Даже самая чистая вода не является гомогенной субстанцией, совокупностью слабо ассоциированных друг с другом молекул воды, а представляет собой сложную гетерогенную систему. Во-первых, жидкая вода всегда содержится в каком-либо сосуде, где часть воды контактирует с его стенками, с поверхностно раздела вода-воздух, тогда как другая часть воды, «объемная вода», удалена от стенок сосуда. Недавно выяснилось, что вода, контактирующая со стенками или газовой фазой, так называемая пограничная вода, отличается по многим своим свойствам от «объемной» воды. Кроме того, любая вода всегда содержит неводные компоненты. Это могут быть растворенные в воде молекулы и ионы, газовые пузырьки разных размеров, включая практически невидимые-нано-пузырьки, наночастицы различной химической природы. Как показываютисследования последних лет, эти примеси, в частности, наночастицы могут существенно влиять на физические и химические свойства воды даже в исчезающе малых количествах.Пограничная вода, формирующаяся у границ раздела воды со стенками сосуда и газовыми фазами, вода, гидратирующая присутствующие в воде примеси, может составлять заметную часть от всей воды в данной водной системе. Пограничная вода организованна, в определенном смысле структурирована. Однако в отличие от жестко структурированного льда, пограничная вода остается жидкой и проявляет свойства жидко-кристалличности.
Этим она отличается и ото льда, и от воды, с которой она непосредственно контактирует — от значительно более аморфной «объемной» воды.Фундаментальным свойством водных систем, в которых сосуществуют организованная, жидко-кристаллическая вода и аморфная вода является наличие разности электрических потенциалов между ними, которая может достигать долей вольт. При этом жидко-кристаллическая вода, прилегающая к гидрофильным поверхностям, имеющая в ряде случаев толщину в десятки и сотни микрон, как правило, заряжена отрицательно, т.е. имеет избыток электронов. Оказалось, однако, что и «объемная» вода, находящаяся на значительном расстоянии от границ раздела воды со стенками и границей раздела вода-воздух, может быть весьма неоднородной. Так, в весьма чистой «объемной» воде,полученной путем сильного разведения сверх-чистой водой солевого раствора, присутствуют стабильные отрицательно заряженные водные кластеры размерами от десятков нанометров до многих микрон. Такие кластеры можно выделить из воды, т.к. они не испаряются в течение длительного времени даже в тепле. Таким образом, и «объемная» вода может быть, по существу, суспензией, в которой сосуществуют два типа водных структур. Одна из этих структур представляет собой организованную жидкокристаллическую фазу, а другая — аморфную воду. Это значит, что «реальная» вода,— это крайне неравновесная система, в которой между разными водными фазами всегда существуют электрические и другие градиенты. Итак, организованная водная фаза является потенциальным донором электронов, т.е., восстановителем.
Поскольку она обладает свойствами жидкого кристалла, она служит плохим растворителем даже для тех веществ, которые хорошо растворяются в воде. Эти вещества должны быть растворены в аморфной воде. Если в водной системе создаются условия для тока электронов из отрицательно заряженной водной фазы на акцепторы электронов, присутствующие в аморфной воде, потенциальная энергия, запасенная в электрических градиентах, может превратиться в свободную энергию. Последняя можетбыть использована для выполнения той или работы как внутри водной системы, так и вне ее. В любой воде всегда присутствует растворенный кислород, являющийся универсальным окислителем. Поэтому в любой воде может, в принципе, осуществляться окисление жидко-кристаллической воды кислородом. Окисление кислородом воды, как окисление им любого другого горючего — это процесс, при котором электроны (атомы водорода) переносятся с окисляемого вещества, в данном случае — воды,на окислитель-кислород, который при этомвосстанавливается до молекул воды: 2H2O+ 02→ (АФК: О2 •, Н2О • , Н2О2 и др.) → O2+ 2Н20+ n*hv В ходепоследовательноговосстановления кислорода электронами образуются промежуточные мало устойчивые, короткоживущие соединения, обладающие высокой химической активностью. Эти продукты представляют собой свободные радикалы, перекиси, и в совокупности их называют «активные формы кислорода» (АФК).
В реакциях с участием АФК освобождаются крупные порции (кванты) энергии, которые эквивалентны квантам ближнего инфракрасного, видимого и даже УФ-света. Последовательное присоединение к молекуле кислорода четырех атомов водорода, по ходу которого появляются и исчезают АФК, — это его полное восстановление до двух молекул воды. При этом на каждую восстановленную молекулу кислорода освобождается в общей сложности 8 электрон-вольт энергии. Такая реакция может осуществляться только в системе, в которой сосуществуют служащая донором электронов организованная, (низкоэнтропийная) водная фаза — жидко-кристаллическая вода (Н>0 в левой части уравнения), и служащая растворителем для кислорода и высокоэнтропийная вода (Н20 в правой части уравнения), в которой растворен кислород и которая обогащена протонам, нейтрализующими электроны. Энергия, таким образом, освобождается за счет разрушения организованной воды и увеличения энтропии в системе. Если условия для регенерации жидко-кристаллической воды при ее горении сохраняются, то процесс приобретает циклический характер. Однако обычный молекулярный кислород весьма инертен, и чтобы процесс окисления воды стал осуществляться эффективно, требуется приток энергии активации, например, в виде освещения, и/или присутствие катализаторов, снижающих энергетический барьер для горения воды. Роль такого рода катализаторов могут играть присутствующие в воде различные формы углекислоты (СО2 ↔ Н2СО3 ↔ HCO3↔СО3 ). С одной стороны, они способствуют дополнительному структурированию воды, увеличивая разность потенциалов между двумя фазами, с другой — катализируют окисление воды благодаря своей способности участвовать в свободно-радикальных реакциях.
Так, в присутствии подходящих доноров электронов, одноэлектронное восстановление СО2 до анион-радикала двуокиси углерода (СО2 •) является термодинамически выгодным. Этот радикал является сильным восстановителем, и он может восстанавливать кислород, выступая в роли «челнока» между водной фазой, служащей донором электронов и присутствующим в воде кислородом. С другой стороны, один из продуктов одноэлектронного окисления воды — гидроксил-радикал (HO•), легко окисляет бикарбонатный анион до карбонат-анион радикала (СО3•) , Последний способствует окислению воды и перекиси водорода. Возникает сеть сопряженных и стабилизирующих друг друга окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых генерируется энергия электронного возбуждения. Все эти процессы имеют циклический характер, и при их протекании в замкнутой системе не происходит расходования реагентов — воды, кислорода и углекислоты. Реакции с участием АФК и активных форм углекислоты сопровождаются выделением энергии высокой плотности световых фотонов, и если «горение» воды, действительно, имеет место, то оно должно сопровождаться появлением излучения большей или меньшей интенсивности.
Интенсивность протекающих в воде окислительно-восстановительных процессов, определяющая то, что мы далее будем называть АКТИВНОСТЬЮ воды, может варьировать в очень широких пределах. Она зависит от ее солевого состава, наличия в воде наночастиц и нанопузырьков газов, структурирующих водную систему, от механического и электромагнитного воздействия на нее. активность воды можно выявить при внесении в воду доноров электронов (например, солей двух валентного железа, в частности, FeSO4). Электроны, привносимые Fe(II), рекомбинируют с неспаренными электронами присутствующих в воде АФК. При этих реакциях освобождаются порции энергии, эквивалентные фотонам видимого света. Энергия электронного возбуждения может в той или иной степени реализоваться в виде фотонов, излучаемых активной водой, или же расходуется на активацию присутствующего в воде кислорода, способствуя дальнейшему «разжиганию» процесса. Индуцированные железом вспышки излучения можно наблюдать с использованием чувствительных детекторов фотонов. Если интенсивность вспышки мала, то при добавлении в воду сенсибилизаторов флуоресценции, таких как Люминол, интенсивность вспышки многократно возрастает. Большинство природных вод, в частности, артезианских, содержат гидрокарбонаты, и в них должны непрерывно протекать кислород-зависимые окислительно-восстановительные процессы. Однако интенсивность этих процессов может сильно отличаться в разных водах, имеющих не только разных химическии состав, но и разные структурные особенности, определяемые,например наличием в них нанопузырьков газов, наночастиц разной природы и разной степени устойчивости, предысторией водной системы, например воздействием на нее механических, магнитных, электромагнитных полей.
Для измерений использовали бикарбонатные водные растворы, полученные растворением бикарбоната натрия (ХаНСОз) в деионизированной воде до концентраций 5 и 10 мМ, и воды Биовита, Шишкин лес, Vittel, Архыз и АкваМинерале из 1,5-литровых пластиковых бутылок. Образцы вод (10 мл) заливали в 15-мл флаконы из темного стекла, и хранили в темной комнате, закрывотверстия от попадания пыли фильтровальной бумагой или алюминиевой фольгой. Исходный препарат НуГп, (C60, FWS — FWS14, концентрация HyFn — 20 мкМ), полученный по методике Г.В. Андриевского, был приобретен в Институте физиологически активных соединений (IPAC), Харьков, Украина. Сухой препарат фуллеренола был получен от заказчика. Для получения растворов с малыми или сверх-малыми концентрациями действующих агентов исходно делализапасные растворы в деионизированной воде HyFn или фуллеренолов, в концентрациях по 1 мкМ. Из этих растворов путем последовательного десятичного или сотенного разведения в деионизированной воде делали растворы с соответствующими расчетными концентрациями. Раствор с каждым последовательнымразведением выдерживали перед тем, как делать из него следующее разведение, в течение 40 мин.
Затем из растворов с соответствующими разведениями брали по 100 мкл жидкости, которую вносили во флаконы с 10 мл тестируемых бикарбонатных вод, получая, таким образом, конечные разведения, указанные на рисунках. Растворы высоко разведенных HyFn или фуллеренолов хранили не более 2 недель в закрытых пробирках при комнатной температуре. Для измерения активности воды в одноразовую пробирку типа Эппендорф заливали 1 мл тестируемой воды и вносили 10 мкл раствора FeSO4 или «Реагента», содержащего FeSO4 и люминол. Конечные концентрации FeSO4 и люминола в тестируемой пробе составляли 10 мкМ и 50 мкМ, соответственно. Через 2 сек после добавления реагента к воде и перемешивания пробирку помещали в счетчик одиночных фотонов "Биотокс 7а" и регистрировали излучение из пробы за период не менее 60 сек с временным разрешением в 1 сек. Каждое измерение, как правило, проводили в трех параллелях. По результатам измерений рассчитывали среднее значение интенсивности излучения за 50 секунд, сумму импульсов за 50 сек и максимум волны излучения в том случае если характер излучения представлял собой нарастающую и затухающую в течение 1 минуты измерения волну излучения (Рисунок 1)
Рисунок 1. Типичные волны люминесценции, развивающиеся в 5 мМ бикарбонатном растворе (слева) и в воде Биовита (справа) при внесении в 1 мл раствора 10 мкл «Реагента». Стрелки указывают моменты внесения реагента в водные системы.Во всех пробах вод определяли ежедневно значения рН на рН-метре со стеклянным электродом, содержание О2 электродным методом с использованием датчика ДКТП-02 типа Кларка. Для регистрации этих параметров использовали прибор «Эксперт-001» (OOO "Эконикс-Эксперт"). Спектры растворов в УФ- и видимой области регистрировали с помощью спектрофотометра «Spec<>rd 200», Analytic Jena.
Сравнение активности различными вод Активность 10 мМ бикарбонатного раствора, вод Биовита, Шишкин лес, Vittel, Архыз и Аква минералеопределяли в нескольких сериях экспериментов по развитию в этих водах вспышек излучения в ответ на добавление к ним раствора FeSO4 (без люминола). В каждой из серий ежедневно в течение нескольких дней измеряли интенсивность излучения в ответ на добавление FeSO4, рН, содержание кислорода и электропроводность образцов вод. Хотя между сериями наблюдались некоторые отличия в значениях конкретных параметров, общие тенденции именения этих параметров во времени сохранялись.Результаты измерений свидетельствуют, что в свежеприготовленных растворах бикарбонатов или в бутилированных водах взятых из только что открытых бутылей, активность, регистрируемая при добавлении к их пробным Ее(П) или реагента низка, но при их хранении в открытом состоянии активность возрастает. Рост интенсивности излучения в ходе хранения обусловлен, по данным, полученным нами ранее при исследовании модельных растворов гидрокарбонатов, увеличением значения в них рН при их контакте с воздухом. Рост рН обусловлен тем, что из карбонатных вод постепенно выходит избыточный СО2 и равновесие сдвигается в сторону гидрокарбоната. Однако, как будет видно из данных, полученных при измерении рН в разные дни, интенсивность излучения из конкретного образца зависит не только от рН воды, но и от других факторов.
Подробнее: Отчет по исследования энергетических параметров гирокарбонатных вод
Назад к исследованиям