CC BY
25Моделирование гидратных оболочек растворенных в воде
нанопузырьков газов
Д.Л. Тытик
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, 119991 Москва, Ленинский проспект, 31 e-mail: [email protected]
Газовые нанопузырьки в водных растворах давно и успешно регистрируются с помощью приборов высокого разрешения [1,2]. В настоящее время наиболее разработанной теорией формирования нанопузырьков в водных растворах является модель бабстонов [3], связывающая их стабильность с адсорбцией ионов на межфазной границе вода-газ.
Рассмотрены структурные модели стабильных оболочек связанной воды морфологически подобные икосаэдру и полостям-многогранникам в водных клатратных каркасах (додекаэдр, многогранники Aллена). Обсуждена возможность применения структур связанной воды для моделирования строения межфазной области, микрогетерогенных свойств водных систем при растворении в воде атмосферных газов.
Используя молекулярное представление о строении объемной воды (модель сетки водородных связей [4] и упругой сетки водородных связей [5]), можно заключить, что газы диффундируют внутрь объема по системе дефектов сетки водородных связей. В процессе растворения газа в воде конкурируют два основных фактора - давление атмосферы на границе газ-вода, обусловливающее диффузию газов, и обратный процесс - выталкивание молекул газа из упругой сетки водородных связей (УСВС) из-за гидрофобного (сольвофобного) эффекта. Это, по-видимому, приводит к молекулярным процессам, формирующим некоторый оптимум, когда избыточное локальное напряжение в УСВС может компенсироваться слиянием, например, газогидратных оболочек и формированием более крупных полостей - нанопузырьков («стоки напряжений» в УСВС). Стабильность нанопузырьков, в основном, определяется постоянным действием градиента химического потенциала между фазой объемной воды (УСВС) и газовой фазой внутри пузырька. Действие этого фактора приводит к структурированию части молекул УСВС и формированию стабильной («напряженной») межфазной области (модель поверхностного слоя воды НА.Бульёнкова [б]) с избыточной свободной энергией. Состав квазиравновесной нанопузырьковой фазы в воде зависит от многих физико-химических параметров - давления атмосферы, температуры, pH раствора, механического воздействия (перемешивание/встряхивание) и ряда других. Если принять концентрацию нанопузырьков примерно 109 1/мл [7], а средний их размер 150 нм, то внутренняя поверхность нанопузырьков составит примерно 3000 см2/л. Таким образом, регулируя состав нанопузырьковой фазы, можно в определенной мере управлять, например, адсорбционными свойствами водных растворов.
Работа частично выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-03-00б9б).
[1] Н.Ф. Бункин, О.И. Виноградова, A.^ Куклин, A3. Лобеев, Т.Г. Мовчан, К вопросу о наличии воздушных субмикропузырей в воде: эксперимент по малоугловому рассеянию нейтронов, Письма в ЖЭТФ, том б2 (8), стр. б59-бб2 (1995).
[2] Д.Л. Тытик, CA. Бусев, В.В. Высоцкий, A.A. Ревина, О.В. Суворова, В.И. Кузьмин, A^. Гадзаов, Эффект рассеяния ультрафиолетового излучения деионизованной водой, Журнал физической химии, том 93, № 12, стр. 18б5-18б9, (2019).
[3] Н.Ф. Бункин, Ф.В. Бункин, Бабстонная структура воды и водных растворов электролитов, УФН, том 18б, №9. стр.933-952, (201б).
[4] A. Geiger, H.E. Stanley, Tests of universality of percolation exponents for a three-dimensional continuum system of interacting waterlike particles, Physical Review Letters vol. 49(2б), p.1895-1898, (1982).
[5] M. Rodnikova, J. Barthel, Elasticity of the spatial network of hydrogen bonds in liquids and solutions, Journal of Molecular Liquids, vol. 131-132, p. 121-123, (2007).
[6] НА. Бульенков, E.A. Желиговская, Функциональная модульная динамическая модель поверхностного слоя воды, Журнал физической химии, том 80, № 10, стр. 1784-1805, (200б).
[7] T. Fujita. The status and future of fine bubble generation, measurements and applications, 7th International Symposium of Fine Bubble Technology, Sydney, Australia, July 25, 201б, (201б).
