WEB-ресурс научно-практических конференций

САМООРГАНІЗАЦІЯ ВОДИ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

Б. А. Баран, О. Я. Березюк, В. М. Голонжка, В. М. Хрящевський

Вода за своїми властивостями є унікальною речовиною, структура рідкої води дуже складна і багато її особливостей до цього часу не мають чіткого пояснення. Зокрема, для води характерна здатність до самоорганізації внаслідок утворення водневих зв ’ язків та кооперативних ефектів. Особливістю води є її висока чутливість до зовнішніх впливів та збереження памяті про них протягом певного часу. В цьому відношенні вода є термодинамічно нерівноважною системою .

Запропоновані на даний час теорії та структурні моделі води не можуть пояснити багатьох експериментальних результатів, які накопичені за останні роки. Це вимагає нових підходів, як в теоретичному, так і в експериментальному плані.

Здатність води до самоорганізації внаслідок утворення водневих зв ’я зків пояснюється тим, що молекула Н ₂ О є подвійним симетричним донором і акцептором протонів. Як в рідкому, так і в твердому стані відбувається взаємодія протонів однієї молекули води з неподіленими парами електронів двох других молекул, а також взаємодія двох неподілених пар електронів однієї молекули з протонами двох других молекул. Таким чином, кожна молекула води може взаємодіяти з чотирма сусідніми молекулами через водневі, а точніше протонні зв ’ язки. Первинними структурами можуть бути димери, тримери і т.д., з яких потім утворюються циклічні (п ’ яти- і шестичленні) структури, а вони в свою чергу утворюють просторові багатогранники – додекаедри, ікосаедри. Так, автор роботи [ 1 ] пропонує модель структури води, в якій існують лише два компоненти – вільні від водневих зв’ язків молекули води та молекули води, які входять в п ’ ятичленні цикли. На думку автора, така модель пояснює ретроградну розчинність речовин, пониження в ’ язкості з підвищенням тиску, взаємодію магнітного поля і т.д.

Варіант стійких “квантів води”, які складаються з 6 її молекул, запропоновано в роботі [ 2 ]. Ці кластери можуть об’ єднуватися один з одним і з “вільними” молекулами води за рахунок експонованих на їх поверхні водневих зв ’ язків. Така модель демонструє таке явище, як 6-променева симетрія кристалів води (добре відомі “сніжинки”).

В роботі [3] методом лазерної інтерферометрії виявлені впорядковані комплекси води, які автори назвали “супрнадмолекулярними” (СНМ), розміри яких від 10 до 100 мкм. Ці комплекси чергуються з менш впорядкованими ділянками. За час релаксації (1- 2 с) СНМ комплекси залишаються певним чином орієнтованими в просторі. Розміри та просторове розміщення СНМ комплексів залежать від складу водних розчинів. Наявність супрнадмолекулярних комплексів у воді дозволяє пояснити такі експериментальні факти, як збільшення теплоємності води в інтервалі 10 – 20 ?С в 5 – 17 разів, порівняно з іншими полярними рідинами, аномалії в швидкості поширення звукових хвиль, їх дисперсію та ін. Існування таких комплексів не суперечить одержаним раніше експериментальним фактам стосовно організації Н ₂ О в мікрооб ’ ємах з часом релаксації на 5 – 10 порядків менших, ніж для СНМ комплексів, оскільки вони незалежні від подій в надмолекулярних кластерах води.

Згідно роботи [4] молекули води можуть утворювати гнучкі чотиригранні структури з пустими мікропорожнинами та жорсткими стінками. Основними елементами такої структури є багатогранники, пов ’ язані в додекаедри. Утворені системи називають гідратними клатратами. Мікропорожнини пов’язані з аморфною фазою води “вікнами”, діаметр яких дещо менший, ніж діаметр молекули води. Це створює певний потенційний бар ’ єр для взаємного переходу молекул води з аморфної фази в мікропорожнини і навпаки. Гальмування таких переходів і зумовлює, на думку авторів, довготривалу “пам ’ ять” води.

Так, згідно роботи [5] при додаванні до базофілів (один з типів імунних клітин людини) антитіл, які специфічно взаємодіють з ними, спостерігається бурхлива реакція клітин. При зменшенні концентрації антитіл в розчині ефективність їх дії зменшувалася. Однак наступні розведення розчинів антитіл призводили до відновлення реакції. При подальших розведеннях залежність ефекту від дози ставала незвичайною: при деяких розведеннях ефект був, при інших він зникав. Такого явища попередні теорії води та водних розчинів не могли пояснити.

Згідно гіпотези, висловленій в роботах [6,7] вода складається з правильних об’ ємних структур, в основі яких лежить кристалоподібний “квант води”, що складається з 57 її молекул. Ця структура є енергетично вигідною і руйнується з вивільненням незалежних молекул води лише при високих концентраціях спиртів, або подібних до них розчинників. “Кванти води” можуть взаємодіяти один з одним за рахунок вільних водневих зв ’ язків, які знаходяться на гранях “кванта”. Це призводить до появи структур вищого порядку. Вони складаються із 912 молекул води і не здатні взаємодіяти за рахунок водневих зв ’ язків. За цією гіпотезою вода уподібнюється до ієрархічно упорядкованого рідкого кристалу. Зміна положення одного структурного елементу в цьому кристалі під дією будь-якого фактора, або зміна орієнтації елементів під впливом розчинених речовин забезпечує високу чутливість інформаційної системи води. Якщо ступінь збурення структурних елементів є недостатньою для перебудови всієї структури води в даному об ’ ємі, то після припинення збурення система через 30-40 хв повертається у вихідне положення. Якщо ж перекодування, тобто перехід до іншого взаємного розміщення структурних елементів води виявиться енергетично вигідним, то в такому стані відбивається кодуюча дія речовини, яка викликала цю перебудову. Такою моделлю автор роботи [7] пояснює “пам’ять води” та її інформаційні властивості. При розчиненні речовини у воді відбувається оточення молекули речовини цілком певними гранями структурних елементів води, які, згідно виявленій властивості самокодування інформаційної системи води, вибудовують решту структурних елементів води в строго певному порядку, котрий відбиває властивості розчиненої речовини. Таке потенціювання дозволяє підлаштовувати під збурення нові відповідні структури води і збагачує тим самим потенційований розчин.

Даний підхід дозволяє також пояснити деякі властивості електроактивованої води [8]. При електрохімічній активації води одержують дві фракції: кислу (аноліт) і лужну (католіт). Ці фракції деякий час після електрообробки характеризуються відмінними від звичайної води значеннями рН і окисно-відновними потенціалами. При подачі напруги електродний блок насичується електронами, які сприяють рекомбінації рівноважних клатратних утворень і після досягнення потенціалу, достатнього для утворення вільних радикалів, механізм процесу стає ланцюгово-радикальним, а водні системи насичуються іонно-радикальними елементами, наприклад ОН ^- , Н ⁺ , О ^• , ОН ^• , Н ₂ О ^• , Н ₃ О ^• , Н ₃ О ⁺ , Н ₃ О ^- тощо. На відміну від іонів, час існування наведених радикалів дуже мізерний, що не узгоджується з тривалістю релаксації елктроактивованого розчину. Пояснити це можна на підставі енергоінформаційних взаємодій.

Оскільки водневий зв’язок має частково (на 10 %) ковалентний характер, що було показано рентгенографічним методом, то, незважаючи на те, що всі ці моделі відрізняються геометричною будовою структурних утворень, вони передбачають існування полімерних комплексів з молекул води. C еред багатьох факторів, які можуть впливати на структуру води, є неоднорідне магнітне поле . “Магнітна пам’ять” води проявляється у зміні багатьох фізико-хімічних процесів з її участю, зокрема в зміні кінетики хімічних реакцій [9]. Наші дослідження з впливу попередньої магнітної обробки водних розчинів на кінетику коливних хімічних реакцій (Білоусова - Жаботинського) показали, що дія магнітного поля призводить до істотних відхилень в кінетиці коливної системи – зміни амплітуди, періоду коливань, тривалості індукційного періоду.

Рис. 1 . Залежність потенціалу точкового платинового електроду відносно хлорсрібного електроду від часу при окисненні малонової кислоти броматом калію при 298,3 К (1 – контрольний розчин; 2 – омагнічений розчин)

Ефект магнітної обробки водних розчинів залежить від параметрів магнітного поля і режиму обробки. Причому, значні зміни властивостей води відбуваються як при великих, так і при малих напруженостях магнітного поля.

Механізм дії магнітного поля на воду остаточно не розкритий, однак виявилося, що внаслідок магнітної обробки води послаблюється енергія водневих зв’язків між її молекулами. Істотним є те, що, як показали наші досліди, внаслідок дії магнітного поля зростає напруга електролітичного розкладу води, тобото, на певний час молекула води стає стабільнішою, змешується її здатність до дисоціації. Методом протонного магнітного резонансу було показано [ 10 ], що після магнітної обробки молекули води мономеризуються і стають рухливішими. Однак, під час таких дослідів на воду також впливає магнітне поле. Щоб уникнути цього, нами було проведено термографічний аналіз дистильованої води після дії на неї магнітного поля. Швидкість випаровування омагніченої води виявилася на 9.6% більшою, ніж дистильованої води без дії магнітного поля, а теплота випаровування омагніченої води на 11% нижчою, ніж теплота випаровування дистильованої води без магнітної обробки. Крім того, дистильовану воду об ’ ємом 200 мл поміщували в соленоїд і протягом 45 хв піддавали дії електромагнітного поля з частотою 100 Гц і індукцією 5 мТ. Після цього методом дистилювання відбирали першу фракцію об’ємом 2 мл, тобто 1% від загальної кількості. Одержана термограма виявилася аналогічною термограмі омагніченої дистильваної води без відбору фракцій . Це свідчить про монофазність омагніченої води в цілому. В той же час, як дані термограми, так і прямі термометричні вимірювання (точність 0,1 °) показали, що точки кипіння омагніченої та звичайної дистильованої води одинакові.

Цінну інформацію стосовно структури води може дати інфрачервона спектроскопія. Однак, розмитість коливних смуг рідкої води та сильне поглинання на всій ділянці основних коливань заважає одержанню більшості спектральних характеристик. Тому для послаблення поглинання води на ділянці валентних коливань можна використати розчин води низької концентрації в деякому розчиннику з відносно слабкими водневими зв ’я зками. На рис.2 показаний ІЧ – спектр 0. 1 М розчину води в ацетонітрилі, де пунктиром зображені найсуттєвіші зміни в смугах поглинання після дії електромагнітного поля.

Смуга поглинання 3540 см ^-1 зумовлена валентними асиметричними коливаннями молекул води, пов ’ язаними водневими зв ’ язками. Її зсув (~50 см ^-1 ) в низькочастотну ділянку спектру після дії магнітного поля на воду є прямим свідченням зменшення енергії водневих зв’язків між молекулами води. Значний інтерес представляє смуга деформаційних коливань в інтервалі 1600 – 1700 см ^-1 . Ця смуга відносно слабо залежить від різних впливів (температура, присутність розчинених речовин), однак така залежність все таки є. В даних умовах чітко спостерігається зміщення смуги деформаційних коливань на 30 см ^-1 в сторону нижчих частот, що також є підтвердженням послаблення енергії водневих зв’язків між молекулами води.

Рис.2. ІЧ – спектри 0. 1 М розчину дистильованої води в ацетонітрилі

1 – контрольний розчин; 2 – омагнічений розчин

Однак, енергія водневих зв ’ язків між молекулами Н ₂ О на декілька порядків більша, ніж енергія магнітного поля при тих напруженостях, які використовують для магнітної обробки води. Отже, повинен існувати механізм, який уможливлює процес мономеризації молекул води при дії магнітного поля. Згідно версії, висунутій в роботі Антонченка [11], в поперечному магнітному полі відбувається відхилення руху протонів при їх взаємних переходах, що й зумовлює порушення сітки водневих зв’язків.Це в свою чергу руйнує структуру води, яка була на даний час. Не суперечить законам квантової механіки і гіпотеза, яка допускає переорієнтацію спінів ядер атомів водню в молекулах води під впливом магнітного поля, хоча прямих доказів цього немає.

Нами також було проведено дослідження впливу мікрохвильвого випромінювання на воду. Для тестування води ми вибрали реакцію окиснення тіоколової кислоти йодом, та гідроліз крохмалю в присутності ферменту амілази, і йоду, як індикатора. Дистильовану воду об’ємом 80 мл опромінювали в циліндричному резонаторі при вихідній потужності 1,5 Вт і резонансній частоті 788 МГц (приблизно такі ж параметри електромагнітного поля мають мобільні телефони) протягом 60 хв. Результати дослідів показали, що константа швидкості окиснення тіоколової кислоти йодом в опроміненій воді зросла в 2,2 рази, порівняно з контрольним розчином в звичайній дистильовані воді без опромінювання. Аналогічні результати були одержані при дослідженні дистильваної води після її опромінювання в побутовій мікрохвильовій печі з частотою 2,45 ГГц. так само спостерігалося значне підвищення швидкості окиснення тіоколової кислоти йодом і сповільнення (в 1.5 рази) швидкості реакції гідролізу крохмалю. Це свідчить про те, що мікрохвильове випромінювання справляє на воду таку ж саму дію, як і електромагнітне поле низької частоти . Однак, таке явище можливе лише при частотах електромагнітного поля < 10 ¹³ Гц. При частотах електромагнітного поля ~10 ¹⁵ Гц і достатній його інтенсивності може відбуватися фотоліз води та інші фотохімічні реакції. Експерименти з впливу ультрафіолетового випромінювання показали, що при обробці води електромагнітним полем з частотою ~10 ¹⁵ Гц механізм його дії на воду принципово відрізняється від механізму дії електромагнітного поля менших частот – швидкість окиснення тіоколової кислоти йодом зростає, однак на кінетику гідролізу крохмалю УФ-опромінювання не впливає. Збільшення швидкості реакції окиснення тіоколової кислоти йодом після УФ опромінювання води могло бути утворення пероксиду водню внаслідок фотолізу.

Отже, причиною змін фізико-хімічних властивосей води після магнітної обробки може бути руйнування структурних комплексів та її мономеризація.

Литература :

1. Зеленин Ю.М. Двухкомпонентная модель структуры воды. http://zhurnal.relarn.ru.articles/2005/110.pdf

2. Tsai C.J. and Jordan K.D. Teoretical Study of (H₂O)₆ Cluster.// Chemical Physics Letters. – 1993. - V.213. – P.181 – 188.

3. Смирнов А.Н., Лапшин В.Б., Балышев А.В., Лебедев И.М., Сыроешкин А.В. http://zhurnal.relarn.ru.articles/2004/038.pdf

4. Vysotskii V.I., Kornilova A.A. // 3-rd International Conference “Physics of liquid matter: modern problems” . – Kyiv national univ. T. Shevchenko. - 2005. – P. 143.

5. Davenas E., Beauvais F., Arnara J. еt al. Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against lgE.//Nature. – 1988. – V.333. – N.6176. – P.816 – 818.

6. Зенин С.В. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды.//ЖФХ. – 1994. – Т.68. – С.634 – 641.

7. Зенин С.В. Возникновение ориентационных полей в водных растворах. //ЖФХ. – 1994. – Т.68. – С.500 – 503.

8. Романенко Н.Г. Фізико-хімічні основи застосування електроактивованих водних систем в технологіях опорядження текстильних матеріалів: Автореф. дис…д-ра техн.наук: 05.19.03 /Херсон. держ. техн. ун-т. Херсон, 2002. – 32 с.

9. Баран Б.А. Влияние переменного магнитного поля на скорость окислительно-восстановительных реакций // Укр. хим. журн. – 1999. –Т.65, №7. – С. 27- 30.

10. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1982. – 296с.

11. Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.С. Основы физики воды. – К.: Наукова думка, 1991. – 669 с.