Изменение поверхностного натяжения воды и водных растворов бутанола в результате воздействия электромагнитного поля

УДК 537.531

В.Ю. Чиркова, И.Е. Стась, А.П. Бессонова Изменение поверхностного натяжения воды и водных растворов бутанола в результате воздействия электромагнитного поля

V.Yu. Chirkova, I.E. Stas, A.P. Bessonova

Changes of Surface Tension of Water and Butanol Aqueous Solutions Being Exposed by Electromagnetic Field

Показано, что воздействие на дистиллированную воду высокочастотного электромагнитного поля приводит к увеличению ее поверхностного натяжения на границе с воздухом. Поверхностное натяжение водных растворов бутанола в результате облучения снижается. Эффективность полевого воздействия зависит от частоты и времени облучения.

Ключевые слова: поверхностное натяжение, поверхность раздела, поверхностно-активные вещества, поверхностная активность, адсорбция.

It is shown that exposure of high-frequency electromagnetic field on distilled water increases the surface tension at the boundary with air. The surface tension of butanol aqueous solutions is reduced as a result of irradiation. The effectiveness of field action depends on the frequency and time of exposure.

Key words: superficial tension, interfase, surface-active substances, superficial activity, adsorption.

Свойства воды весьма резко отличаются от всех других известных жидкостей. Существуют различные структурные модели воды, их объединяющей основой является утверждение о наличии в ее структуре как отдельных (независимых) молекул, так и объединенных различными связями, образующих динамически развивающиеся кинетические образования. Такое положение обусловливает наличие множества вариабельных состояний воды, а следовательно, и проявление разнообразных свойств, в том числе и аномальных. В то же время можно утверждать, что особенности структурного строения воды и ее метастабильность позволяют последней значимо откликаться на внешнее воздействие любой природы. Многократно проверенные факты свидетельствуют, что даже малые энергетические воздействия приводят к существенному изменению физико-химических свойств водных систем, обусловливают сдвиги энергетических параметров последующих физико-химических процессов, в десятки раз превышающих сообщенную веществу энергию активирующего воздействия. Экспериментально установлено, что реакционная способность воды и водных растворов может существенно изменяться после воздействия на них различных факторов (температуры, ультразвука, переменного и постоянного магнитного поля, электромагнитных волн, инфразвука, акустических волн и т.д.) [1, с. 118; 2, с. 128; 3, с. 3-8; 4, с. 71-76; 5, с. 90; 6, с. 99-118]. К настоящему времени накопилось достаточно много экспериментальных данных, убедительно

доказывающих эффективность применения внешних полей при осуществлении различных физико-химических процессов. Зафиксированы изменения структурных, оптических, кинетических, магнитных и других физико-химических свойств исследуемых систем [7, с. 25-31; 8, с. 301-303; 9, с. 63; 10, с. 1133-1135; 11, с. 2087-2092; 12, с. 567-568; 13, с. 84].

Вместе с тем большинство исследований посвящено изучению изменения объемных свойств воды и водных растворов в результате полевых воздействий, тогда как любое изменение межмолекулярного взаимодействия в объемной фазе не может не сказаться на изменении поверхностных свойств жидкости.

Цель данной работы - оценить влияние электромагнитного поля на поверхностное натяжение воды и водных растворов бутанола и эффективность полевого воздействия в зависимости от частоты и времени экспозиции.

В работе использована дистиллированная вода (электрическое сопротивление 330 кОм) и водные растворы бутанола марки «хч» концентрацией 0,0250,2 моль/л, приготовленные объемным способом.

Поверхностное натяжение а определяли сталагмо-метрическим методом. Расчет проводили по уравнению

ах = а0 (т/т) где тд и тх - масса капли воды и раствора поверхностно-активных веществ соответственно; а - поверхностное натяжение облученной воды или раствора бутанола; а0 - поверхностное натяжение воды при соответствующей температуре.

Изменение поверхностного натяжения воды и водных растворов бутанола...

Облучение воды и растворов бутанола проводили в тефлоновой ячейке емкостного типа объемом 20 мл с аксиально расположенными электродами. Высокочастотное электромагнитное поле подавали на ячейку от генератора ГЗ-19А с варьируемой в диапазоне 100-200 МГц частотой и выходной мощностью 1 Вт.

Проведенные исследования позволили установить увеличение поверхностного натяжения дистиллированной воды, зависящее от частоты и времени воздей-

а)

ствия поля. На рисунке 1а представлена его зависимость от времени облучения полем частотой 130 МГц. Наблюдалось постепенное увеличение поверхностного натяжения воды на протяжении 150 минут. За время облучения с увеличилась на 4%, что статистически значимо. Одновременно с изменением поверхностной энергии происходило и изменение объемных характеристик - так, электропроводность за время облучения увеличилась почти в 3 раза (рис. 1б).

б)

Рис. 1. а, б - зависимости поверхностного натяжения и электропроводности дистиллированной воды от времени

облучения ^ = 130 МГц, t = 23 оС)

Ранее было установлено [14, с. 2345-2349], что зависимость объемных свойств воды, таких как электропроводность, рН, окислительно-восстановительный потенциал, от частоты поля носит полиэкстремальный характер. Максимальное изменение измеряемых параметров наблюдалось при частотах 110, 150, 170 МГц. Аналогичная картина установлена и при измерении поверхностного натяжения воды, облученной полем различной частоты. В результате воздействия поля с значима возрастала на 1-5% (^6л = 180 мин). Максимальное увеличение с наблюдалось при частотах 150 и 170 МГц (рис. 2).

Поверхностное натяжение на границе жидкости с газовой фазой можно представить как работу переноса молекул из объема на поверхность. Так как поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то оно ими и обусловлено. Чем сильнее межмолекулярные связи в жидкой фазе, тем больше поверхностная энергия на границе с газом [15, с. 39-56]. Следовательно, статистически значимое увеличение поверхностного натяжения воды (рис. 1а) подтверждает гипотезу об упрочнении ее надмолекулярной структуры в результате полевого воздействия. Несмотря на кажущуюся незначительность наблюдаемых эффектов (с возрастает на 2-3 мДж/ м2), полученные результаты свидетельствуют о весьма значительном возрастании упорядоченности водной структуры. Так, температур-

ный коэффициент поверхностного натяжения воды составляет 0,154 мДж/м2К [14, с. 2345-2349], а это означает, что при понижении ее температуры на 10 К с возрастает на 1,54 мДж/м2К. Вероятно, при понижении температуры имеет место замораживание воды, увеличение доли ассоциированных молекул. Изменения поверхностного натяжения происходят постепенно в течение нескольких часов, что свидетельствует об аккумулировании водой энергии электромагнитного поля. Следует отметить, что изменение поверхностной энергии идет одновременно с изменением объемных свойств воды, в частности электропроводности (рис. 1б). Вид кинетических кривых совпадает, что указывает на взаимосвязь поверхностных и объемных характеристик изучаемой системы.

Поскольку любая система стремится к минимуму энергии, увеличение с воды в результате электромагнитного воздействия должно компенсироваться повышением адсорбции поверхностно-активных веществ, которая снижает энергию на границе раздела фаз. Данная гипотеза была проверена экспериментально на примере бутанола, относящегося к типичным поверхностно-активным веществам благодаря дифильному строению его молекул. Водные растворы бутанола (С = 0,025 М) облучали полем различной частоты и измеряли поверхностное натяжение. Каждая порция спирта подвергалась воздействию поля только одной частоты. Снижение поверхностно-

го натяжения раствора спирта происходило в течение первых 15-30 мин электромагнитного воздействия. Дальнейшее облучение не приводило к изменению измеряемой величины.

Для раствора бутанола (^6л = 30 мин; С = 0,025 М) максимальное снижение поверхностного натяжения наблюдалось при частотах 130 и 150 МГц. Для дальнейших исследований выбрана частота 130 МГц, так как после воздействия поля именно этой частоты поверхностное натяжение раствора бутанола снижалось в максимальной степени -на 3,7% (рис. 3).

Определено поверхностное натяжение растворов бутанола пяти концентраций до и после облучения электромагнитным полем (130 МГц) в течение 30 мин. На основании проведенных экспериментов были построены изотермы поверхностного натяжения, представленные на рисунках 4 и 5.

78 -

77

72 -I-,-,-,-,-,-,-,-,-,-

D 2D « 60 80 1DD 12D 140 160 ISO 200

f, МГц

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения воды от частоты электромагнитного поля

78 -

77

72 -I-,-,-,-,-,-,-,-,-,-

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

f, МГц

Рис. 3. Изменение

С, ноль/л

необл. бутил, сшрт —о— обл. буТИЛ. СЛ1рТ

Рис. 4. Изотермы поверхностного натяжения для облученных и необлученных растворов бутилового спирта ^обл = 30 мин; f = 130 МГц; t = 23 оС)

80

40

3D -I-1-1-1-1-

ООО 0(5 0,10 0.1 í ого 0.2Í

С, МОЛЬ/Л

♦ облученный раствор —í1— ра от вор на обл '.мен ной вод е

Рис. 5. Изотермы поверхностного натяжения облученных растворов бутилового спирта и растворов, полученных на облученной воде ^ = 130 МГц; Т = 20-23 оС)

Поверхностное натяжение облученных растворов снижалось в результате электромагнитного воздействия во всем изученном диапазоне концентраций, что свидетельствует о повышении поверхностной активности спирта.

Следует отметить, что величина Дс/с (%) для облученных и необлученных растворов бутанола заданной концентрации С = 0,025 М (рис. 3) несколько ниже Дс/с для облученной и необлученной воды (рис. 2). Однако если рассчитать так называемое поверхностное давление п = с0 - с (где с0 - поверхностное натяжение воды, а с - поверхностное натяжение раствора спирта), то различия между облученными и необлу-ченными растворами спирта возрастают от 6 до 37%. В наибольшей степени поле воздействует на самые разбавленные растворы (табл.).

Изменение поверхностного натяжения воды и водных растворов бутанола..

Изменение поверхностного давления растворов бутанола в результате облучения ^ = 130 МГц, ^ = 30 мин)

C, моль/л 0,025 0,05 0,1 0,15 0,2

Дпб % бутил. 36,6 27,5 20,5 6,7 6,3

Дополнительно проведен следующий эксперимент. Воду облучали полем частотой 130 МГц в течение пяти часов, добавляли различные объемы бу-танола для получения растворов соответствующей концентрации и измеряли поверхностное натяжение. Параллельно проводили контрольный опыт с необлу-ченной водой. Результат воздействия поля на растворы

бутанола и на воду с последующей добавкой бутано-ла оказался практически одинаков, о чем свидетельствует незначительное расхождение соответствующих изотерм поверхностного натяжения (рис. 5).

Таким образом, можно с достаточной степенью вероятности утверждать, что поле воздействует, в первую очередь, на структуру воды, изменяя тем самым характер и степень взаимодействия молекул воды и молекул растворенных в ней веществ. Следовательно, можно говорить об усилении гидрофобной гидратации в результате электромагнитного воздействия, что и приводит к «выталкиванию» молекул поверхностно-активных веществ из объема раствора на поверхность, т.е. к увеличению адсорбции спирта.

Библиографический список

1. Мокроусов Г.М. Физико-химические процессы в магнитном поле. - Томск, 1988.

2. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М., 1982.

3. Плеханов Г.Ф. // Материалы Всесоюзного симпозиума. - Томск, 1984.

4. Гапочка Л.Д. Воздействие электромагнитного излучения КВЧ- и СВЧ-диапазонов на жидкую воду // Вестник МГУ - Сер.: Физ. астрон. - 1994. - Т. 35, №4.

5. Персидская А.Ю. О влиянии импульсного магнитного поля на механические свойства полимерных волокон // Журнал химической физики. - 2002. - №2.

6. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков. Свершения и прогнозы // Журнал успехи химии. - 1999. - Т. 68, №2.

7. Железцов А.В. Магнитные явления в растворах // Электронная обработка материалов. - 1976. - №4.

8. Киргинцев А.Н., Соколов В.М., Ханаев В.И. К вопросу о влиянии магнитного поля на физико-химические свойства растворов // Журнал физической химии. - 1968. - Т. 48.

9. Миненко В.И., Петров В.И. О физико-химических основах магнитной обработки воды // Теплоэнергетика. -1962. - Т. 9.

10. Красиков Н.Н., Шуваева О.В. Действие электромагнитного поля на жидкости, осуществляемое без контакта с потенциалозадающими электродами // Журнал физической химии. - 2000. - Т. 74, №6.

11. Лобанов А.И., Старожилова Т.К., Черняев А.П. Параметрический резонанс и формирование диссипатив-ных структур в растворах электролитов при воздействии периодического электрического поля // Журнал физической химии. - 2000. - Т. 74, №11.

12. Красиков Н.Н. Влияние электрического поля на ионный состав водных растворов // Журнал физической химии. - 2002. - Т. 76, №3.

13. Наберухин Ю.И. Структурные модели жидкостей. -Новосибирск, 1981.

14. Стась И.Е., Бессонова А.П., Михайлова О.П. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на физико-химические свойства дистиллированной воды // Журнал физической химии. - 2010. - Т. 84, №12.

15. Фролов Ф.Г. Курс коллоидной химии. - М., 1989.

16. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. - М., 1957.