Комментарии к электромагнитному методу опреснения воды
(часть 2 - продолжение дискуссии)
Комментарии к электромагнитному методу опреснения воды.
По расчётам изобретателя, для превращения 1 моля воды из угловой формы молекулы в линейную необходим электромагнит с напряженностью магнитного поля 4,6 107 А/м и величиной магнитной индукции 58 Тл. Такие условия генерации магнитного поля являются очень жесткими. На сегодняшний день они находятся на самом пределе достигнутого технологией уровня управления электромагнитными взаимодействиями в сверхпроводящих магнитах. Однако, как считает изобретатель уже сегодня имеются надёжные перспективы усовершенствования этой технологии на базе достижении физики высокотемпературной сверхпроводимости.
Такая необычная вода должна кипеть не при +100 С, а при минус 80 С. Это позволило бы использовать в технологическом процессе дистилляции тепловую энергию самой морской воды и рассеянное тепло окружающей среды. С другой стороны конденсация пара в дистиллят пресной воды, при снятии магнитного воздействия с диполей её молекул, происходит за счёт обратного самопроизвольного образования водородных связей при температуре окружающей среды, что исключает какие-либо дополнительные энергетические затраты при проведении этих технологических операций.
Сегодня из-за высоких энергетических затрат стоимость получения пресной воды на лучших дистилляционных установках составляет $2,3 на 1 м3. Повышенная энергоёмкость процесса опреснения связана с тем, что вода обладает рядом аномальных физико-химических свойств – высокими значениями температуры кипения (+100 С), удельной теплоёмкости (1 кал/г.град при 15 С) и скрытой теплоты парообразования (586 кал/г при 20 С).
Эти физико-химические аномалии обусловлены строением её молекулы. Известно, что молекулы воды имеют очень простую химическую/физическую структуру - стороны угла двух атомов водорода находятся по отношению к атому кислорода под углом 104,7°. Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.
Рис. Структура молекулы воды: а) угловая; б) шаровая; в) тетраэдрическая
Из восьми электронов, составляющих внешний слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О – Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелённые электронные пары. По этой причине в молекуле воды имеется четыре полюса электрических зарядов – два положительных и два отрицательных. Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp2-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, поскольку на них создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и в свою очередь создают два отрицательных полюса.
Молекула воды является диполем (с дипольным моментом 1,84D), что придаёт ей способность ассоциироваться в более сложные агрегаты за счёт образования дополнительных водородных связей типа О…..Н.
Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.
Рис. В кристалле льда (внизу) каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас (вверху)
То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости. Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно. Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт. Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода — это не единая жидкость, а смесь компонентов-ассоциатов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.
Сейчас существует большое количество различных теорий и моделей, объясняющих структуру и свойства воды. Общим у них является представление о водородных связях как основном факторе, определяющем образование структурированных ассоциатов. Вода – это кооперативная система, в ней существуют цепные образования водородных связей. При этом всякое воздействие на воду распространяется эстафетным путем на тысячи межатомных расстояний..
Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.
Согласно расчётам, отдельный кластер воды состоит из 57 молекул воды и взаимодействует с другими кластерами за счет свободных водородных связей. Это приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. При этом свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. В обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% - это кластеры (структурированная вода).
Рис. Отдельный кластер воды
Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из отдельных молекул воды, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластеров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.
Рис. Ассоциация пяти отдельных кластеров в клатрат.
Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.
На рисунке в качестве примера приведены схемы нескольких простейших кластерных структур.
Рис. Более сложные ассоциаты кластеров
Для каждой температуры в водной системе имеет место равновесие:
Н2О <=> (Н2О)2 <=> (Н2О)3 <=> (Н2О)n
С повышением температуры равновесие смещается в сторону образования одиночных молекул, а с понижением – ассоциированных. Ассоциация молекул воды через водородные связи является причиной её аномальных свойств по показателям температуры кипения, теплоёмкости, теплоты парообразования и др, считает изобретатель. Если бы вода не была ассоциированной жидкостью, то, как мономолекулярная окись водорода, она имела бы температуру кипения около минус 80 С.
Под воздействием физического фактора, препятствующего формированию водородных связей и ассоциации молекул воды в димеры, триммеры и полимеры, вода в этой ячейке начинает переходить в парообразное состояние при температуре минус 80 С с интенсивной дистилляцией воды за счёт тепла окружающей среды. Когда пар выйдет из зоны действия этого физического фактора и войдёт в конденсатор, вода вновь приобретёт способность к ассоциации и, соответственно, начнёт конденсироваться в жидкость при температуре окружающей среды.
Лед и пар - различные агрегатные состояния воды, и поэтому логично предположить, что в жидкой промежуточной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в диапазоне между значениями в твердой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5о.
Но если это угол меняется от температуры, то, возможно он изменится и при воздействии на воду сильного электромагнитного поля?
Изобретатель В. М. Рофман считает, что посредством управления процессами электромагнитного взаимодействия можно устранить зарядовую асимметрию и угловую форму молекулы воды трансформировать в симметричную, линейную структуру, не образующую ассоциаций. Такое изменение конфигурации молекулы воды можно осуществить считает В. М. Рофман, если к её положительному и отрицательному зарядовым центрам одновременно приложить деформирующие силы, направленные противоположные стороны, используя известный физический эффект генерации сил Лоренца в постоянном магнитном поле.
При этом сам изобретатель признаётся, что никаких существенных изменений в степени ассоциации молекул воды при её магнитной обработке не происходит. При тепловом движении дипольной молекулы воды перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, вдоль оси Y (см. вектор V), будет возникать момент сил F1, F2 (сила Лоренса), пытающихся развернуть молекулу в горизонтальной плоскости. При движении молекулы в горизонтальной плоскости, вдоль оси Z , будет возникать момент сил в вертикальной плоскости. Но полюса магнита будут всегда препятствовать повороту молекулы, а следовательно и тормозить любое движение молекулы перпендикулярно линиям магнитного поля. Таким образом, в молекуле воды, помещённой между двумя полюсами магнита остаётся только одна степень свободы – это колебание вдоль оси X - силовых линий приложенного магнитного поля. По всем остальным координатам движение молекул воды будет тормозиться. Таким образом, молекула воды становится как бы "зажатой" между полюсами магнита, совершая лишь колебательные движения относительно оси X.
Из этих рассуждений видно, что изменить структуру молекулы сила Лоренца никак не может, а действует она исключительно на движущуюся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля молекулу. Когда мы говорим об ассоциации молекул воды, эти физические апелляции к силе Лоренца вообще лишены всякого смысла и абсурдны. Тем более абсурдны выводы о том, что сила Лоренца растягивает молекулу. Поскольку сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости движения молекулы, она не создаёт работы и не изменяет энергии заряженной частицы. Она только изменяет направление её движения – отклоняет её с её траектории, ни каким образом не изменяя её энергии и тем более она не может вызвать молекулярные перестройки.
Однако, как считает изобретатель, если заряды диполей воды сориентировать внешним электрическим полем строго регулярно, под углом 90 относительно вектора магнитной индукции, то можно получить необходимый эффект резкого снижения степени ассоциации в водной среде. Хотя совершенно непонятно каким образом это можно достигнуть? Ведь сила Лоренца не способна изменить ни энергию ни структуру молекулы и тем более вызвать перераспределению внутренней энергии между различными видами химических связей - ковалентной и водородной.
Если даже допустить, что при наложении сильного электромагнитного поля на движущиеся диполи молекул воды в электромагнитной ячейке будет происходить генерация собственных электромагнитных полей и наложение - супериндукция поля в результате чего валентный угол в молекуле будет меняться так, что теоретически могут образовываться молекулы с различными валентными углами, то всё равно это изменение валентного угла будет чрезвычайно малым и непостоянным. А эффект изменения валентного угла будет таким незначительным, что это не будет оказывать влияние на свойства воды. И совершенно непонятно, как такое малое изменение валентного угла скажется на ассоциативность молекулы. Например, в самой ассоциативной структуре твёрдой воды – кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии воды, где вода присутвует в виде отдельных молекул валентный угол составляет 104,5о, т.е. происходит уменьшение на 5 градусов. Но это уменьшение во первых непостоянное, стоит воде вновь сконденсироваться в жидкость – валентный угол становится приблизительно равным 106о, т.е. увеличивается на несколько градусов и когда вода кристаллизуется в лёд он становится опять близок к правильному тетраэдр, т.е. 109,5о. Но представление о молекуле воды как о линейной структуре для химика – полнейший абсурд, поскольку как известно именно такое строение молекулы воды обусловлено электростатическими силами притяжения и отталкивания между двумя положительно заряжёнными атомами водорода и отрицательно заряженной неподелённой парой атома кислорода. Именно эта свободная пара электронов и разворачивает молекулу в пространстве.
Таким образом, эта антинаучная модель совершенно не объясняет каким образом под воздействием электромагнитного поля и воздействии силы Лоренца происходят такие существенные внутримолекулярные изменения, какие эти изменения и скажутся ли они или нет на структуре молекулы и её способности к ассоциации.
К.х.н. О. В. Мосин