Мы смогли сказать заранее, как, например, будет зависеть диссоциация воды от температуры, как она будет зависеть от концентрации растворённых в воде веществ. Как она будет зависеть от усилий, прилагаемых к этой воде, допустим, при её перемешивании или, например, при пропускании звука. Мы многие типы воздействия на воду перепробовали.
После того как вода продиссоциирует, сразу же начинают протекать реакции рекомбинации. Ну, и естественно, основная часть радикалов рекомбинирует, сваливаясь вновь в воду. Видите, там стрелки туда и обратно. Т.е. при диссоциации некоторых молекул воды появляются радикалы, и в чистой воде, где нет для них акцепторов, они в основном образуют вновь воду. Так это, в основном, и происходит, в 90% случаев - именно снова воду. Но случаются и другие события: находят друг друга атомы Н, и в воде возникает растворённый молекулярный водород. Это, по сути, инертный газ в наших условиях. При этом излучается квант света уже в фиолетовой области. Между собой рекомбинирует и гидроксил-радикал, и получается пероксид водорода. Он тут помечен красным вот почему. Этот процесс, вообще, исследовать довольно сложно, потому что уж очень малы концентрации этих радикалов, т.е. мала эффективность этого процесса диссоциации воды. Поэтому нужны довольно-таки высокие чувствительности измерений. Можно, конечно же, измерять и выход молекулярного водорода. И в некоторых опытах так и делают, когда достаточно интенсивно на воду чем-нибудь воздействуют. Либо сильным звуком, либо её интенсивно перемешивают в специальных растворах. И есть такие результаты, где измеряют выход водорода после воздействия на воду. Но это уже косвенное свидетельство диссоциации воды: появились из воды радикалы, и потом уже появился водород. Пока, все же, методики определения водорода не очень чувствительны.
А вот появление перекиси водорода в воде, как оказалось, можно измерять с очень высокой чувствительностью. В общем, мы разогнали некую методику, поработали с ней, и единообразным образом, измеряя появление перекиси водорода, все свои опыты и проводили. Мы воздействовали на воду так или иначе, а измеряли всегда, насколько в ней увеличивается содержание пероксида водорода - перекиси водорода.
А дело-то в том, что в природе перекись водорода всегда в воде есть, во всех водах, и в океане, и вместе с водами дождей она поступает, и когда тает лёд, - в талой воде много перекиси водорода. И конечно же, до нас появление перекиси водорода в этих случаях объясняли. Как правило, процессами, в которых макропотоков энергии хватало для диссоциации молекул воды. Например, фотолизом, электрическими разрядами, локальным повышением температуры.
Например, очень есть интересное явление - так называемый сонолиз и сопровождающая его сонолюминесценция. То есть в воду посылают звук, и через некоторое время в этой воде образуется перекись водорода. При этом плотность энергии звука на 5, 6 или даже 7 порядков ниже, чем нужно для того, чтобы порвать связь Н-ОН. Тем не менее, эффект есть, и перекись водорода возникает. Объясняли и объясняют и до сих пор диссоциацию воды при действии звука кавитацией, схлопыванием пузырьков, высокими температурами. Мы показали, что это не так, что диссоциация происходит в жидкой воде.
Опыты наши были достаточно тщательные, потому что перекись - это же неустойчивое соединение. Тем более что и образовывалось её очень мало. Когда мы вышли на уровни содержания перекиси менее 10-9 моля на литр, то есть менее чем миллиардные доли моля на литр, то выяснилось, что все, вообще-то, очень грязное. И вода очень грязная, и она сама содержит достаточно катализаторов разложения перекиси. И все сосуды выделяют из стенок вещества, разлагающие получающуюся перекись водорода…Эффект диссоциации воды поэтому был нами зафиксирован не сразу. В общем - была некая проблема, но мы её преодолели и измерили очень тщательно во многих случаях выход перекиси водорода при разных воздействиях на воду.
Вот, например… Покажите ещё один слайд, следующий.
Здесь результаты наших опытов по переконденсации воды. Каждый кружочек - это опыт, довольно длительный, когда воду испаряли при какой-то температуре и конденсировали при 2 градусах Цельсия. В конденсате измеряли концентрацию перекиси водорода. Этот результат хорошо укладывается в нашу гипотезу. То есть эффективность процесса диссоциации воды при испарении-конденсации уменьшается при повышении температуры испарения воды. Кстати, этот результат можно приложить к глобальным оценкам того, что происходит на Земле.
Сейчас, быть может, Володя расскажет немного про то, такие формы имеют по современным представлениям эти объединения молекул воды - ассоциаты…
В.В. всё-таки я бы хотел пояснить, если мы вернёмся назад к радикалам, насколько это важные и существенные вещи. Все молекулы, которые нас окружают, имеют чётное число электронов. Их может быть 2, их может быть 4, 6, 8 на тех внешних оболочках, с помощью которых эти молекулы взаимодействуют с другими. А радикалы - это частицы, у которых нечётное число электронов, на один меньше или на один больше, то есть либо у молекулы оторвался один, либо к ней присоединился откуда-то ещё электрон. И эти частицы, радикалы, всегда стремятся заполнить свою оболочку до чётного числа, то есть откуда-то взять ещё один дополнительный электрон. Именно поэтому вода - это устойчивая структура, а вот разорванная на две половинки Н и ОН, где у атома водорода один электрон и у второго остатка, гидроксил-радикала, тоже один электрон, это две очень энергичные частицы.
Д.С. На внешней орбите.
В.В. На внешней, естественно, орбитали. Здесь речь идёт о химии. И даже тот сам по себе факт, что если они рекомбинируют обратно, то есть воду порвали на атом водорода и гидроксил, а потом они соединились вновь, и снова получилась вода, имеет не тривиальные следствия. Результат очень существенный, очень важный. Потому что порвали эту воду с помощью звука, а когда она соединилась назад, то вспыхнул микроимпульс…
А.Г. Испустился свет.
В.В. Да, испустился свет. Конечно, он может не высветиться, но возник импульс энергии, который несопоставим по своей плотности с тем самым звуком, которым вода была разорвана. В этом смысле вода выступает в роли трансформатора энергии. Энергию низкой плотности, так сказать, тепло, которое нас окружает, она, вообще говоря, превращает в свет.
А.Г. А каков механизм этого? Резонансный механизм?
В.В. Чтобы ответить, надо снова вернуться к тому, почему звук может рвать воду. Из всех мыслимых возможностей это может происходить, только если в воде есть примерные структуры, как показано на этой картинке. На этой картинке показаны представления многих расчётчиков, квантовых химиков, которые, когда они стали уже исходить из того, что в воде есть полимеры, предложили, как они могут выглядеть. Это последних лет работы. Вот, обратите внимание, какие, так сказать, замечательные по своей красоте получаются структуры.
Д.С. Надо всё-таки сказать ещё раз, что это умозрительные структуры.
В.В. Так я же сказал, что это расчётные вещи.
А.Г. А что мешает наблюдению этих структур?
В.В. А наблюдению этих структур мешает следующее. Во-первых, судя по всему, в воде разнообразных полимеров очень много. То есть, если бы был какой-то один класс полимеров, тогда можно было бы их выделить, посмотреть. А в воде наверняка представлены самые разные формы. Скажем, по одной из английских работ, здесь наверху три таких сравнительно небольших кластера, и эти кластеры могут объединяться друг с другом, или разъединяться друг от друга и давать самые разнообразные полимеры. Химики, которые стремятся что-то определённое выделить, всё-таки хотят, чтобы данного вещества было достаточно много и оно было однородным. И более того, чтобы оно не было таким лабильным. То есть в процессе…
А.Г. То есть, чтобы время его существования было достаточным.
Д.С. Здесь можно много чего сказать. Но ты упомянул время существования - это действительно интересно. Вообще-то, считается, что продукты диссоциации воды - эти радикалы Н и ОН в чистой воде, где ничего другого нет, что они очень короткоживущие, потому что они, действительно, очень активные и диффундируют довольно быстро. Но оказалось, что они довольно долго могут существовать в воде. А долго они могут существовать, только если они как бы запечатаны в «клетках» структур воды. Их долгое существование - это хорошее свидетельство того, что в воде есть структуры, есть такие клетки, такие клатраты, такие пещерки, составленные из молекул воды, в которых радикалы сохраняются буквально часами. Этот результат опытов был для нас совершенно удивительным и приятным… Например, талая вода продолжает генерировать перекись водорода в течение суток, по сути дела. То есть там…
А.Г. То есть радикалы там присутствуют…
Д.С. Да, они там, образовавшись, остаются отчасти как бы временно запечатанными, и они ещё какое-то время находят друг друга, и из-за этого концентрация перекиси ещё долго нарастает после растаивания льда.
В.В. Сегодня уже можно даже найти объяснение, почему. Всё здесь оказывается взаимосвязанным. Наличие структур в воде, полимерных структур, даёт возможность образованию радикалов. И то же самое наличие структур даёт возможность их длительного времени жизни. Почему? Потому что радикал может, условно говоря, прилипать к этой структуре. И тогда тот самый электрон, который стремится получить откуда-то дополнительный электрон, он как бы размазывается по всей этой структуре. Этот электрон попадает в общую электронную систему этого кластера, и поэтому вероятность оторвать или отдать такой электрон уже существенно снижается. Уменьшение этой вероятности, это, соответственно, увеличение времени жизни.
Д.С. А то все ищут, ищут, а найти не могут…
В.В. Да, совершенно верно. А это увеличение линии жизни.
Д.С. Я тут сделал прикидки и получил, что каждый акт таяния льда приводит к тому, что одна триллионная молекула, т.е. из триллиона молекул льда при таянии, одна молекула воды диссоциирует. Действительно, почти неуловимые эффекты, совсем небольшие. Но в глобальном смысле следствия оказываются довольно велики, и результаты оценок приводят к очень к красивым результатам.
В.В. Поскольку у нас время ограничено, давай переходить к следствиям.
Д.С. Есть ещё время, и мне бы хотелось, чтобы все мы как-то по-новому глянули на эти процессы. У меня есть некая заготовка - клип. Может быть, сейчас его посмотрим, и я прокомментирую чуть-чуть.
А.Г. Пожалуйста. Если мы готовы, давайте дадим. Пока готовят клип, у меня ещё один вопрос, на который вы можете потом ответить. Почему вода расширяется при замерзании?
Д.С. Предполагается, что весь лёд на Земле имеет одну и ту же структуру - 1Н, эта структура подобна графиту. Вообще-то эта структура более рыхлая, чем вода, и при её организации происходит увеличение объёма вещества, а при таянии существует возможность уплотнения, и объём уменьшается…
А.Г. Вот пошёл клип.
Д.С. Смотрите, тут в облаках всё время происходят акты испарения и конденсация воды. И всякий раз это сопровождается диссоциацией воды. А здесь внутренние волны бегут в атмосфере. И это сопровождается образованием вертикальных колонн облаков. Здесь, при переконденсации воды в атмосфере диссоциация воды происходит слабее - уже 1 молекула из 1015, претерпевших переконденсацию диссоциирует при каждом акте. Но всё равно процессы так интенсивны, что в таких ситуациях, поскольку эта переконденсация происходит неоднократно, заготавливается много перекиси водорода. В конечном итоге в воде дождей её может накопиться до 10-4 моля на литр.
И здесь в потоках воды, в водопадах, в любой реке, в любом ручье, в ключах всё время происходит диссоциация воды. Раньше не предполагалось, что это следствия действия одного и того же механизма, это нельзя было оценить заранее. А вот море, в нём тоже всё пронизано процессами диссоциации воды. В море, в общем-то, достаточно много перекиси водорода. В море есть и свои механизмы образования перекиси. Однако в основном в море перекись поступает с дождями. Перекись водорода - быстро распадающееся вещество, и его присутствие означает, что его количество всё время пополняется. Такой, оказывается, этот мир, в нём из-за очень многих причин всё время генерируются радикалы из воды. И это страшно интересно: наличие радикалов приводит к тому, что, как оказалось, в природе протекают реакции, осуществление которых ранее не учитывалось. Например, утилизируется азот атмосферы. А начало всему - это то, что перекись водорода, распадаясь, даёт кислород. Причём наш расчёт показывает, что этот кислород настолько быстро продуцируется… Вот, смотрите какая красотища, какая волна…. Во всех этих движениях и трансформациях воды всё время происходит диссоциация воды. Кстати, в пене гребней волн она происходит на несколько порядков быстрее, чем, допустим, просто в волновых колебаниях воды.
В.В. Ну и сколько же образуется кислорода?
Д.С. В пене волн диссоциация протекает на несколько порядков эффетивней, чем при сонолизе. То есть всякие мифы о Венере…
В.В. Афродите…
Д.С. …розовопенной, по-моему, что-то такое рациональное в себе содержат…
А.Г. Так всё-таки, возвращаясь к вопросу, какое количество кислорода при этом образуется. Это может повлиять на биогенную точку зрения образования нашей кислородной атмосферы?
Д.С. Конечно. Биогенная гипотеза происхождения кислородной атмосферы представляется вообще малосостоятельной.
В.В. Да, если чуть-чуть ускорить наш процесс, то имеет смысл сказать следующее. Как только есть жидкая вода, сразу, исходя из тех процессов, о которых было сказано, идёт её распад. Как говорилось, в пене идёт интенсивный распад воды, потому что вода там формирует тонкие плёнки, и степень её структурированности, полимерности много выше, чем в объёме. Есть ещё один процесс, и они его изучали, - это фильтрация. То есть громадное количество воды на Земле фильтруется, фильтруется через очень тонкопористые структуры.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33