профессор Кузнецов Д.М., студент Вилисова К.А.,

студент Одарченко Н.В., инженер Даниленко А.И.

Южно – Российский Государственный Университет (Политехнический Государственный Институт), Россия

К вопросу метастабильного состояния воды в результате фазового перехода первого рода

Полиморфизм жидкого состояния позволяет выделить (хотя бы гипотетически) так называемую «талую» воду. Оптическим методом и с помощью лазерного малоуглового измерителя дисперсности обнаружено различие структурного состояния талой и обычной воды [1]. Показано, что в отличие от обычной воды, имеющей в своем составе супранадмолекулярные комплексы с размерами до 100 мкм, в талой воде «обнаружено присутствие лишь одной фракции надмолекулярных образований, с малыми размерами порядка 3 мкм» [1]. Причина крайне скудного упоминания свойств талой воды связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, современные методы исследования недостаточно чувствительны и не позволяют получить различные данные как по аддитивным, так и по экстенсивным характеристикам обычной и талой воды, причем таким образом, чтобы зарегистрированная разница свойств превышала погрешность средства измерений.

Во-вторых, наличие временного фактора существования полиморфизма жидкого состояния воды. То есть, необходимые измерения следует проводить за ограниченный промежуток времени, поскольку энергетический барьер между двумя жидкими фазами является временным и преодолевается за счет тепловых флуктуаций.

Водородный показатель воды, pH - один из важнейших показателей качества воды, во многом определяющих характер химических и биологических процессов, происходящих в воде. Водородный показатель характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде. Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды [2].

При разрушении гексагональной структуры кристаллической структуры льда pH в результате фазового перехода первого рода (плавления) резко меняется структура вещества. Кристаллическая структура льда разрушается быстрее, чем перестраивается в устойчивое равновесное состояние образовавшаяся из него метастабильная талая вода. И в воде и во льду имеет место реакция диссоциации воды.

Уникальность фазового перехода лед – вода заключается в том, что лед и вода состоят из одних молекул (Н₂О), но во льду они равновесные, а в воде – нет. В талой воде концентрация ионов водорода и гидроксила некоторое время сохраняется неравновесной и такой, какой она была во льду. Затем через некоторое время концентрация ионов в воде принимает свое обычное равновесное значение. Константа скорости этой реакции составляет всего 2,5*10^-10 с^-1 при 20°С. Поэтому период релаксации талой воды до равновесного состояния теоретически должен быть равен несколько часов.

В связи с выше изложенным, целью настоящей работы являлось изучение изменения водородного показателя талой воды во времени. Измерение концентрации ионов H+ осуществлялось с помощью диодного рН-метра П – 201.

Установлено, что концентрация протонов в талой воде и чистой дистиллированной воде заметно отличаются. И если с течением времени водородный показатель рН чистой дистиллированной воды практически остался неизменным, то свойства талой воды, во–первых, отличаются от свойств обычной дистиллированной, а во-вторых, существенно изменяются во времени. На рис. 1 изображена разница между значениями водородного показателя рН чистой и талой дистиллированной воды. Данная зависимость показывает, что вода находиться в неустойчивом состоянии, происходят скачкообразные изменения значений водородного показателя талой воды в течение 24 дней, так как значения водородного показателя чистой дистиллированной воды практически не изменялись. Опыт показал, что талая вода находилась в метастабильном состоянии 24 дня, после чего она переходит в стабильное состояние. Наблюдаемые изменения не превышают уровень погрешности (±0,03 рН) и являются достоверными.

Рис. 1. Разность между значениями водородных показателей рН чистой и талой дистиллированной воды

Вывод:

Путем изучения водородного показателя (рН) дистиллированной воды и талой воды установлено, что после плавления льда pH талая вода некоторое время находится в неравновесном состоянии.

Литература:

1. Д. М. Кузнецов, А. Н. Смирнов, А. В. Сыроешкин Акустическая эмиссия при фазовых превращениях в водной среде// Рос.хим.ж., 2008, т LII, №1, с.114-121.

2. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды/ Л., Гидрометеоиздат, 1975.- 280 с