Баран Б.А., Голонжка В.М., Драпак З.Т., Дроздовський В.Б.

Хмельницький національний університет

ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ НА ВОДНІ РОЗЧИНИ

 

В зв'язку з дедалі більшим поширенням впливу на довкілля, в тому числі і на людину, електромагнітних полів техногенного походження в науковій літературі продовжується дискусія стосовно механізму біологічної дії цих полів. Тому доцільним було дослідити зміни фізико-хімічних властивостей води після дії електричного поля, порівняно з аналогічними властивостями води після магнітної обробки.

Обробку розчину постійним електричним полем проводили в протічній електролітичній комірці з двома плоскопаралельними платиновими електродами. Оскільки напруга, яка подавалась на електроди, не перевищувала 2.2 В, то в розчинах сульфатів лужних металів електроліз води практично був відсутній. Для виявлення впливу попередньої обробки розчинів постійним електричним полем на перебіг окисно-відновних реакцій нами було вибрано окиснення тіоктової кислоти йодом. Вплив електричного поля на розчин оцінювали за співвідношенням ефективної константи швидкості реакції в розчині К2SO4 після обробки електричним полем протягом 60 хв (k') і такої ж константи в контрольному розчині без дії електричного поля (k). Виявилося, що співвідношення k'/k в загальному випадку за ефективністю впливу електричного поля на водні розчини розміщується в ряд:                                  К2SO4 > Na2SO4  >  Li2SO4.

Збільшення швидкості окисно-відновних реакцій спостерігалося і після попередньої дії магнітного поля на воду [1]. В той же час дія  магнітного поля призводила до зменшення константи дисоціації молекул води і, відповідно, до сповільнення реакцій гідролізу. Тому було  досліджено попередній   вплив електричного поля на гідроліз сахарози в 0.02 н розчині К2SO4 при напрузі 1 В. Досліди показали, що внаслідок попередньої дії електричного поля на 0.02 н розчин К2SO4 швидкість гідролізу сахарози в ньому зростає в 1.6 рази. Це вказує на істотні відмінності в механізмах дії магнітного та електричного полів на воду та водні розчини.

Нами також були проведені досліди з впливу високочастотного електричного поля (110 кГц, 10 кВ) на процес бродіння сахарози. Тривалість обробки  10%-го розчину – 40 хв.  Дія такого поля на воду до певної міри нагадує дію магнітного поля, тобто призводить до зростання “структурної температури”. Дослідження модельної реакції – окиснення тіоктової (ліпоєвої) кислоти йодом – показало, що швидкість такої реакції в опроміненій воді зростає в 2,2 рази, порівняно зі швидкістю в звичайній воді. Виявилося, що виділення СО2 з розчину, попередньо обробленого коронним розрядом, різко зростає – в 3,2 рази протягом перших чотирьох годин. Якщо ж таким чином обробляти розчин сахарози  разом з дріжджовими клітинами, то виділення СО2 різко знижується і лише через 3 години перевищує виділення з контрольного розчину (рис. 1).

Рис. 1. Зміна відносного виділення СО2 з бродильної суміші при дії на неї коронного розряду

 

Проведені спостереження та експерименти з впливу  ЕМП високовольтних ліній на рослини показали, що спостерігається зменшення сухої ваги наземної маси рослин вівса і соняшника, які ростуть під такими лініями, порівняно з контролем.  Відмічено негативну дію ЕМП на величину потенційної нітрогеназної активності грунтової ризосферної популяції та довжину проростків рослин [2]. В більшості робіт, присв’ячених впливу фізичних факторів на живі організми, вода розглядається, як майже нейтральний розчинник, в якому проходять біохімічні реакції. Однак, вода приймає безпосередню участь в обміні речовин, які лежать в основі всіх процесів життєдіяльності. Наприклад, основні компоненти їжі – білки, жири та вуглеводи повинні бути розщеплені на дрібніші фрагменти. Це відбувається в результаті гідролізу – взаємодії цих сполук з водою. Суттєва доля енергетичних процесів в клітинах організму забезпечується молекулами аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Для здійснення будь-якого акту життєдіяльності, наприклад, м’язового скорочення, молекула АТФ повинна розділитися на два фрагменти – аденозиндифосфорну кислоту (АДФ) та фосфатний залишок, тобто, також вступити в реакцію гідролізу. А щоб запасти енергію в молекулі АТФ, її необхідно синтезувати, з’єднавши молекулу АДФ із залишком фосфорної кислоти, при цьому молекула води виділяється. Кінетика таких процесів буде залежати від енергетичного стану води в першому і другому випадках. На підставі цього в даній роботі основна увага приділяється ролі води в стабілізації біосистем.

Об’єктом дослідження було вибрано насіння квасолі. Пророщування проводилося за однією із стандартних методик: в чашки Петрі поміщували по 30 насінин і заливали дистильованою водою, або розчином комплексного добрива (0,2 г/л). Результати оцінювали за кількістю ростків в контрольному досліді (без дії  поля) та після відповідної обробки електричним полем Нами були проведені досліди з впливу високочастотного електричного поля (110 кГц, 10 кВ) на схожість квасолі в дистильованій воді та в розчині мінеральних добрив. Тривалість експозиції – 20 хв. Виявилося, що схожість квасолі в дистильованій воді, попередньо обробленій коронним розрядом, різко зростає – в 2,4 рази. Якщо ж таким чином обробляти воду разом з насінням квасолі, її схожість знижується:     Nm/No = 0,25. Схожість квасолі після обробки її  в розчині мінеральних добрив була нульовою. Це означає, що дія будь-яких фізичних полів на біооб’єкти впливає як на молекули води, так і на клітини живих організмів.

Згідно версії Антонченка В.Я. [3] поперечне магнітне поле  відхиляє прямолінійний рух протонів і стабілізує пари Н3+О – ОН- (а не димери води), що призводить до послаблення водневих зв'язків між молекулами води, збільшення рухливості цих молекул, тобто до збільшення "структурної температури" розчину. Аналогічна картина спостерігається і при дії на воду  електричного поля, хоча в цьому випадку рух протона збільшується вздовж силових ліній поля.

В теорії збурень квантової механіки перенесення протона в лінійному водневому містку А – Н…А в тунельному наближенні можна подати, як задачу про рух протона в зовнішньому полі. Якщо е – заряд протона, то енергія взаємодії протона з електричним полем буде дорівнювати [4]:

                                                                                                                       (1)

де E – компонента напруженості електричного поля в напрямку Х.

         Отже і в цьому разі внаслідок великої поляризованості осцилюючих протонів у водневозв’язаних комплексах А – Н…А зовнішнє поле також обв’язково впливатиме на рух протона.

Ще одне явище, яке не пояснює жодна з гіпотез стосовно механізму дії електромагнітного поля на воду – це поліекстремальна залежність тих чи інших ефектів  поля від його напруженості або частоти електромагнітного поля.

Гальмування протонів в магнітному полі спричинює збільшення часу існування гідратованих частинок  (ОН-, Н3О+), які також утворюють водневозв’язані комплекси з молекулами води і взаємодіють з магнітним полем. Частинки мають різні енергетичні стани та магнітні моменти, які відрізняються від таких величин в молекулі води. Утворені гідратовані частинки мають також іншу величину проекції магнітного моменту на напрямок магнітного поля, що призводить до зміни енергетичних станів. Величина енергії частинок визначається не лише магнітним полем, а також і взаємодією спінових моментів електронів з їх орбітальними моментами, що наближено описується таким співвідношенням [5]:

                                        (2)

де                      ,

           j   може набирати наступні значення:    ; ,

 - орбітальне квантове число,  - спінове квантове число.

         Оскільки  можуть приймати різні значення, то окремі стани відрізняються один від одного на величину, тобто енергія змінюється дискретно. Таким чином, загальні енергетичні стани частинок є також дискретними. Причому, протон, об’єднуючись з гідроксильною групою   утворює молекулу води з іншим енергетичним станом в електричному чи магнітному полі ніж, без поля.

         Якщо знову звернутися до механізму тунелювання протона у водневому зв’язку, то можна застосувати рівняння:

                                                                                    (3)                                                             

де D – коефіцієнт прозорості потенціального бар’єру  U, x1, x2 – координати початку і кінця потенціального бар’єру, m – маса частинки, W – її енергія, h – стала Планка. Отже, тунелювання протонів також здійснюється дискретним чином.

         Загально відомо, що система займає стан стійкої рівноваги при мінімальному значенні потенціальної енергії взаємодії. При наявності магнітного поля та його зміні мінімальна енергія змінюється також дискретно, що і спричинює, очевидно, поліекстремальні залежності деяких фізичних та хімічних властивостей омагнічених водних розчинів.

В той же час, згідно класичної термодинаміки, частинки з зарядами е, які не взаємодіють між собою і рухаються зі швидкістю V в електричному полі напруженості E і індукцією магнітного поля В під впливом об’ємної сили          F = e(E + VхB) генерують струм густиною eV.   Якщо всі заряджені частинки знаходяться в рівноважних умовах, то                                                                                                                                                                (4)

де  j - загальна густина струму, σ – питома електропровідність електроліту, RH - стала Холла. Друга частина в рівнянні (4) представляє електричне поле, викликане ефектом Холла, завдяки наявності магнітного поля.

Це пояснює той факт, що різнорідні ефекти впливу магнітного поля на воду спостерігаються лише в тому випадку, коли вода, або водний рзчин протікає через магнітне поле з градієнтом напруженості. В однорідному магнітному полі (коли магнітні силові лінії паралельні) такі ефекти відсутні. При дії елктромагнітного поля вода необовязково повинна рухатися. Зміна фізико-хімічних властивостей води спостерігається при дії електромагнітного поля не лише на нерухому воду, але й на воду в кристалічному стані (лід), як це показано в роботі [6].  Електромагнітне поле (хвиля) має дві складові, що діють на заряджену частинку під різними кутами. З одного боку це сила Лоренца:

                                                                                             (5)

де  m – маса частинки, V – її швидкість за час t, B – індукція магнітного поля.

Друга складова – це сила, яка діє з боку електричного поля:

                                                                                                            (6)

  Сумарна дія цих сил, які є векторними величинами, або лише сила Лоренца в магнітному полі з градієнтом напруженості (завдяки ефекту Холла) може не лише призводити до гальмування чи відхилення руху протона, але й до реверсу його ядерного спіну. Тобто, як і в молекулах газоподібного водню Н2, спіни ядер атомів водню можуть бути паралельні (молекули ортоводню), або антипаралельні (молекули параводню). Така гіпотеза неодноразово висловлювалася в роботах стосовно механізму дії магнітного поля на воду, зокрема в роботі [7] стверджується, що це явище (реверс спіну протона в молекулі води під впливом магнітного поля) може здійснюватися через сітку водневих зв’язків і не суперечить законам квантової механіки.  Спектроскопічними дослідженнями було показано [8], що у водяній парі міститься 75% ортомолекул і 25% парамолекул води, тобто, те ж співвідношення, що і в газоподібному водні при нормальних умовах. Це співвідношення не є постійним і залежть від багатьох факторів, таких, як температура, парамагнітні каталізатори та магнітне поле, оскільки енергія, необхідна для орто- і пара переходів є  невеликою. Неемпіричні розрахунки для комплексів з сильним водневим зв’язком, наприклад, Н5О2+, показали, що при одному мінімумі на потенціальній поверхні початкові іон та молекула втрачають свою індивідуальність, при цьому валентні та водневі звя’зки не відрізняються між собою  [4].

Вагомим аргументом на допущення того, що під дією магнітного поля змінюється співвідношення орто- і парамолекул води може служити час релаксації після припинення дії поля. Так, час релаксації свіжосконденсованої води (після кип’ятіння) становить ~2 год [9], а омагніченої цей час триває >3 діб [10, 11].

Дія як магнітного, так і електричного поля призводить до зменшення енергії водневих зв’язків між молекулами води, а це істотно впливає на її фізико-хімічні  властивості. Цей висновок було підтверджено дослідженнями електролітичного розкладу води [12]. При випаровуванні води водневі зв’язки повністю розриваються, після конденсації релаксація багатьох властивостей проходить повільно, що було встановлено експериментальним шляхом [9]. В 0,5 н. розчині K2SO4, приготовленому із свіжосконденсованої води, перенапруга електролітичного виділення кисню виявилася на 20 мВ більшою, ніж перенапруга виділення кисню з води кількадобової витримки. Збільшення перенапруги виділення кисню в омагніченому розчині  K2SO4 становить 32 мВ.

Згідно сучасних уявлень 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.

Література

1. Баран Б.А. Влияние магнитного поля на кинетику химических реакций    // Укр. хим. журнал. – 1998. – Т.64, №4. – С. 26-29.

2.Тугарова А.В., Смиян М.В., Шигаев А.В., Панасенко В.И., Чумаков М.И. Численность и активность ризосферной микрофлоры овса и подсолнечника под высоковольтными линиями электропередач. // В кн. Мат-лы науч.-практич. конф. «Электромагнитная безопасность. Проблемы и пути решения». г. Саратов, 2000. Изд. СГУ, 2000.

3. Антонченко В.Я. Микроскопическая теория воды в порах мембран. - К.: Наукова думка, 1983.-С.139-142.

4. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. – М.: Изд. МГУ, 1998. – 184с.

5. Дорфман Я.Г. Магнитные свойства и строение вещества. – М.: Гостехиздат, 1955. – 376с.

6. Семихина Л.П., Кисилев В.Ф. Влияние слабых магнитных полей на свойства воды и льда. // Изв. вузов. Физика. - №8. – С. 13 – 17.

7. Sumio Ozeki, Chihiro Wakai , Shinji Ono. Is a Magnetic Effect on Water Adsorption possible? // J.Phys. Chem.-1999.-V.95.-P.10557-10559.

8. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1978. – С.95 – 96.

9. Миллер Э.В., Классен В.И., Кущенко А.Д. О самопроизвольном уменьшении плотности воды, сконденсированной из пара. // ДАН СССР.-1969.-Т.184.-№1.-С.136-138.

10. Joschi K.M.,Kamat P.V. The Effect of Magnetic Field on the Physical Properties of Woter. // J.Indian Chem. Soc.-1966.-V.43.-№9-P.108-122.

11. Jun Oshitani, Daisuke Yamada, Minoru Miahara, Ko Higashitani. Magnetic Effect on Ion-Exchange Kinetics. // J. of Colloid and Interface Sc.-1999.-V.210.-P.1

12. Baran B., Berezyuk O. The Influence of Magnetic Field on the Overvoltage of Water Decomposition // Chemine Technologija. – 2003. – № 2(28). – P. 51-55.