Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Научная статья на тему «Изменение физико-химических свойств растворов бутанола в результате электромагнитного воздействия»

Несмотря на широкий круг исследований воды, и водных растворов электролитов и неэлектролитов, вопросы изменений их свойств и структуры под влиянием внешних воздействий остаются предметом многочисленных теоретических и экспериментальных работ

Существуют различные 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. Можно отметить воздействие электрического, магнитного полей, внесение химических добавок в любом агрегатном состоянии, в частности электролитов и неэлектролитов и др. Многократно проверенные факты свидетельствуют, что даже малые энергетические воздействия и добавки различных веществ в очень малой концентрации приводят к существенному изменению физико-химических свойств систем, обусловливают сдвиги энергетических параметров последующих физико-химических процессов в десятки раз, превышающие сообщенную веществу энергию активирующего воздействия [11, с. 118; 6, с. 128; 14, с. 3―8; 3, с. 71―76; 13, с. 90]. Зафиксированы изменения структурных, оптических, кинетических, магнитных и других физико-химических свойств исследуемых водных систем [2, с. 99―118; 4, с. 25―21; 5, с. 301―303; 10, с. 63; 8, с. 1133―1135; 9, с. 2087―2092; 7, с. 567―568].

Одними из наиболее изученных являются водные растворы одноатомных спиртов. Строение водно-спиртовых растворов в значительной мере определяется структурой воды и спиртов, а также особенностями взаимодействия между компонентами в растворе. Индивидуальные спирты и вода представляют собой типичные ассоциированные жидкости, в которых практически все OH-группы молекул соединены межмолекулярными водородными связями. Известно, что алифатические спирты растворяются в воде в значительных количествах, благодаря образованию прочных водородных связей с ее молекулами. Представляет интерес выяснить, каким образом разрушается сетка водородных связей, составляющая основу структуры жидкой воды, в условиях конкуренции за эти связи между молекулами воды и спиртов. Исследования показывают, что при добавлении определенных количеств спирта к воде наблюдается стабилизация раствора, которая обусловливается в основном ассоциацией частиц, а также переходом менее упорядоченных структур в более упорядоченные. Жидкая вода состоит из областей определенного строения, называемых кластерами. При добавлении спирта сначала заполняются пустоты между кластерами, что приводит к их стабилизации, а затем молекулы спирта начинают конкурировать за водородные связи внутри кластеров. При концентрациях спирта больше 30 мас. % происходит разрушение структуры воды. При этом гидрофильные группы спиртов могут замещать молекулы воды в локальных образованиях. Особенно легко в структуру воды внедряются небольшие по размеру молекулы спирта, которые, попадая в локальные молекулярные образования, сохраняют пространственное расположение молекул воды. Это подтверждает тот факт, что при добавлении спирта к воде наблюдается уменьшение межслойных расстояний по сравнению с теми же значениями для воды. С возрастанием алкильного радикала происходит постепенное увеличение межслойных расстояний, что доказывает разрушающее воздействие более объемных молекул спирта, которое сопровождается более существенными перестройками пространственного расположения молекул в локальных образованиях воды [13, с. 14―18].

Цель работы: изучить влияние электромагнитного (ЭМ) поля радиочастотного диапазона на объемные и поверхностные свойства разбавленных водных растворов бутанола.

Методика эксперимента

Для приготовления 0,2 М растворов спиртов в мерную колбу объемом 1 литр вносили 18,3 мл бутанола марки «х. ч.» и доводили до метки дистиллированной водой. Из растворов с концентрацией 0,20 моль/л путем разбавления готовили растворы меньшей концентрации.

Источником электромагнитного поля являлся высокочастотный генератор Г3-19А, выходная мощность которого составляла 1 Вт, диапазон частот ― 30―200 МГц. Напряжение на ВЧ электродах ― 20―22 В.

Для облучения воды и водных растворов спирта использовали ячейку емкостного типа. Ячейка состояла из тефлонового стаканчика объемом 20 мл, в центре которого располагался внутренний ВЧ электрод, представлявший собой латунный стержень, изолированный тефлоном. Внешним ВЧ электродом служил алюминиевый стаканчик, плотно прилегавший к поверхности тефлона. Электроды через дно стаканчика присоединялись к генератору посредством ВЧ кабеля.

Измерение электропроводности проводили на кондуктометре ОК-102/1 с платиновыми электродами. Электроды хранили в дистиллированной воде, периодически очищая поверхность путем промывания разбавленной HNO3. Постоянная ячейки, определенная с помощью 0,01 М раствора KCl, составляла 51 м-1. Перед проведением экспериментов проводилась проверка чистоты посуды (ячейки, стаканчика) по величине электропроводности дистиллированной воды. В работе использовали дистиллированную воду с начальной удельной электропроводностью 1,2*10-4―1,7*10-4 См/м.

Показатель преломления растворов спирта измеряли с помощью рефрактометра УРЛ № 77-2549, плотность ― пикнометрически при температуре 296 К.

Поверхностное натяжение σ определяли сталагмометрическим методом. Расчет проводили по уравнению

σx=σ0 (mx/m0),

где: m0и mx ― масса капли воды и раствора ПАВ соответственно,

σx ― поверхностное натяжение облученного раствора бутанола,

Нужна помощь в написании статьи?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Заказать статью

σ0 ― поверхностное натяжение воды при соответствующей температуре.

Результаты и их обсуждение.

Проведенные исследования показали изменение как объемных, так и поверхностных свойств водных растворов бутанола в результате электромагнитного воздействия. Эффективность полевого воздействия зависела от частоты и времени облучения.

Максимальное увеличение электропроводности раствора бутанола наблюдалось при ЭМ воздействии частотой 130 и 170 МГц (рис. 1) и составило 54 % (170 МГц).

Рисунок 1. Изменение удельной электропроводности 0,2 М раствора бутанола в результате воздействия ЭМ поля различной частоты (tобл=60 мин, t=230С)

Значительный рост электропроводности наблюдался в первые 30―40 минут воздействия, в дальнейшем происходило постепенное нарастание измеряемой величины и через 2,5 ч после начала облучения величина удельной электропроводности составляла уже 8,4*10-4 См/м и превышала исходное значение в 3 раза (рис.2).

Рисунок 2. Зависимость удельной электропроводности 0,2 М раствора бутанола от времени облучения (f=170 МГц, t=230С)

После прекращения полевого воздействия электропроводность раствора измеряли каждые сутки в течение 10 дней. Электропроводность продолжала нарастать и достигла 23*10-4 См/м (рис. 3). В дальнейшем изменений не наблюдалось.

Рисунок 3. Зависимость удельной электропроводности раствора бутанола от времени, после прекращения облучения (f=170 МГц, t=230С)

Увеличение электропроводности воды при добавлении к ней спирта может быть следствием либо возрастания числа носителей заряда, либо увеличением их подвижности. Поскольку кислотные свойства бутанола выражены в меньшей степени, чем у воды, наблюдаемый рост электрической проводимости может быть следствием увеличения подвижности ионов водорода и гидроксила, образовавшихся в результате частичной диссоциации молекул воды. Как следует из литературных данных [12, с. 14―18], спирты упорядочивают водную структуру, что облегчает перемещение протонов и ионов гидроксила по сетке водородных связей (эстафетный механизм электропроводности). Можно предположить, что поглощаемая раствором энергия электромагнитного поля расходуется на упрочнение водородных связей между молекулами воды, т. е. поле в еще большей степени изменяет надмолекулярную структуру воды. Проведенные ранее исследования показали, что, облучение воды полем частотой 170 МГц приводит к десятикратному увеличению ее электропроводности [1, с. 48―50]. В присутствии спирта, из-за гидрофобных взаимодействий, вода уже частично структурирована, поэтому эффективность полевого воздействия существенно ниже. Если высказанное предположение верно, то должны изменяться и другие объемные свойства воды, зависящие от ее надмолекулярной структуры.

В результате проведенных исследований установлено значимое изменение (как снижение, так и возрастание) плотности раствора бутанола. Максимальное увеличение плотности явилось результатом полевого воздействия частотой 170 МГц, при этой же частоте наблюдалось и максимальное изменение показателя преломления ― он возрастал на 0,2 %. Данные представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Изменение плотности и показателя преломления 0,2 М раствора бутилового спирта в результате воздействия ЭМ поля различной частоты (tобл=60 мин, t=230С)

Поверхностное натяжение на границе жидкости с газовой фазой можно представить как работу переноса молекул из объема на поверхность. Т. к. поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то оно ими и обусловлено Чем сильнее межмолекулярные связи в данной жидкости, тем больше ее поверхностное натяжение (работа когезии Wк = 2σж/г) [15, с. 68―85]. Ранее [1] было установлено увеличение поверхностного натяжения воды (максимально на 5 % в результате воздействия поля частотой 170 МГц), что подтверждает гипотезу об упрочнении ее надмолекулярной структуры в результате полевого воздействия.

Структурирование воды в результате ЭМ воздействия должно приводить к повышению поверхностной активности спиртов, что было проверено экспериментально. Водные растворы бутанола (С=0,025 М) облучали полем различной частоты в течение 30 минут и измеряли поверхностное натяжение. Каждая порция спирта подвергалась воздействию поля только одной частоты. Максимальное снижение поверхностного натяжения σ наблюдалось при частотах 130 и 150 МГц (рис. 4). После воздействия поля частотой 130 МГц поверхностное натяжение раствора бутанола снижалось в максимальной степени ― на 3,7 %. При концентрации спирта 0,2 моль/л снижение σ было выражено в меньшей степени. Оно составило 2,65% в результате воздействия поля частотой 130 МГц.

Рисунок 4. Зависимость поверхностного натяжения раствора бутанола от частоты ЭМ поля (tобл=30 мин., t=230С)

Изменение поверхностного натяжения спирта происходило в течение первых 15―30 минут электромагнитного воздействия. Дальнейшее облучение не приводило к снижению измеряемой величины (рис. 5).

Рисунок 5. Зависимость поверхностного натяжения раствора бутанола (С=0,025М) от времени облучения (f=130 МГц, t=200C)

Полученные результаты не противоречат гипотезе о структурировании воды в результате полевого воздействия, т. к. усиление взаимодействия между молекулами воды должно ослаблять взаимодействие молекул воды с углеводородными радикалами молекул спирта, что приводит к вытеснению последних из объема водной фазы на поверхность, что приводит к увеличению поверхностной концентрации спирта и, как следствие, к снижению поверхностного натяжения раствора.

Таким образом, проведенные исследования показали изменение как объемных, так и поверхностных свойств водных растворов бутанола, обусловленных, по нашему мнению, изменением их надмолекулярной организации в результате поглощения энергии электромагнитного поля.

Список литературы:

1.Бессонова А.П., Стась И.Е., Частотная дисперсия физико-химических свойств воды, подвергшиеся ЭМ воздействию // Известие ВУЗов. Химия и химическая технология. ― 2010 год. ― Т. 53,выпуск 4, С. 48―50.

2.Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков. Свершения и прогнозы / А.Л. Бучаченко // Журнал успехи химии. ― 1999. ― Т. 68, № 2. ― С. 99―118.

3.Гапочка Л.Д. Воздействие электромагнитного излучения КВЧ ― и СВЧ ― диапазонов на жидкую воду / Л.Д. Гапочка, М.Д. Гапочка, А.Ф. Королев // Вестник МГУ. ― Сер. ― Физ. астрон. ― 1994. ― Т. 35, № 4. ― С. 71―76.

4.Железцов А.В. Магнитные явления в растворах / А.В. Железцов // Электронная обработка материалов. ― 1976. ― № 4. ― С. 25―31.

5.Киргинцев А.Н. К вопросу о влиянии магнитного поля на физико-химические свойства растворов / А.Н. Киргинцев, В.М. Соколов, В.И. Ханаев // Журнал физической химии. ― 1968. ― Т. 48. ― С. 301―303.

6.Классен В.И. Омагничивание водных систем / В.И. Классен. ― М.: Химия, 1982. ― 128 с.

7.Красиков, Н. Н. Влияние электрического поля на ионный состав водных растворов / Н. Н. Красиков // Журнал физической химии. – 2002. – Т. 76, № 3. – С. 567 – 568.

8.Красиков Н.Н. Действие электромагнитного поля на жидкости, осуществляемое без контакта с потенциалозадающими электродами / Н.Н. Красиков, О.В. Шуваева // Журнал физической химии. ― 2000. ― Т. 74, № 6. ― С. 1133―1135.

9.Лобанов А.И. Параметрический резонанс и формирование диссипативных структур в растворах электролитов при воздействии периодического электрического поля / А.И. Лобанов, Т.К. Старожилова, А.П. Черняев // Журнал физической химии. ― 2000. ― Т. 74, № 11. ― С. 2087―2092.

10.Миненко В.И. О физико-химических основах магнитной обработки воды / В.И. Миненко, В.И. Петров // Теплоэнергетика. ― 1962. ― Т. 9. ― С. 63.

11.Мокроусов Г.М. Физико-химические процессы в магнитном поле / Г.М. Мокроусов, Н.П. Горленко; под ред. Д.И. Чемоданова. ― Томск: Изд-во ТГУ, 1988. ― 128 с.

12.Монахова Ю.Б., Муштакова С.П., Квантовомеханическое изучение системы вода ― одноатомные спирты // Известия Саратовского университета. ― 2006. ― Т. 6, № 1/2 ― С. 14―18.

13.Персидская А.Ю. О влиянии импульсного магнитного поля на механические свойства полимерных волокон / А.Ю. Персидская, И.Р. Кузеев, В.А. Антипина // Журнал химической физики. ― 2002. ― № 2. ― С. 90.

14.Плеханов Г.Ф. Три уровня механизмов биологического действия низкочастотных электромагнитных полей / Г.Ф. Плеханов // Биологические механизмы и феномены действия низкочастотных и статических электромагнитных полей на живые системы: материалы Всесоюзного симпозиума ― Томск, 1984. ― С. 3―8.

15.Фролов Ф.Г. Курс коллоидной химии. ― М: Химия. ― 1989, С 68―85.

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Поставьте оценку первым.

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

534

Закажите такую же работу

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке