DagTech Глобальные проекты Гамида Халидова
 
russian english
Проекты
Автор

 

Khalidov.net

Khalidov.net
19.03.2012



Гамид Халидов,
Уллубий Халидов

О строении и свойствах воды при фазовых переходах

В статье, на основе положений, опубликованных авторами в 2005 году гипотезы о строении атомного ядра, исследуются процессы, происходящие на ядерных, внутримолекулярных и межмолекулярных уровнях молекул воды, при фазовых переходах «лёд - вода» и «вода - лёд».

В книге "Стремление к знаниям", изданной в 2005 году, была выдвинута гипотеза о устойчивом расположении всех протонов атомного ядра на его поверхности, а всех нейтронов внутри ядра1. И сегодня, уже опираясь на экспериментальные данные, полученные на линейном ускорителе ORELA в Окридже2 США, и подтверждающими, как мы считаем, выдвинутую гипотезу, думаем было бы полезным вернуться к её рассмотрению.

Согласно гипотезе, при достаточном количестве протонов (с учетом количества нейтронов и занимаемого ими объёма), ядра стремятся принять наиболее устойчивую к внешнему давлению шарообразному форму. У таких ядер сфера состоит из протонов. А между протонами, ниже их уровня, а также в глубине ядра размещаются нейтроны, формируя "жёсткий" каркас для протонной сферы и усиливая в целом устойчивость ядра.

Как указано в статье американских физиков, экспериментальные данные с достоверностью 99,997% опровергают ныне принятую модель, по которой движение нуклонов в ядре – хаотично и описывается математической теорией случайных матриц.

Но из этого следует, что придется отказаться как от старых – «планетарных» моделей атома, так и от господствующего на сегодня в физике представления об электронах атома - как о свободно парящем в объёме атома электроном облаке, и расположить каждый электрон строго напротив каждого протона ядра.

Примем это предположение за рабочую гипотезу и проверим её применимость к пониманию структуры молекулы воды H2O и проходящих в ней процессов при фазовых переходах «лед-вода» и «вода-лед».

Согласно гипотезе, сфера ядра атома кислорода должна состоять из восьми протонов (р1–р8), расположенных в восьми вершинах условного куба (как наиболее устойчивого объемного геометрического тела, вписываемого в шар) (рис. 1). Нейтроны ядра атома кислорода должны образовывать внутри этого "протонного" куба – "нейтронный" куб (n1–n8), длина ребра которого и расстояние от каждой из его вершин до двух ближайших вершин "протонного" куба – одинаковы: p1n1=n1p2; p2n2=n2p3; p3n3=n3p4; p4n4=n4p1; p5n5=n5p6; p6n6=n6p7; p7n7=n7p8; p8n8=n8p5.

Рис.1

Такое расположение нейтронов в ядре атома кислорода обеспечивает максимальную устойчивость протонов сферы ядра, т.к. каждая вершина "нейтронного" куба стабилизируется максимально (пятью) возможным количеством связям. Так для вершины n1 это n1p1=n1p2, n1n2=n1n4=n1n5.

Рассматриваемая конструкция ядра кислорода и его протонной сферы, позволяет вычислить угол p1-O-p3, образованный отрезками, соединяющими центр куба О с протонами p1 и p3, расположенными в противоположных вершинах одной грани куб. Он оказался равен 109°. Но согласно экспериментальным данным в молекуле воды (в состоянии льда) угол Н1-О-Н2 между ядрами атомов водорода и кислорода также равен 109°.

Это позволяет предположить, что в молекуле воды два ядра (протона) атомов водорода Н1 и Н2 располагаются напротив двух протонов ядра атома кислорода, расположенных в вершинах куба р1 и р3.

А, согласно гипотезе, связать в устойчивое соединение два протона разных ядер атомов, может только один, расположенный между ними на линии действия их сил, общий электрон. Для молекулы воды это е1 на отрезке стороны угла Н1р1, а е3 на – Н2р3.

Это следует из логики рассуждений и согласуется с размерами атомов водорода и кислорода в молекуле воды. Да и понятно, что в данной конструкции молекулы воды расположение двух электронов на каждом из отрезков сторон угла Н1р1 и Н2р3 напротив Н1 и р1, и Н2 и р3, по причине одноименности их зарядов, не позволяет создать даже малоустойчивое соединение.

Рис.2

Как известно, при увеличении температуры (энергии) молекулы воды (в состоянии льда) (рис.1 и рис.2) до значений фазового перехода, происходит быстрое разовое сближение ядер Н1 и Н2 атомов водорода, влекущее за собой уменьшения угла Н1-О-Н2 до 104,5° и сжатие отрезков Н1р1 и Н2р3 сторон угла Н1-О- Н2 (рис.3 и рис.4).

Рис.3

Рис.4

А причина этого явления, согласно гипотезе, в том, что в момент фазового перехода, из-за большего количества внутримолекулярной энергии в части Н1-О-Н2 объёма молекулы, чем в части Н1 - Н2 объёма молекулы, сила давления, направленная на сближение Н1 и Н2, превысило силу давления, направленную на их расталкивание.

Для лучшего понимания причин этого явления, думаю, будет уместно его сравнение с явлением сближения в спокойной воде двух, недалеко и параллельно друг к другу расположенных лодок, происходящее по причине превышения силы давления воды на борта лодок со стороны свободного большего пространства воды над силой давления воды на борта лодок со стороны небольшого пространства воды между лодками.

Согласно гипотезе, именно уменьшение-увеличение расстояния Н12, вызывающее следом изменение расположение всех протонов и электронов в молекуле, в том числе и общих электронов е1 и е3 связях Н11 и Н23, уменьшение-увеличение угла Н1-О-Н2 и расстояний Н11, Н23, сама форма молекулы воды со своей конструктивной особенностью - "потенциальной ямой" (ПЯ), – являются причинами уникальных физических и химических свойств воды во всех её трёх агрегатных состояний.

Для проверки вышеизложенного, исследуем процессы, происходящие при фазовых переходах в молекулах воды и между ними, и попытаемся понять причины аномального поведения плотности воды в температурном промежутке от 0°С до 3,98°С.

При фазовом перехода «лед-вода», когда отсутствует тепловое движение, решающее влияние на скачкообразное увеличение плотности воды, согласно гипотезе, оказывает новое внутримолекулярное расположение ядер и электронов молекул воды, дающее возможность возникновения у соседних молекул межмолекулярных связей и которые проявляются одномоментно с фазовым переходом и возникают между 2-мя положительными полюсами Н1 и Н2 у ядер водорода одной молекулы воды и 2-мя отрицательными полюсами у пары электронов е15 и е17 ядра кислорода другой молекулы.

При новых местоположениях Н1 - Н11, Н2- Н21, е15 - е151 и е17 - е171 расстояния между Н11 и е151, меньше расстояния между Н1 и е15, и соответственно Н21 и е171 меньше Н2 и е17, что и позволяет реализоваться силам притяжения и сблизить молекулы по линиям Н11 - е151 и Н21 - е171 направленности сил действия 2-х положительных полюсов у ядер водорода Н11 и Н21 одной молекулы и 2-х отрицательных полюсов е151 и е171 ядра кислорода О другой молекулы (рис.5).

Появление этих сил вызывается скачкообразной переменой местоположения обоих ядер атомов водорода в объёме молекулы из позиции Н1 в позицию Н11, а Н2 в позицию Н21 и электронов ядра атома кислорода из позиции е15 в позицию е151, а е17 в позицию е171, т.е. скачкообразным изменением местоположения и направленности сил действия положительных и отрицательных полюсов, что и дает скачкообразный рост сил притяжения между молекулами, вызывает их взаимное сближение и, как следствие этого сближения, увеличивается плотность воды.


Рис.5

Сблизившись и тем самым увеличив плотность воды на 9%, молекулы останавливаются по причине наступившего равновесия между силами притяжения и отталкивания (рис.6).

Рис.6

Т.е., притягивающая сила связей, действующая между ядрами атомов водорода Н11 и Н21 одной молекулы и двумя электронами е151 и е171 ядра атома кислорода другой молекулы, уравновешивается отталкивающей силой, создаваемой двумя электронами е21 и е41 расположенными напротив протонов р21 и р41 ядра атома кислорода одной молекулы и двумя электронами, е161 и е181, расположенными напротив протонов р16 и р18 ядра атома кислорода другой молекулы.

При этом сближении и уплотнении пересекаются границы «потенциальных ям» молекул и происходит размещение молекул в части «потенциальных ям» друг друга. К такому предположению подводят следующие рассуждения.

При фазовом переходе «вода - лёд», с наряду уже описанными явлениями, происходит резкое увеличении уровня отрицательной энергии в «потенциальных ямах» молекул воды, когда электроны ядра атома кислорода одной молекулы сближаются между собой при возвращении на первоначальные позиции е2 и е4 из позиций е21 и е41 и отталкиваются от электронов ядра атома кислорода другой молекулы, возвратившимися на позиции е16 и е18 из позиций е161 и е181.

Это взаимное отталкивание и «выталкивает» молекулы из ПЯ друг друга, что вызывает скачкообразный прирост объема воды (льда) на 9%. Если бы молекулы не были в ПЯ друг у друга, то при фазовом переходе «вода - лёд» не происходило бы ни их быстрого выталкивания, ни быстрого увеличения объёма воды (льда). А превращение воды в лёд нами рассматривается как следствие скачкообразного увеличения, а значит и быстрого охлаждения, межмолекулярного и внутримолекулярного пространства молекул воды (рис.7).

Рис.7

При дальнейшем охлаждении будут неоднократно происходить изменения межмолекулярных и внутримолекулярных уровней энергий и расстояний, что будет давать много разновидностей льда.

Гипотеза предполагает, что перемена местоположения Н1 и Н2 вызывает следом смещение местоположения протонов р1 и р3 ядра атома кислорода. Это вызывает деформацию «нейтронного куба», который, в свою очередь, деформирует протонную сферу ядра атома кислорода таким образом, что все её протоны и их электроны меняют свое местоположение и «протонная» кубическая форма ядра атома кислорода трансформируется в параллелепипед, где «нижний и «верхний» квадраты куба становятся ромбами.

Но пока не будут произведены опыты и расчеты, рано говорить обо всех изменениях, имеющих место при фазовых переходах, в параметрах ядра кислорода молекулы воды, да и в целом в молекуле воды.

Но, и в первом приближении, можно говорить о следующих переменах:

  • угол Н1–О–Н2 трансформируется в угол Н11–О–Н21 и уменьшается до 104,5°.
  • протоны р1 и р3 сближаются, занимают позиции р11 и р31 и как бы несколько «утапливаются» в глубь ядра, что и дает уменьшение Н1р1 при его перемещении в позицию Н11 р11 и уменьшение Н2р3 при перемещении в позицию Н21 р31.
  • сближение протонов р5 и р7 вызывает сближение расположенных напротив них электронов е5 и е7, и занятие ими позиций е51 и е71. По аналогичным причинам происходит сближение между электронами е2 и е6, и занятие ими позиций е21 и е61, и сближение е4 и е8 и занятия ими позиций е41 и е81.
  • в результате этих сближений в молекуле воды между электронами е51 – е71, е21 – е61 и е41 – е81 образуются области повышенной концентрацией отрицательной энергии, способные разрывать химические связи большинства веществ, что и придаёт воде такие высокие растворяющие способности.
  • строение молекул является прямым следствием строения ядер атомов химических элементов, а точнее их протонных сфер. Т.е. атомы, образуя молекулы, соединяются друг с другом именно через общие электроны протонов ядер атомов, или другими словами - "протонными областями".
  • область между электронами е2 и е4 в позициях е21 и е41, в силу увеличившегося между ними расстояния, становиться областью с пониженным уровнем отрицательной энергии, т. е. «потенциальной ямой» (ПЯ), которая, как будет показано ниже, и является причиной аномальное поведение плотности воды в диапазоне от 0°C до 3,98°С.

Как известно, с ростом температуры от 0°C до 3,98°С и началом теплового движения молекул наблюдается аномальное поведение плотности воды – её увеличение.

Согласно гипотезе к повышению плотности воды в рассматриваемом температурном диапазоне приводит продолжение (после фазового перехода) процесса сближения молекул воды, происходящего за счёт дальнейшего взаимопроникновения и размещения молекул в остававшемся свободном объёме ПЯ молекул.

Причиной этого взаимопроникновения является нарастающее тепловое движение молекул, сила давления которых начинает превышать силы сопротивления энергетических уровней «потенциальных ям».

Т.е. сила нарастающего теплового движения молекул стремиться преодолеть силы взаимного отталкивания, действующих между расположенными напротив друг друга областями отрицательной энергии, образованными электронами е21 - е41 одной молекулы и электронами е161–е181 другой молекулы. Но, поскольку, в центральной части области е21 – е41 имеется ПЯ, а напротив неё, в центральной части области е161 - е181 наоборот – концентрация энергии, то становится возможным «продавливание» одной молекулы в другую и их сближение.

В итоге, при температуре 3,98°С, (скорее всего, достигнув по фронту дна ПЯ молекулы, а по краям её границ), "проникающая" молекула останавливается. Устанавливается баланс между силами "продавливания" и силами сопротивления энергетических уровней ПЯ, стремящихся к восстановлению своего исходного положения. А так как эти процессы идут параллельно во всем объёме воды, то в этот момент фиксируется максимальная плотность воды.

При повышении температуры от 3,98°С до 8°С, увеличивающаяся энергия ПЯ молекул, нарастающее тепловое движение самих состыкованных и окружающих их молекул, выталкивают молекулы из ПЯ друг друга. Плотность воды плавно уменьшается.

При понижении температуры воды от 3,98°C к 0°C происходит уменьшение плотности воды по причине того, что силы взаимного отталкивания областей е21–е41 и е161–е181 начинают превышать силы давления уменьшающего теплового движения молекул и в итоге выдавливают молекулы из части объема ПЯ.

При снижении температуры воды до значений фазового перехода "вода-лёд", ядра водорода Н11 и Н21 скачкообразно возвращаются в своё первоначальное местоположения Н1 и Н2, и, тем самым, возвращают в свои первоначальные положения протоны, нейтроны и электроны, отрезки Н1р1 и Н2р3 сторон угла Н1-О- Н2 и восстанавливают угол Н1-О-Н2 до 109°28". Фазовый переход завершился, вода превратилась в лед, увеличилась в объёме на 9% и приобрела новые физические свойства.

Изложенный подход к пониманию процессов взаимодействия протонов и нейтронов при образовании ядер атомов, позволяет также объяснить причину повышенной прочности "магических" ядер, неустойчивости ядер радиоактивных элементов таблицы Менделеева, эффект «Мгебе» и т.д.

Неслучайно и то, что ядро атома кислорода, имея дважды "магическое" число, обладает достаточно большой устойчивостью для обеспечения стабильного существования нашего водно - воздушного мира.

P.S. Статья пролежала весь 2012 год в редакциях московских научно-популярных журналах, но не была ими опубликована, даже в качестве выдвигаемой гипотезы. Выставляя её на своём сайте, рассчитываю, что она вызовет интерес у научного сообщества и обсуждение специалистов. Она дважды докладывалась на научных советах ДНЦ РАН.

Использованная литература

  • Г.Ю.Халидов, У.Г.Халидов. Стремление к знаниям. – Махачкала: Издательский дом "Новый день", 2005, ISBN 5-94434-052-5. – с.33.
  • Physical Review Letters. Anomalous Fluctuations of s-Wave Reduced Neutron Widths of 192,194Pt, http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i7/e072502
  • Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды. Журнал структурной химии, 2006г., т.47, приложение, с.5-35.
  • Г.Г. Маленков. Успехи физической химии, 2001
  • Тарханов В.И. Вода, ее физические и структурные свойства (по материалам http://www.isbu.ac.uk/water).
  • Зенин С.В. Вода. - М., 2001.
  • Масару Эмото. Послания воды: Тайные коды кристаллов льда. Перев. с англ. М. ООО Издательский дом «София», 2005.


Вернуться к списку публикаций

 

     © DagTech 2002-2013. Дизайн Компания IWT.