Продолжение дискуссии
об электромагнитном опреснении воды
(часть 3)

Начало дискуссии здесь:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ (часть 1)

Комментарии к электромагнитному методу опреснения воды (часть 2)


Рофман Владимир Моисеевич, ответ О.Мосину

Уважаемый Олег Викторович!

С интересом ознакомился с Вашими комментариями на сайте "Всё о воде" (/article/planetwa/oprecnenie/) к моей статье "О возможности электромагнитного опреснения воды". Спасибо за публикацию достаточно подробного изложения содержания этой статьи и проделанную критическую работу!

Если я Вас правильно понял, Вы считаете физику изменения геометрии молекулы воды по этому методу опреснения невозможной, поскольку:

1. 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 Х - 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 Х+. Из этих рассуждений видно, что изменить структуру молекулы сила Лоренца никак не может...".

2. "Если даже допустить, что при наложении сильного электромагнитного поля на движущиеся диполи молекул воды в электромагнитной ячейке 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 влияния на свойства воды. +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 заряженными атомами водорода и отрицательно заряженной неподелённой парой атома кислорода. Именно эта свободная пара электронов и разворачивает молекулу в пространстве".

Я считаю совершенно бесперспективным делом опровергать Ваши рассуждения по первому пункту какими-то дополнительными рассуждениями сверх тех, что уже изложены в моей статье и более подробном отчёте (см. вложенный файл). Словами вообще ничего невозможно ни доказать, ни опровергнуть, поскольку критерием истины является только практика - человеческая чувственная деятельность. А с практической демонстрацией возможности технологии опреснения воды, основанной на эффекте электромагнитного снятия аномальных физико-химических ограничений, накладываемых на процесс дистилляции воды её водородными связями, действительно существуют громадные организационно-технические сложности:

Страны - потенциальные потребители опреснённой воды, расположены, как правило, в пустынных и полупустынных районах Земного шара - в Африке, Австралии, Средней Азии и на Ближнем Востоке. Все они не располагают современным научным и промышленным потенциалом, необходимым для разработки и освоения технологии электромагнитного опреснения. При этом, большая часть из них относится к южному поясу бедности; только Израиль, Саудовская Аравия и Австралия имеют необходимые для этого финансовые средства. 

Ключевым элементом технологии электромагнитного опреснения воды (ЭОВ) являются сверхпроводящие магниты сверхвысокой магнитной индукции (не менее 60 Тл). По данным открытой печати, магниты с магнитной индукцией 30-50 Тл успешно разрабатываются только в Национальной лаборатории сильных магнитных полей университета Флориды и изготавливаются американской фирмой "SuperPower" по заказам оборонного, ядерно-энергетического и космического ведомств США. Для повышения уровня их магнитной индукции до 300 Тл необходимы новые высокотемпературные сверхпроводники типа ReFeAsO, которые исследуются в Иране и Австралии для тех же военных целей.

Специалисты, владеющие научно-историческим методом управления процессами природы и разработавшие теорию процесса электромагнитного опреснения, рассеяны по широким просторам бывшего СССР. Их интеллектуальный потенциал не востребован, не имеет официального признания и общественной поддержки, поэтому и результаты их инициативной научной работы не могут быть реализованы в рамках сложившейся классической системы "внедрения" технических инноваций, находящейся под глухим "колпаком" академической научной экспертизы. 

Фирмы из различных стран (Россия, Израиль, Австралия, Германия, США, Саудовская Аравия), уже заявившие о своём желании стать организационными центрами "внедрения" технологии ЭОВ, не обладают для этого ни необходимыми специалистами, ни материальными средствами, ни финансовыми и организационными возможностями мирового уровня.
Но вот для предметной научной критики Вашего утверждения, что "представление о молекуле воды как о линейной структуре для химика - полнейший абсурд" и изменение геометрии молекулы воды не способно заметно изменить её физико-химические свойства, я могу привести экспериментальные доказательства, полученные группой американских учёных под руководством Александра Колесникова из Аргонской национальной лаборатории (информация об этих опытах была опубликована и на Вашем сайте: ( /article/energo/novoe coctoanie vody.htm).

Сейчас у нас пока нет доступных технологических возможностей изменить геометрию молекул воды с помощью управления физикой электромагнитных взаимодействий (поживём - увидим). Но А.Колесников смог "выпрямить" молекулы воды, поместив их в углеродные нанотрубки диаметром 1,4 нм. В этих экспериментальных условиях "выпрямление" было неполным - координатное число сократилось только с 3,8 до 1,86. Однако даже такое частичное сокращение (на 51%) привело к тому, что температура замерзания воды понизилась с 0оС до менее чем минус 265оС! Разница в 100оС, существующая между температурой кипения и замерзания воды в нормальных условиях, в нанотрубках вряд ли сохранилась из-за различных физико-химических эффектов взаимодействия молекул воды с атомами углерода нанотрубок, но если вода в нанотрубках замерзала при минус 265оС, то кипеть она в них должна в пределах минус 80 - минус 100оС, что и предсказывали в 70-х годах Карапетьянц В.Х. и Дракин С.И.

В Интернете Вы без особого труда найдёте дополнительную информацию об аналогичных экспериментах по изменению различных физико-химических свойств воды посредством изменения геометрии её молекул (из угловой в линейную) в нанотрубках. Поэтому я считаю, что данное направление исследований не такое уж "абсурдное", хотя тоже химик и даже когда-то, в молодости, тоже защитил диссертацию на степень к.х.н.

Буду очень признателен, если это моё "особое" мнение по интересующему нас с Вами вопросу Вы тоже опубликуете на своём сайте.

С уважением,

Рофман Владимир Моисеевич

orient2001@inbox.ru rofman@inbox.ru blogs.mail.ru/inbox/rofman/

Ответ О.Мосина Рофману В.М.

Уважаемый, Владимир Моисеевич!

Большое спасибо за Ваш интерес к нашему сайту о воде и Вашему комментарию, касающегося возможному опреснению воды методом электромагнитного поля.

Соглашусь с Вами, вода настолько необычное и аномальное по своим физико-химическим свойствам вещество, что вполне неудивителен тот факт, что существует множество идей, гипотез и моделей, описывающих её аномальные свойства. И как химик я прекрасно понимаю Ваши теоретические расчёты и выкладки.

Если говорить с точки зрения химии о строении молекулы воды и валентном угле Н-О-Н, следует подчеркнуть, что структура молекулы воды включает две простые связи Н—О и две неподеленные электронные пары. Поскольку атом кислорода имеет валентную электронную конфигурацию 2s22p4, можно сконструировать для молекулы воды две локализованные связи, помещая элек тронные пары на две связывающие орбитали, каждая из которых образована перекрыванием 2р-орбитали атома кислорода О и 1s-орбитали атома водорода Н. Согласно та кой модели, неподеленные электронные пары находятся на 2sи 2ру-орбиталях атома кислорода, как показано на рисунке ниже.

Рис. Простая модель образования связей в молекуле воды, в которой используются только 2p-орбитали кислорода. Согласно такой модели, валентный угол H-O-H должен быть равен 900.

Если же исходить из того факта, что основное влияние на строение молекулы оказывает отталкивание между четырьмя электронными парами, окружающими центральный атом кислорода, то следует гибридизовать 2sи три 2р-орбитали атома кислорода, что дает четыре sр3-орбитали. Тогда между атомом кислорода и двумя атомами водорода можно сконструировать две связывающие орбитали, образо ванные перекрыванием двух sp3-гибридов кислорода и 1s-орбиталей водорода. Две неподеленные электронные пары в рамках такой модели оказываются эквивалентными и занимают оставшиеся две sр3-орбитали кислорода. Эта модель элек тронного строения Н2О показана на рисунке ниже.

 

Рис. Электронное строение воды в рамках модели локализованных орбиталей, образованных с участием гибридных sp3-орбиталей кислорода. Эта модель предсказывает для угла Н-О-Н значение 109,50.

Обе эти модели приводят к правильному выводу, что молекула Н2О имеет изогнутую форму. Модель связи с перекрыванием 2ри 1s-орбиталей предсказывает, что валентный угол Н—О—Н должен быть равен 90°, тогда как модель с перекрыванием sp3 и 1s-орбиталей предсказывает для этого угла значение 109,5°. Подлинное значение валентного угла среднее между этими значениями, т.е. 1050.

 

Рис. Изогнутая молекулярная структура воды с углом Н-О-Н 1050.

При этом эксперимен тально наблюдаемый угол Н—О—Н равен 105°, что намного ближе к предсказы ваемому в рамках модели (sp3 + 1s), которая основана на требовании минимально возможного отталкивания между четырьмя электронными парами, окружающими центральный атом молекулы.

Это и понятно. Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород - кислород не прямой (90°), а немного больше - 105°. Химические связи эти полярные: кислород гораздо электроотрицательнее водорода и притягивает к себе электронные облака, образующие химические связи. При этом вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода - положительный. Поэтому и вся молекула воды тоже попадает в разряд веществ, молекулы которых представляют собой электрические диполи.

Строение молекулы воды Н2О можно также проанализировать и с помощью метода молекулярных орбиталей (МО). Ниже приведена схема молекулярных орбиталей молекулы воды (Подробнее см. Г.Грей "Электроны и химическая связь",М., изд-во "Мир", 1967, с.155-62 и G.L.Miessier, D.A.Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int.Inc., 1991, p.153-57)..

 

Рис. Схема расположения координатных осей (а) и энергетическая диаграмма орбиталей молекулы Н2О (б).

В формировании суммарной молекулярной орбитали воды принимают участие отдельные атомные орбитали водорода и кислорода, обладающие одинаковой симметрией и близкими энергиями. Однако вклад атомных орбиталей атомов водорода и кислорода в образование общей молекулярной орбитали молекулы воды разный, что отражается в разных величинах коэффициентов в соответствующих линейных комбинациях атомных орбиталей. Взаимодействие (перекрывание) 1sатомной орбитали водорода, 2sи 2рzатомной орбитали кислорода приводит к образованию 2a1-связывающей и 4a1-разрыхляющей молекулярной орбиталей.

Рис. Перекрывание 2s(а), 2px(б) и 2pя(в) орбиталей атома кислорода с 1s-орбиталями двух атомов водорода молекулы воды.

c1(2so) + c2(2pz,o) + c3(1sн) = МО(2a1)

c4 (2so) + с5 (1sн) -с6 (2pz,o) = МО(4a1) .

При этом в энергию связывающей молекулярной орбитали увеличенный вклад вносит атомная орбиталь с более низкой энергией, а в энергию разрыхляющей молекулярной орбитали - атомная орбиталь с более высокой энергией. С учетом этого с1>c2, а с5>c4 и с6. При перекрывании 2рхатомной орбитали кислорода и 1sатомной орбитали водорода образуются 1b1-связывающая и 2 b1-разрыхляющая молекулярные орбитали:

с7 (2рх,о) + с8 (1sн) = МО(1b1) (с7>c8)

с9 (2рх,о) - с10 (1sн) = МО(2b1) (с9>c10).

zатомная орбиталь кислорода и 1sатомная орбиталь водорода образуют также 3a1 - практически несвязывающую молекулярную орбиталь.

с11 (2pz) + с12 (1sн) = МО(3a1) ,

так как с11>c12 из-за слабого перекрывания атомных орбиталей. 2py -орбиталь кислорода расположена перпендикулярно плоскости xz, по условиям симметрии не перекрывается с 1s-орбиталями атома водорода и поэтому дает 1b2 несвязывающую орбиталь.

Взаимодействие 4-х атомных орбиталей кислорода (2s-, 2рх-, 2py, 2pz) и двух 1s-орбиталей атомов водорода приводит к образованию шести молекулярных орбиталей: двух связывающих (2а1 и 1b1), двух несвязывающих (3а1 и 1b2) и двух разрыхляющих (4а1 и 2b1). 8 электронов атомов водорода и кислорода размещаются попарно на двух связывающих и двух несвязывающих орбиталях.

Из этих данных и умозаключений можно сделать следующие выводы.

1. Молекула Н2О диамагнитна.

2. Электроны на связывающих 2а1 и 1b1 орбиталях обеспечивают связи ОН, а на несвязывающих (3а1 и 1b2) орбиталях соответствуют свободным электронным парам в молекуле Н2О, как это описывается в рамках метода валентных связей.

3. Принципиальным отличием метода молекулярных орбиталей от метода валентных связей является разная энергия ионизации занятых молекулярных орбиталей, составляющая (в эВ) 27.3 (2а1), 16.2 (1b1), 14.5 (3а1) и 12.6 (1b2), соответственно.

4. Метод молекулярных связей (в отличие от метода валентных связей) позволяет оценить разницу в энергиях молекулярных орбиталей. В частности, существенным является различие в энергии двух несвязывающих орбиталей 3а1 и 1b2. Это связано с различной природой орбиталей - 1b2 локализована на атоме кислорода, тогда как 3а1 образована с участием атомной орбитали водорода и кислорода и не является локализованной.

5. Локализация электронов на 1b2 молекулярной орбитали приводит к тому, что отрицательный заряд в молекуле Н2О сосредоточен вблизи атома кислорода, а положительный - вблизи атомов водорода. Таким образом, молекула Н2О оказывается полярной (дипольный момент = l. q = 1.84D). Это соответствует и простым соображениям электроотрицательности: связывающие электроны смещаются к более электроотрицательному атому.

6. Так как у молекулы Н2О в образовании связей принимают в основном участие 2р-орбитали кислорода и 1s-орбитали водорода, то можно ожидать, что угол НО- Н должен быть близким к 90о. Однако из эксперимента следует, что этот угол равен 105о. Причина такого различия заключается в том, что этот угол соответствует минимуму энергии. Согласно квантово-механическим расчетам, энергия молекулы зависит не только от энергии молекулярных орбиталей и числа электронов на них, но и от валентного угла НО- Н. В приближении метода валентных связей увеличение угла НО- Н от 90о (характерного для взаимодействия р-орбиталей) до 105о связано с взаимным отталкиванием положительно заряженных атомов водорода.

Самый правильный, близкий к тетраэдру, валентный угол Н-О-Н в кристалле льда. Он составляет 109,5о.

Рис. справа - Структура льда.

Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. Если лед нагреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, — поэтому вода тяжелее льда.

Но при таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. Так что в воде он становится равным приблизительно 1060.

Рис. При таянии льда его тетрагональная структура разрушается и образуется смесь кластеров, состоящая из три-, тетра-, пентаи гексамеров воды и свободных молекул воды. В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10-12 секунд.

При последующем нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5о.

Можно ли изменить этот валентный угол Н-О-Н если наложить на молекулы воды сильное электромагнитное поле? Да, конечное, можно. Как это известно из курса физики заряженная частица, движущаяся ускоренно в однородном магнитном поле неминуемо будет образовывать вокруг себя в пространстве переменное электромагнитное поле. Именно поэтому всякий ускоренно движущийся заряженный объект излучает электрическое поле. При этом возможно наложение собственного генерируемого поля молекул воды с внешним электромагнитным полем, в результате чего безусловно могут происходить различные эффекты, связанные с некоторым изменением валентных углов Н-О-Н в молекулах воды, о чём я и писал в своём комментарии. Этот вывод не противоречит теории электродинамики и согласуется с теорией волновой механики.

Но если даже допустить, что при наложении сильного электромагнитного поля на движущиеся диполи молекул воды в электромагнитной ячейке будет происходить генерация молекулами воды собственных электромагнитных полей и наложение - супериндукция поля в результате чего валентный угол в молекуле воды будет меняться (пульсировать) так, что теоретически могут образовываться молекулы воды с различными валентными углами Н-О-Н. Но, несмотря на это изменение валентного угла будет чрезвычайно малым и непостоянным и будет сильно зависеть как от напряжённости поля так и от времени. Думается при этом эффект изменения валентного угла Н-О-Н будет таким незначительным и непермаментным и сильно зависеть от внешних условий, что это не будет оказывать существенного влияния на свойства и структуру воды. Иными словами я сомневаюсь, что это изменение валентного угла в молекуле Н-О-Н при воздействии на неё электромагнитного поля будет таким большим, как предсказываете Вы. В лучшем случае величина валентного угла думаю будет варьировать на уровне 1-2 градусов, возможно, чуть больше. При этом, вряд ли этот эффект изменения валентного угла эффект будет таким стабильным, как предсказывает ваша гипотеза, поскольку по всей вероятности, при наложении внешнего электромагнитного поля на электромагнитное поле молекулы воды будут образовываться молекулы воды с различными валентными углами Н-О-Н, так что можно предположить некую пульсацию этого валентного угла во времени. И этот эффект будет непостоянным во времени.

Кроме того, совершенно не понятно как сила Лоренца, возникаемая при движении заряжённой частицы перпендикулярно линиям магнитного поля может развернуть молекулу воды, сделав её линейной. Ведь как Вы сами справедливо заметили никакой работы сила Лоренца не совершает, лишь разворачивая заряжённую частицу в горизонтальной плоскости, а величина её зависит от напряжённости, величины электрического заряда и его скорости движения. Если заряжённая частица не движется вовсе, то никакой силы Лоренца на неё вообще не будет действовать. В этом плане можно рассматривать эффект этой силы как релятивистский эффект, но не более этого.

Также не совсем понятно, как такое изменение валентного угла скажется на способность молекулы воды к ассоциации. Как я уже говорил, 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.

Таким образом, слабым пунктом этой гипотезы остаётся неправомерная на мой взгляд апелляция к силе Лоренца как к движущейся силе, способной изменить структуру молекулы. Действительно, не совсем понятно как с помощью силы Лоренца можно достичь таких существенных изменений значений валентного угла в молекуле воды, насколько постоянны такие изменения и скажутся ли они или нет на способности молекул воды к ассоциации.

В качестве альтернативы вашей интересной гипотезе предлагаю свой принципиально иной способ изменения валентного угла Н-О-Н в молекулах воды. Для этого надо собрать молекулы воды в цепочку, например, в результате воздействия магнитным полем и затем раскрутить эту цепочку вращением. Тогда валентный угол в молекулах воды увеличится за счёт кручения. Однако, как раскрутить такой структурированный конгломерат молекул как можно с большей скоростью – остаётся загадкой. Но, собственно, для этого и создана наука и научная деятельность, чтобы решать эти загадки и получать ответы на самые интересные вопросы.

С уважением и благодарностью,

К.х.н. О.В. Мосин