количество дейтерия, стабильного изотопа водорода, составляет 140-150 ppm (1 ppm = 10-4 %) [1]. Обогащенная дейтерием вода называется тяжелой водой, D2O. Она была получена в 1934 г., а в 70-х годах для нее были получены значения физико-химических свойств [6], котрые оказались значительно отличающимися от свойств обычной воды. По литературным данным есть указания, что физические параметры воды линейно зависят от концентрации в ней дейтерия [7,8]. Тогда с заданной точностью можно предсказать значение того или иного параметра при любом содержании дейтерия в воде. В настоящей работе получены теоретические значения вязкости, температуры плавления льда, скорости ультразвука в воде в случае концентрации дейтерия 4 ppm. Также проведена экспериментальная проверка полученных величин. Воду, содержащую 4 ppm дейтерия, будем называть легкой водой.

Материалы и методы. 1. Кинематическая вязкость. Материалы: стеклянный капиллярный вискозиметр ВПЖ-4, груша, секундомер, термостат, ртутный термометр, штатив. Метод. Вискозиметр закрепляли на штативе и опускали в сосуд с водой. Вода проходила через термостат, который стабилизировал температуру. Температуру воды контролировали с помощью ртутного термометра, находящегося в сосуде вместе с вискозиметром. Температура составляла 25 ± 0,1 0С. Процедуру измерения вязкости проводили согласно требованиям ГОСТ [9].

Кинематическую вязкость вычисляли по формуле (1)

v-гТ-— 100п gD4h 2/ 2

v-СТ 2 , (1) где c — °- - постоянная вискозиметра, см2/сек2;

Т 128 VL

2

Т - время истечения, сек.; —= 1,66V - коэффициент кинетической энергии,

b4cD

см2*сек.; g - ускорение силы тяжести, см/сек2; D - диаметр капилляра, см; h - среднее вертикальное расстояние между верхней и нижней метками, см; V - объем жидкости в измерительном резервуаре, см3; L - длина капилляра, см. Основной вклад в погрешность вносит разброс измеряемого времени. Поэтому погрешность вязкости измеряли по формуле (2)

Sn =

(cSt )2 + f- ^tl] , (2) где

I Т )

© Киркина А. А., Лобышев В. И., Асташев М. Е., 2013 г.

St - среднеквадратичное отклонение времени истечения воды через объем V; T -среднее время истечения. Число повторений для дистиллированной воды составило 25 раз, для легкой воды 4 ppm - 40 раз. Точность данного метода составляет 1 %. При 20 0С вязкость обычной воды составляет 1,0 сСт, тяжелой воды - 1,2 сСт. Значит, ожидаемое значение вязкости легкой воды 0,99997 сСт. Таким образом, и при 25 0С вязкости легкой и обычной воды не должны значимо различаться.

2. Температура плавления. Материалы: термопара Thermocouple, морозильная камера холодильника, прибор для автоматической записи температуры. Метод. В 3 мл воды опускали термопару так, чтобы она полностью была погружена в воду и находилась посередине объема жидкости. Термопару закрепляли крышкой от пробирки. Пробирку с термопарой помещали в морозильную камеру. В камере вода замерзала, и лед охлаждался до отрицательных температур (ниже -9 0С). Затем пробирку вынимали из морозильной камеры и регистрировали температуру фазового перехода. Для повторного эксперимента использовали вновь набранную воду. Число повторений равно 7. Описанный метод измерений имеет погрешность не хуже 0,01 0С. Температура плавления обычного льда равна 0 0С, тяжелого льда 3,8 0С. Следовательно, температура плавления легкого льда должна быть равна -0,006 0С. Значит, при данной точности эксперимента различий в температурах плавления легкого и обычного льда не будет выявлено.

3. Скорость ультразвука (иул). Материалы: цифровой ультразвуковой спектрометр фиксированной длины, сконструированный в ИТЭБ РАН в Пущино, длина ячейки ~9.5мм, частота 6,5^7,5МГц. Метод. Для определения иул в воде был использован дифференциальный метод измерения экспериментального образца относительно бидистиллированной воды, полученной в г.Пущино. Поскольку изотопный состав используемой в опыте бидистиллированной воды не известен, как и изотопный состав воды, для которой получена иул в воде, то иул в испытуемой обычной воде приписывали табличное значение. Затем с помощью дифференциального метода вычисляли Цул в легкой воде. Среднеквадратичное отклонение рассчитывали по формуле (3). Так как погрешности оказались малы, то использовали доверительный интервал 0,1 %. Скорость звука в обычной и тяжелой воде при 20 0С соответственно равна 1485 м/сек и 1386 м/сек. Если предположить, что иул линейно зависит от концентрации дейтерия в воде, то следует ожидать, что в легкой воде иул составит 1485,02 м/сек при 20 0С.

Результаты и выводы.

Результаты проведенных экспериментов приведены в таблице.

4 ppm 70 ppm 140 ppm

Кинематическая вязкость (25 0С, сСт) 0,90 0,90

ГТ! ГГ! 0/^Т Т плавления, 1т, С 0,00 ± 0,01 0,00 ± 0,01

иУд, м/сек, при 10°С 1450,11 ± 0,04 1450,06 ± 0,03 1450

20°С 1485,11 ± 0,03 1485,06 ± 0,04 1485

30°С 1510,10 ± 0,04 1510,05 ± 0,03 1510

Полученные величины не противоречат гипотезе о линейной зависимости физических характеристик от концентрации дейтерия в воде. Они согласуются с теоретическими предпосылками за исключением скорости ультразвука.

В эксперименте скорость ультразвука в легкой воде оказалась выше теоретически предсказанной величины. Возможно, это говорит о нелинейной зависимости скорости ультразвука от концентрации дейтерия в воде, либо о повышенном содержании дейтерия в воде в г. Пущино. Для проверки данного предположения необходимы более подробные исследования.

Работа выполнена при поддержке гранта президента Российской Федерации (МК-

145.2012.4)

Литература

1. Марченко А.О., Соловей А.Б., Лобышев В.И. - Компьютерное моделирование параметрнических структур воды // Биофизика. - 2013. - С.27-35

2. Лобышев В.И., Соловей А.Б. - Структура связанной воды и волны топологической перестройки // Биофизика. - 2011. - С.848-856

3. Gudkov S.V., Bruskov V.I., Chernikov A.V., Astashev M.E., Yaguzhinsky L.S., Zakharov S.D. -Oxygen-dependent auto-oscillations of water luminescence triggered by the 1264 nm radiation // J. Phys. Chem. B. - 2011. - Т.115. - №23. - С. 7693-7698.

4. Гудков С.В., Карп О.Э., Гармаш С.А. и др. - Образование активных форм кислорода в воде под действием видимого и инфракрасного излучений в полосах поглощения молекулярного кислорода // Биофизика. - 2012. - Т.57. - №1. - С. 5-13.

5. Брусков В.И., Черников А.В., Гудков С.В., Масалимов Ж.К. - Активация восстановительных свойств анионов морской воды под действием тепла // Биофизика. - 2003. - Т.48. - С. 1022-1029

6. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. - Изотопные эффекты D2O в биологических системах, М.: Наука, 1978.-215 с.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. М.: Наука., 1986. - 736 с.

8. Кириллов П.Л. Теплофизические свойства материалов ядерной физики, М.: ИздАТ, 2007. - 200 с.

9. http://www.complexdoc.ru/norms/oks2/17.060/