Таза суда және тұздардың су ерітінділерінде кластерлердің құрылымы қарастырылды. Суда құрылымдық элементтерді тіркеудің тәжірибелік әдістері талданды. Тұздардың шоғырлануы және кластерлердің су қасиеттеріне әсері шамалы көрсетілген.
Түйін сөздер: су, су ерітіндісі, диполь, құрылым, кластер, аралас шашырау, ИҚ-спектроскопия, pH.
Рассмотрена структура кластеров в чистой воде и водных растворах солей. Были проанализированы опытные методы регистрации конструктивных элементов на воде. Выяснено, что концентрация солей и влияние кластеров на водные свойства выражены незначительно.
Ключевые слова: водный раствор, диполь, структура, кластер, смешанное рассеяние, ИК-спектроскопия, pH.
Суды тұтынудың ұлғаюымен сұйылтылған су жүйелерін зерттеу аса өзекті болып табылады. Зерттеудің мақсаты — су тазалаудың тиімді әдістерін іздеу үшін судың құрылымын зерттеу.
Су жер бетінле ең кең таралған еріткіш болғандықтан, ерекше қасиеттерге ие. Судың ерекшеліктері оның әртүрлі күйлерінде (мұз кристалдары, сұйық су, газ клатраттары) ерекше тәртіптің болуымен байланысты, ол сутегі байланыстарының құрылымдық және динамикалық біртекті емес торының кооперативтік әсерінің салдары болып табылады. Электрондық орбитаның sp3-гибридизациясы себебінен, тетраэдрикалық жақын тәртібі көрсетеді [1].
Сұйық су құрылымдық жағынан өте сезімтал жүйе болып табылады, себебі сутекті байланыс арқасында метастабильді жағдайлардың үлкен саны бар. Мысалы, суда циклдық құрылымдармен салыстырмалы тұрақты сақиналы ассоциаттардың бар болуы анықталды [7]. Судың тетраэдрикалық молекулаларын бір-бірімен және олардың негізінде сұйық кристалдардың тұрақты конфигурацияларын қосудың ықтимал тәсілдерінің саны орасан зор.
Молекулааралық сутегі байланыстарының арқасында су өзінің қасиеттері бойынша басқа гидридтерден ерекшеленеді және ассоциативті құрылымы бар. Әртүрлі стационарлық емес процестер суда кластерлердің пайда болуына әкеледі. Судың белсенділігі сутегі байланыстарының санымен емес, олардың көлемі бойынша бөлінуімен сипатталады. Френкельдің айтуы бойынша, кластер құрылуының қозғаушы күші — судың дипольді молекулаларының поляризациялануы және 3д кеңістікте ориентациясы [7].
Су құрылымын анықтаудың қиындықтардың бірі, ол — тұрақты құрылымдық элементтердің бар екендігін дәлелдеу [2]. Зерттеу әдістерінің әсері судың жақын құрылымын деформациялайтын шағын өлшемді кластерлерді анықтау қиын себептердің бірі болып табылады. Кластерлерді зерттеу әдісіне байланысты олардың құрамында су молекулаларының әртүрлі мөлшерін анықтайды [9].
Су құрылымы ұғымы әдетте су молекулаларының кеңістіктік орналасуымен және оттегі мен сутегі атомдарының өзара орналасуымен байланыстырады. 1933 жылы физиктер Дж. Бернал и Р. Фаулер су тек Н2О (мономолекул) молекулаларынан ғана емес, сонымен қатар (Н2О)n формулаcымен берілетін ассоциаттарынан тұрады, мұнда N саны үлкен болуы мүмкін [3]. Бъерум су моделінде судың құрылымдық элементі бір-бірімен сутегі байланысымен байланысты төрт молекула түзілген тетраэдр болып табылады.
Сурет 1. Су молекуласының құрылымы: а) бұрыштық; б) шар тәрізді; в) тетраэдрикалық [2].
Су ерітінділеріндегі кластерлер
Судың әрбір молекуласы оң және теріс полюстерден тұрады. Осының арқасында сутегі көпірлері арқылы молекулалар кластерлік құрылымдарды қалыптастырады [4].
Химиялық таза суда суперкластерлер (мұзға ұқсас) және Н2О молекулалары хаоста, ал жылу қозғалысының энергиясы «льдинки”бұрылу энергиясынан артық. Сондықтан су ешқандай ортақ сурет жоқ. Таза суға қоспа молекулалары түссе, олардың айналасында белгілі бір түрде су кластерлері бағдарлана бастайды, ал олар өз кезегінде келесі «мұздарды” тартып немесе итеріп бағыттайды. Оң және теріс зарядтардың үйлесіміне байланысты әртүрлі құрылымдар құрылады. Полиассоциаттың бетінде күрделі кеңістіктік өрнектер пайда болады.
tgδ диэлектрлік шығындарын өлшеу арқылы микротолқындар диапазонда γ<0,3 моль/л концентрациясы кезінде тұздардың су ерітінділерінде бір мезгілде екі құрылым бар — өзара әлсіз өзара әрекеттесетін иондық атмосфералар мен су матрицасы. Концентрациясының ұлғаюына қарай су матрицасы біртіндеп ығыстырылады, ерітіндінің құрылымы біртіндеп ионды атмосферадан тығыз қаптамаға айналады.
Тұз ерітіндісінде тек бір экстремум tgδ ғана бар, ал таза суға тән экстремум tgδ γ>2х10–5 моль/л кезінде жоғалады, онда осындай концентрацияларда иондардың әсері бүкіл су матрицасына, оның жағдайын өзгертеді.
Су кластерлерін қалыптастыру әдістері
Кластерлердің жоғары құрамы бар суды, 0,09 мкСим/см магнит өрісі, әлсіз электр тогы, электр өрісі, инфрақызыл (ИҚ)-сәулеленуі, жоғары жиілікті сәулеленуі, механикалық өңдеу, дыбыстау, лазерлік сәуле, электр өткізгіштігімен суды өңдеуге болады [4].
Силикатты беттермен суды байланыстыру арқылы кластерлерді синтездеу әдісі белгілі. Мысалы, 5–8 су молекуласынан тұратын микрокластерлер алынды. Кластерлерді анықтау үшін ИҚ-спектроскопия әдісі қолданылды (облыста 50–200 мкм). Бастапқы және керамикалық мембрана арқылы өткізілген судың ИҚ-спектрлерін жазып алған, %: SiO2–50–70; Al2O3–10–30; Fe2O3–10–20; MnO — 0,1–0,3; ZnO — 0,01–6,05; СоО — 1–1,2. Мембрана 1-ден 5 мкм-ге дейінгі бөлшектер диаметрі бар осы оксидтердің ұнтақтарының қоспасынан дайындалған. Керамиканың суға қатынасы 20 % — ды құрады, түйісудің ұзақтығы-12 сағаттан кем емес. ИҚ-спектрдегі су жолақтарының қарқындылығын төмендету кластерлер санын бағалау үшін қолданылды. Кластерлік судың рН 5 — тен 7,5-ке дейін, электр өткізгіштігі-3,7 мкСим/см, беттік керілуі-61 Дин/см кем [4].
Қалыңдығы 40–50 нм-ден асатын су қабаттарында негізінен электростатикалық итергіш күші әсер етеді, олар олардың поляризациялық әсерімен 50 нм-ге дейінгі мөлшерде кластерлердің түзілуіне ықпал етеді. Мұндай құрылымдардың реттілігі электростатикалық өрістің поляризациялық әсерінің ұзақтығына байланысты және көші-қон поляризациясына тән заңдылықтарға бағынады [5].
SiO2 амфотериялығы, бетінде қышқыл және негізгі орталықтардың болуы және судың молекулалық құрылымы мен кремний оксиді параметрлерінің жақындығы су молекуласының өзара байланысы кезінде оксидтің құрылымын алып тастауға әкеледі. Нәтижесінде шыны бетінде тұтқырлығы мен тығыздығы өзгерген монослой су түзіледі. Су қабатының өсуіне электростатикалық күштердің әсерінен сұйықтық бөлшектерінің поляризациясы ықпал етеді [7]. Судың силикатты беткеймен ұзақ байланысуы кластерлердің пайда болуын қамтамасыз етеді, өйткені судың Н-байланыстарының моносларға релаксациялық қайта бөлінуі жақын орналасқан су қабаттарын қамтиды және біртіндеп қалған көлемге беріледі. Гидрофильді қабырғаның судың тұтқырлығына әсері шамамен 10 нм қашықтыққа таралуы мүмкін. Жақын облыстарда су поляризацияланады және шын мәнінде 10 нм-ге дейінгі өлшемдері бар кластер болып табылады [8]. Көлемі мен массасы сыни шамаға дейін өскен кезде мұндай кластер оны ұстап тұрған жер үсті күштерін еңсереді, қабырғадан үзіледі және уақыт шашылатын су көлеміне ауысады. Спин-спиндік өзара әсерлесу әдісімен бағалауға сәйкес силикат бетінде құрылым бойынша өзгертілген су қабатының қалыңдығы 30 нм жетеді [8]. Беттің гидрофильді дәрежесінің күшті әсері байқалады.
Әдебиеттер:
- Захаров С. Д., Мосягина И. В. Кластерная структура воды (обзор). Препринт № ФИРАН. — 24с.
- Саркисов Г. Н. Структурные модели воды // УФН. — 2006. — Том 176. — № 8 — С.833–845.
- Синюков В. В. Структура одноатомных жидкостей воды и водных растворов электролитов. — М.: Наука, 1976. — 255 с.
- Шахпаронов М. И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях. — М.: Высшая школа, 1980. — 351 с.
- Классен В. И. Омагничивание водных систем. М.: Химия. — 1973. — 239 с.
- Самойлов О. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. — М.: Изд-во АН СССР, 1957.
- Liu K., Bown M. G. et al. Characterization of a cage form of the water hexamer // Nature, 1996. — V.381. — P.501–503.
- Liu K., Cruzan J. D., Saycally R. J. Water Clusters // Science, 1996. — V.271. — P.929–933.
- Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. — 184 с.
