исследование спектров комбинационного рассеяния воды в

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ КОМБИНАЦИОННОГО
РАССЕЯНИЯ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ПЕРЕМЕННОГО ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО
ПОТЕНЦИАЛА
А.В. Иванов, кандидат технических наук;
Е.Н. Кадочникова, кандидат технических наук.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России.
А.С. Плотникова.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)
Приведены исследования воды в условиях воздействия переменного частотномодулированного потенциала методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Сделано
предположение, что интенсивность спектров воды возрастает вследствие изменения
надмолекулярной структуры вещества.
Ключевые слова: вода, спектроскопия комбинационного рассеяния, переменный
частотно-модулированный потенциал
RESEARCH OF THE RAMAN SPECTRA OF WATER UNDER CONDITIONS
OF VARIABLE FREQUENCY MODULATED POTENTIAL
A.V. Ivanov; E.N. Kadochnikova.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia.
A.S. Plotnikova. Saint-Petersburg state technology institute (technical university)
Research shows water in conditions of variable frequency modulated potential Raman
spectroscopy. Been suggested that the intensity of the spectra of the water increases due to changes
in the supramolecular structure of water.
Keywords: water, Raman spectroscopy, variable frequency modulated potential
Вода является одним из основных огнетушащим веществом (ОТВ), применяющимся
при пожаротушении и защите от воздействия опасных факторов пожара. Существует
большое количество способов повышения эффективности ОТВ, в том числе и воздействие
на надмолекулярную структуру воды электрическими полями низкой частоты.
В работе [1] приведены сведения о повышении огнетушащей эффективности
тонкораспыленной воды в условиях воздействия переменного частотно-модулированного
потенциала (ПЧМП) [2]. Показано, что время тушения модельного очага пожара класса «А»
сокращается на 10 % в сравнении с контрольными испытаниями (рис. 1).
Также приведены сведения о повышении эффективности осаждения дисперсной фазы
дыма, распыленной водой, в условиях воздействия ПЧМП на 24 %, эффективности
нейтрализации угарного газа на 12 % [3]. При этом наблюдалось уменьшение размера
среднего диаметра капель на 21–27 % (рис. 2).
Изменение огнетушащих и дымоосаждающих свойств может быть объяснено
воздействием ПЧМП на надмолекулярную структуру групп молекул воды. Молекулы воды
обладают выраженной полярностью с разветвленными водородными связями [4]. На рис. 3
представлена модель (Попла) структуры водородных связей молекул воды.
45
Рис. 1. Время тушения модельного очага пожара класса «А» в условиях воздействия ПЧМП
Рис. 2. Гистограмма распределения диаметров капель в условиях воздействия ПЧМП
Структуры жидкости с повышенным содержанием водородных связей называются
кластерами. Особенности структурного строения воды и ее метастабильность позволяют
последней откликаться на различные воздействия, в том числе и электрического поля. При
этом возможна переориентация молекул воды и изменение кластерных структур, что может
быть зафиксировано при исследовании вещества методом спектроскопии комбинированного
рассеяния (КР-спектроскопии) [5].
46
Рис. 3. Модель Попла водородных связей молекул воды
При воздействии ПЧМП происходит увеличение интенсивности КР-спектра
дистиллированной воды (рис. 4) в диапазоне 100–300 см-1 и 3000–4000 см-1 (рис. 5) в среднем
в 2,5 раза. Исследования проводились на установке «Ntegra Spectra» лазером с длиной волны
473 nm, с одинаковым временем накопления 10 сек., в условиях обработки воды ПЧМП
с частотой 160 Гц.
Рис. 4. Увеличение интенсивности КР-спектра воды в диапазоне 100–300 см-1 в условиях
воздействия ПЧМП
Кроме того, наблюдалось изменение интенсивности КР-спектров воды в зависимости
от времени обработки ПЧМП. Снятие КР-спектров производилось в условиях постоянного
воздействия ПЧМП на исследуемые образцы водой. На рис. 6 приведены данные
об изменении интенсивности КР-спектров при воздействии ПЧМП на структуру воды
в течение 9 мин. Исследования проводились на установке «Ntegra Spectra» лазером с длиной
волны 532 nm, с одинаковым временем накопления 5 сек., в условиях обработки воды ПЧМП
с частотой 160 Гц в интервале 1–9 мин.
47
Из рис. 6 видно, что интенсивность КР-спектров возрастает в зависимости от времени
воздействия ПЧМП.
Рис. 5. Изменение интенсивности КР-спектра воды в диапазоне 3000–4000 см-1 в условиях
воздействия ПЧМП
Рис. 6. Изменение интенсивности КР-спектра воды в диапазоне 100–4400 см-1 в зависимости
от времени воздействия ПЧМП (в интервале 1–9 мин)
В работе [6] приводятся сведения о характерных областях спектров кластеров:
до 1000 см-1 – межмолекулярные колебания кластеров; ~ 1600–1680 см-1 – деформационные
колебания; ~ 3000–3750 см-1 – валентные колебания.
При трансляционных колебаниях молекула воды колеблется относительно центра
ее тяжести как единое целое продольно вдоль осей связей. При этом длина связей
O-H и валентный угол H-O-H остается неизменным.
48
При либрационных колебаниях молекула совершает вращательные (крутильные)
колебания как единое целое поперечно относительно собственных осей молекулы вокруг
осей связей при неизменности положения ее центра тяжести. В этом случае смещаются
только легкие атомы водорода, а кислород остается неподвижным. Для молекулы воды
либрационным колебаниям соответствует поворот молекулы вокруг иона кислорода.
При
внутримолекулярных
колебаниях
происходит
изменение
величины
внутримолекулярных расстояний и углов. К внутримолекулярным колебаниям относятся
валентные и деформационные колебания [7, 8]. Трансляционные, либрационные
и внутримолекулярные колебания молекул воды происходят в широком диапазоне
частот и находятся, соответственно, в диапазонах 100…230 см–1, 400…750 см–1
и 1500…4000 см–1 [4].
Система уравнений, описывающих упругие валентные колебания молекул воды,
в интервале имеет вид [9]:
,
где α – валентный угол молекулы воды; ω201 и ω202 – собственные частоты связей молекулы
воды; m – масса иона водорода; µ1, µ2 – дипольные моменты каждой из связей OH.
Математическая модель упругих деформационных колебаний молекул воды
имеет вид [9]:
.
Дипольные моменты связей OH:
,
где E – напряженность эффективного поля, действующая внутри поляризованной молекулы
воды; ω03, ω04 – индуцированные дипольные моменты каждой из связей OH молекулы воды;
b3, b4 – масса иона водорода; µ0 – собственный дипольный момент связи молекулы Н2О;
Θ1, Θ2 – угловые смещения каждой из связей ОН; α, β – углы между связями
в молекуле воды.
Интенсивность линий вынужденного комбинационного рассеяния зависит
от интенсивности возбуждающей линии и количества молекул в рассеиваемом объеме
вещества:
,
где ω' – частота фотонов возбуждающего света; α – поляризуемость молекулы;
I – интенсивность возбуждающей линии; N – число рассеивающих молекул, N=N0·dx;
N0 – число молекул в единице объема; dx – толщина рассеивающего слоя.
Можно предположить, что рост интенсивности КР-спектров воды в диапазонах
100–300 см-1 и 3000–4000 см-1 происходит вследствие изменения надмолекулярной
структуры вещества в условиях воздействия переменного электрического поля. В работе [10]
49
приведены сведения о росте интенсивности КР-спектров воды при воздействии на нее
магнитных полей. Рост интенсивности спектров для намагниченной воды составил 3,5 раза
в сравнении с контрольными образцами. Полученный эффект объясняется изменением
колебаний молекул, перемещений и возбуждений атомов и переходами электронов в атомах
воды. При этом отмечается изменение силы поверхностного натяжения воды, находившейся
во внешнем поле. В работе [11] отмечается изменение физических свойств воды
(плотности, динамической вязкости, времени испарения и др.) в зависимости от времени
воздействия ПЧМП.
Таким образом, в результате исследования КР-спектров воды в условиях воздействия
ПЧМП можно сделать следующие выводы:
– изменение огнетушащих и дымоосаждающих свойств воды в условиях воздействия
ПЧМП связано с изменением ее надмолекулярной структуры, что подтверждается
изменением интенсивности КР-спектров воды в интервалах трансляционных, либрационных
и внутримолекулярных колебаний;
– интенсивность КР-спектров воды возрастает при увеличении времени воздействия
ПЧМП на 10–25 %;
– полученный результат дает основания предположить вероятность изменения
КР-спектров веществ материалов при воздействии ПЧМП, в состав которых входит вода.
Литература
1. Анашечкин А.Д. Повышение эффективности огнетушащих и дезактивирующих
составов на основе воды для морского и речного транспорта: автореф. дис. … канд. техн.
наук. СПб., 2006.
2. Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе
и на границе раздела фаз: пат. 2479005 Рос. Федерации. URL: http://
www.freepatent.ru/patents/2479005 (дата обращения: 11.10.2014).
3. Степанов В.П. Минимизация задымленности в строительных объемах зданий
и
сооружений
методами
конденсационного
улавливания
и
диспергирования
электрофизически модифицированной воды: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2007.
4. Малафаев Н.Т. О взаимодействиях и динамике молекул в чистой воде // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. 2011. № 4/8 (52).
5. Структура и свойства воды, облученной СВЧ излучением / В.Ф. Мышкин [и др.] //
Научный журнал КубГАУ. 2012. № 81 (07).
6. Карговский А.В. Структуры и оптические спектры водных кластеров: автореф.
дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 2006.
7. Тюрина С.Ю. Систематизированные модели упругих видов поляризации молекулы
воды: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Благовещенск, 2007.
8. Костюков Н.С., Еремина В.В. Волновая теория диэлектриков. М.: ПКИ Зея, 2012.
9. Еремина В.В., Костюков Н.С., Тюрина С.Ю. Модификация математической модели
ионной поляризации молекулы воды // Моделирование систем. 2006. № 1 (11).
10. Pang XiaoFeng, Deng Bo. Investigation of changes in properties of water under
the action of a magnetic field. Sci China Ser G-Phys Mech Astron. Nov. 2008. No. 11. Vol. 51.
11. О влиянии переменного частотно-модулируемого сигнала на изменение физикохимических свойств воды / Е.Г. Митюгова [и др.] // Известия СПб гос. технологич. ин-та
(технич. ун-та). 2012. № 16 (42).
50