Б Баран, В Голонжака - Вплив мікрохвильового випромінювання на водні системи - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія хім. 2005. Bun. 46. С. 311-315

VISNYKLVIV UNIV. Ser. Khim. 2005. No 46. P. 311-315

УДК 544.032.53

ВПЛИВ МІКРОХВИЛЬОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ВОДНІ СИСТЕМИ

Б. Баран, В. Голонжка

Хмельницький національний університет, вул. Інститутська, 11, 29016Хмельницький, Україна e-mail: a_baran@ukr.net

Досліджено вплив мікрохвильового випромінювання на кінетику деяких хімічних реакцій. Показано, що внаслідок дії мікрохвильового випромінювання на дистильовану воду швидкість окисно-відновних реакцій в її середовищі значно зростає, а швидкість реакцій гідролізу сповільнюється. Методом ІЧ-спектроскопії показано, що електромагнітна обробка води та водних розчинів призводить до послаблення енергії водневих зв'язків.

Ключові слова: мікрохвилі, магнітне поле, ІЧ-спектроскопія.

Вивченню властивостей води та водних систем після дії на них магнітного поля присвячено значну кількість праць [1-3]. Це пов'язано з теоретичною важливістю цієї теми та з практичним значенням.

Серед багатьох факторів, які негативно впливають на довкілля, є електромагнітні поля техногенного походження. До них належать телевізійні та радіолокаційні станції, рентгенівські установки тощо. Значне місце займає побутове обладнання - мікрохвильові печі, мобільні телефони, монітори персональних комп'ютерів, телевізори і т.д. Всі вони пов'язані з мікрохвильовим (надвисоко­частотним) випромінюванням. У зв'язку з цим постає проблема визначення ступеня негативної дії зазначеного фактора на живі організми та розкриття його механізму. За останні роки великих успіхів досягла мікрохвильова хімія. Було виявлено, що мікрохвильове (МХ) випромінювання здатне в десятки і сотні разів прискорювати значну кількість хімічних реакцій, спричиняти швидке об'ємне нагрівання рідких і твердих зразків, ефективно видаляти вологу з твердих, у тім числі і з високопористих речовин, модифікувати властивості різних сорбентів [4]. Реальною причиною прискорення хімічних реакцій при мікрохвильовому нагріванні вважають перегрів розчинників, адже висока швидкість мікрохвильового нагрівання призводить до цього навіть у відкритій системі. Тому було доцільно дослідити вплив МХ випромінювання на водні системи при кімнатній температурі, яка становить 20оС.

Експеримент проводили так. Дистильовану воду об'ємом 80 мл опромінювали в циліндричному резонаторі при вихідній потужності 1,5 Вт і резонансній частоті 788 МГц протягом 60 хв, що не призводило до помітного підвищення температури. Ефективність впливу мікрохвильового випромінювання на воду оцінювали за зміною швидкості деяких окисно-відновних реакцій у середовищі опроміненої води порів­няно з їх швидкістю в звичайній воді без електромагнітної обробки. Як модельні реакції ми вибрали окиснення тіоколової (ліпоєвої) кислоти йодом у присутності

© Баран Б., Голонжка В., 2005крохмалю як індикатора (I) та окиснення метанолу перманганатом калію (II). За перебігом реакції стежили вимірюванням оптичної щільності відповідних розчинів за допомогою фотоелектроколориметра КФК-2.

Для дослідження реакції (I) в мірну колбу об'ємом 50 мл вводили 1 мл 0,05 М розчину тіоколової кислоти, декілька крапель 0,2 % розчину крохмалю і доводили опроміненою або звичайною дистильованою водою (контрольний розчин) до мітки. Після цього в колбу додавали 0,5 мл 0,1 М розчину йоду. Суміш інтенсивно перемішували і потім фотометрували.

У випадку реакції (II) в аналогічну колбу вводили 1 мл метанолу, 2 мл 2,5 М розчину H2SC4, так само опроміненою або звичайною дистильованою водою доводили до мітки. Після введення 0,2 мл 0,1 М розчину KMnC4 (фіксанал) та перемішування вимірювали оптичну щільність розчину залежно від часу.

Результати дослідів засвідчили, що ефективна константа швидкості окиснення тіоколової кислоти йодом в опроміненій воді збільшилась у 2,2 раза порівняно з контрольним розчином (рис. 1), а константа швидкості окиснення метанолу перманганатом калію - в 1,8 раза.

2 4 6 8 10

і і і і і т UD

0.3

0.4

0.5

0 6

0.7-

IgD

Рис. 1. Залежність логарифму оптичної щільності розчину тіоколової кислоти при її окисненні йодом від часу реакції: 1 - контрольний розчин; 2 - після МХ опромінювання при 788 МГц

Аналогічні результати одержали при дослідженні дистильованої води після її опромінювання в побутовій мікрохвильовій печі з частотою 2,45 ГГц [5]. Потужність печі становила 400-560 Вт, тому вода одночасно нагрівалася. Однак після її охолодження до 20оС в середовищі такої води так само простежувалось значне підвищення швидкості окиснення тіоколової кислоти йодом і сповільнення швид­кості реакції гідролізу крохмалю. Після обробки води при потужності печі 560 Вт швидкість реакції гідролізу крохмалю, порівняно зі швидкістю в контрольному розчині, зменшувалася в 1,5 раза, а при потужності 400 Вт - в 1,3 раза. Це свідчить про те, що МХ випромінювання чинить на воду таку саму дію, як і електромагнітне поле низької частоти, або постійне магнітне поле з градієнтом напруженості [6, 7].

Водні системи після їх магнітної обробки значною мірою лабільні. Через пев­ний час відбувається релаксація і система повертається у вихідний стан. З огляду на це вимірювання оптичних характеристик водних розчинів пов' язано з мінімальним впливом на їхні властивості, на відміну від протонного магнітного резонансу.

ВПЛИВ МІКРОХВИЛЬОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

313

У зв'язку з цим ми провели дослідження омагнічених розчинів методом інфрачервоної спектроскопії.

Дослідження води методом ІЧ-спектроскопії пов'язано з певними труднощами. Розмитість смуг рідкої води заважає одержанню більшості спектральних характеристик. Сильне поглинання у всьому діапазоні основних коливань знижує точність вимірювань. Тому для дослідження ми вибрали, крім самої води, 0,5 н. розчини хлориду, броміду та йодиду калію. Присутність у воді таких речовин як електроліти допомагає краще спостерігати методом ІЧ-спектроскопії за змінами у воді після магнітної обробки, як це показано в [1, 8].

Магнітну обробку розчинів проводили при частоті електромагнітного поля 100 Гц та індукції 5 мТ протягом 30 хв. Така обробка призводить до суттєвих змін в електронній структурі молекул води, що проявляється у збільшенні напруги електролітичного розкладення води [9, 10].

ІЧ-спектри вимірювали на спектрофотометрі ИКС-29 з точністю визначення смуги +3 см-1.

Як показано в праці [1], внаслідок магнітної обробки молекули води мономеризуються і стають рухливішими. Це означає зменшення енергії водневих зв'язків між ними, а отже, підвищення "структурної температури" (за Дж. Берналом і Р. Фаулером [11] - це температура, при якій чиста вода має фізичні властивості, наприклад, в' язкість, густину тощо, ідентичні фізичним властивостям цього розчину). Такий висновок підтвердили термографічні дослідження омагніченої води та водних розчинів [12]. Після магнітної обробки знижується температура кипіння дистильованої води та теплота її випаровування. Зміна стану води під дією магніт­ного поля зумовлює зміну розчинності, теплот розчинення, змочування, швидкості розчинення і кристалізації речовин [13]. Отож, воду після магнітної обробки можна розглядати як дещо інший, ніж звичайна вода, розчинник, хоча і з близькими до неї властивостями.

На рис. 2 показано ІЧ-спектри води та 0,5 н. розчину KCl. Значний інтерес представляє смуга деформаційних коливань в інтервалі 1600-1700 см-1. Ця смуга до-

а

cm

) о

b cm

Рис. 2. ІЧ-спектри дистильованої води та 0,5 н. розчину KCl: а - спектр води;

б - спектр розчину KCl. 1 - контрольний розчин; 2 - омагнічений розчинсить слабко залежить від різних впливів (температура, присутність розчинених речовин), однак така залежність все таки є. При переході від вільної молекули води до льоду деформаційна частота змінюється від v = 1595 см-1 до v = 1650 см-1; в роз­чині, який містить Be2+, ця частота змінюється на 6 см-1, а в розчині з Fe3+ на -7 см-1 [14]. Детальний аналіз наших даних засвідчив, що після магнітної обробки частота цієї смуги зменшується на 15 см-1. Крім того, простежується звуження ширини напівсмуги в ділянці в інтервалі 3400-3700 см-1 після магнітної обробки. Звуження смуг в ІЧ-спектрах рідин є свідченням впорядкованості системи [14]. В такому разі причиною такої впорядкованості може бути лише зменшення енергії водневих зв' язків між молекулами води, оскільки інших факторів немає. Внаслідок цього зміщується рівновага між щільноупакованою і льодоподібною структурою води в бік щільноупакованої структури, як це показано в [13].

Як зазначено в [15], вплив водневого зв'язку на ІЧ-спектри полягає в розши­ренні смуг валентних коливань протонодонорних молекул. Інтегральні інтенсивності також помітно підвищуються, хоча задовільного пояснення цих фактів поки що немає.

Присутність у воді електролітів змінює "структурну температуру" води, що позначається на її спектральній характеристиці. Тому більше значення має природа аніона, зокрема його розміри [16]. Найбільше підвищує "структурну температуру" води КІ, відповідно, звуження спектральних напівсмуг після магнітної обробки в такому розчині найменше. В 0,5 н. розчинах галогенідів ці звуження змінюються в ряді KI < KBr < KCl. В такому порядку зменшується інтенсивність смуги деформаційних коливань у цих розчинах, відповідно, 98,0, 91,0 і 59 % від інтенсивності смуг у контрольних розчинах.

Як відомо, частота смуги поглинання залежить від енергії деформаційних чи будь-яких інших коливань атомів або окремих груп у структурі молекули. Якщо врахувати, що при переході від льоду до вільної молекули води частота деформаційних коливань зменшується на 45 см-1 [14], то зменшення цієї частоти після магнітної обробки води та водних розчинів свідчить про збільшення ступенів волі молекул води, а отже, про послаблення водневих зв' язків між ними. Це свідчить про певні зміни в електронній структурі молекули води під впливом магнітного поля. На підтвердження цього можна навести результати роботи [13], де показано, що внаслідок магнітної обробки простежується зменшення іонного добутку води на 20 -25%. Крім того, згідно з [9,10] після магнітної обробки води збільшується перена­пруга її електролітичного розкладення і на це збільшення впливає природа розчинених електролітів.

Отож, результати дослідів засвідчили, що на водні системи мікрохвильове випромінювання впливає і при кімнатній температурі, ефекти такого впливу якісно аналогічні дії низькочастотного електромагнітного поля.

1. Классен В.И. Омагничивание водных систем. М., 1982.

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

3. Jun Oshitani, Daisuke Yamada, Minoru Miahara, Ko Higashitani. Magnetic Effect on Ion-Exchange Kinetics // J. of Colloid and Interface Sc. 1999. Vol. 210. P. 1-7.

ВПЛИВ МІКРОХВИЛЬОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ..._315_

4. Бердоносов С.С., Бердоносова Д.Г., Знаменская И.В. Микроволновое излучение в химической практике // Хим. технология. 2000. № 3. С. 2-8.

5. Баран Б.А., Березюк О.Я., Покришко Г.А. Дія надвисокочастотних електро­магнітних хвиль на біохімічні процеси / Динаміка наукових досліджень. 2004. Матеріали 3-ї міжнародної конференції. Т. 34. Дніпропетровськ, 2004. С.11-13.

6. Баран Б. А. Влияние магнитного поля на кинетику химических реакций // Укр.

хим. журн. 1998. Т. 64. № 4. С. 26-29.

7. Баран Б. А. Влияние переменного магнитного поля на скорость окислительно-восстановительных реакций // Укр. хим. журн. 1999. Т. 65. № 7. С. 105- 107.

8. Ерыгин Г.Д. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных

систем. М., 1971. С.68-71.

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

10. Baran B., Berezyuk O. The Influence of Magnetic Field on Overvoltage of Water Decomposition // Chemine technologija. 2003. No 4(30). P. 37- 41.

11. Бернал Дж., Фаулер Р. Структура воды и ионных растворов // Успехи физ. наук.

1934. Т. 14. № 5. С. 586-644.

12. Баран Б.А. Швидкість хімічних процесів в попередньо омагніченій воді // Вестн. Харьк. гос. политех. ун-та. 1999. Вып. 56. С. 19-24.

13. Миненко В.И. Электромагнитная обработка воды в теплоэнергетике. Харьков,

1981.

14. Зацепина Т.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1998.

15. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. М., 1982.

16. Лук В. В сб. "Вода в полимерах". М., 1984. С.50-80.

THE INFLUENCE OF MICROWAVE RADIATION ON AQUEOUS SYSTEMS

B. Baran, V. Golonzhka

Khmelnytskiy National University, Instytuts'ka Str. 11, 29016 Khmelnytskiy, Ukraine e-mail: a_baran@ukr.net

The effect of microwave radiation on kinetics of certain chemical reactions has been investigated. It was shown that as the results of action of microwave radiation on distilled water, the rate of ox-red reactions in its milieu increases greatly and the rate of hydrolysis reactions decreases. In method of spectroscopy shows that electromagnetic treatment of water and aqueous solutions results in weakening of hydrogen bonds.

Key words: microwave, magnetic field, IR-spectroscopy.

Стаття надійшла до редколегії 01.11.2004 Прийнята до друку 04.02.2005

Страницы:
1 


Похожие статьи

Б Баран, В Голонжака - Вплив мікрохвильового випромінювання на водні системи