Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 14 )

1.3.4. Т-СРПС на границе жидкости с твердыми веществами

В вопросе об экспериментальных исследованиях плотности воды в контакте с твердыми веществами существует довольно па­радоксальная ситуация. Можно привести ссылки на десяток зару­бежных исследований (Nizsche, 1940; Macey, 1942; De Wit at al., 1950; Mooney et al., 1952; Bradley, 1959; Anderson et al., 1958, 1963, 1967; Deeds et al., 1961; Martin, 1962; Hiller, 1964), которыми экспе­риментально установлена более низкая плотность воды в контакте с минералами глин по сравнению с объемной водой, т. е. показана разуплотненность поверхностного слоя воды. В то же время, если обратиться к аналогичным экспериментам ученых в СССР, то почти все они считают, что плотность воды в контакте с теми же минералами выше плотности воды в объеме жидкости (Думанский, 1960; Овчаренко, 1961; Олодовский, 1974; Кульчицкий, 1975; Же­лезный, 1974; Куриленко, 1970). По-видимому, по этой причине в наиболее авторитетных российских вузовских учебниках по гидро­геологии, например (1996) и и др. (1993), при описании связанной воды говорится о более высокой плотности воды в контакте с минералами горных пород. Причем эти расчеты сделаны не прямыми, а косвенными методами с использованием приведенных значений константы диссоциации связанной воды; предложенной (1969) направленности изменения свойств связанной воды в том же на­правлении, которое наблюдается при повышении температуры; известного уравнения Вант-Гоффа. По этим расчетам, плотность воды в контакте с монтмориллонитовой глиной около 1,4 г/см3. В то же время в зарубежном учебнике по нефтяной геологии (Дж. Хант, 1982) приведены данные зарубежных исследователей о понижен­ной плотности воды в контакте с минералами.

В отношении экспериментального определения повышенной плотности поверхностного слоя воды в контакте с твердыми веще­ствами произошел даже крупный казус. и др. (1971) экспериментально установили, что вода, сконцентрированная из паровой фазы в кварцевых капиллярах диаметром от 10 до 100 мкм, имела плотность 1,4 г/см3, повышенную вязкость и ряд других аномальных свойств. Авторы назвали ее «аномальная вода» или «вода-2». По сведениям А. Адамсона (1979, с. 264), эти опыты Дерягина были повторены в различных лабораториях Анг­лии и США и в основном подтвердились. Вокруг аномальной воды развернулась бурная полемика. Правительственные фонды этих стран оказали исследователям аномальной воды существенную поддержку. Шли разговоры о получении литров аномальной воды для технических нужд. Сведения о ней попали даже на страницы популярной печати. Ее предложили назвать «поливодой». Было высказано предположение о гексагональной полимерной структуре аномальной воды, разработана соответствующая теория. Боль­шинство научных работ на Национальном симпозиуме по коллоид­ной химии в США в 1970 г. было посвящено этой аномальной воде.

Но потом, когда с помощью новых методов определили хими­ческий состав «воды-2», оказалось, что ее «аномальные» свойства вызваны значительной примесью кремнезема и других компонен­тов, которые выщелачивались из стенок стеклянных или кварце­вых капилляров. Особенно интенсивно вода выщелачивает све­жую поверхность в свежетянутых капиллярах.

История со сверхплотной водой закончилась в 1974 г., когда Дерягин и др. опубликовали в зарубежном журнале статью, в кото­рой сами признали ошибочность своих представлений, отметив, что аномальная вода представляет собой смесь, включающую коллоидные и молекулярные растворенные примеси.

Учитывая вышеприведенные данные о плотности поверхност­ного слоя воды, ряд ученых из стран бывшего СССР отмечают эту противоречивость представлений (Злочевская, 1969; Квливидзе и др., 1988; Кульчицкий, 1975; Овчаренко и др., 1989). Также неод­нозначны данные численных экспериментов по моделированию статистическими методами, оценивавших плотность контактовых слоев воды то как повышенную, то как пониженную (Фишер, 1961; Квливидзе и др., 1988). Вероятно, именно поэтому, крупнейшие специалисты по изучению глинистых пород (на примере которых обычно проводилось подавляющее большинство эксперименталь­ных исследований) и , которые ранее сами же экспериментально определяли повышенную плот­ность поверхностного слоя, в своей более поздней работе (1989) пришли к противоположному заключению: этот слой менее плот­ный, чем глубинные слои воды. Причем такими свойствами обла­дает, по их мнению, в первую очередь внешняя большая часть слоя связанной воды, что обусловлено относительно более разу­порядоченной структурой и разрывом водородных связей молекул. Внутренняя часть слоя связанной воды – так называемый адсорб­ционный слой прочно связанной воды – толщиной в несколько первых молекулярных слоев – имеет обычно повышенную плот­ность, хотя авторы отмечают, что он может иметь и пониженную плотность в зависимости от характера разупорядочивающего влияния структуры твердой поверхности.

Кульчицкий (1975) говорит, что адсорбционный внутренний слой связанной воды обусловлен переходом здесь воды в кри­сталлическую структуру минерала, так что это, по существу, кри­сталлизационная вода и говорить о ее плотности – то же самое, что «говорить о плотности кристаллизационной воды гипса»

Таким образом, несмотря на противоречивость представле­ний о плотности поверхностного слоя воды в контакте с твердыми веществами, даже крупнейшие специалисты по изучению плотно­сти этого слоя из стран бывшего СССР пришли к заключению о разуплотненном состоянии его большей части, и это подтвержда­ется экспериментальными исследованиями зарубежных ученых. Такое разуплотнение обычно объясняется разупорядочивающим влиянием структуры твердых контактирующих минералов на струк­туру воды, т. е. нарушением характера водородных связей моле­кул.

Я даю другое, а именно молекулярно-кинетическое объясне­ние формирования разуплотненного поверхностного слоя, основы­ваясь на действии Т-СРПС.

Выше мной показано на примере твердой плоскости, переме­щающейся в пределах поверхностного разуплотненного слоя, что разуплотненное состояние поверхностного слоя воды должно су­ществовать в контакте с этой плоскостью, если ее давление на по­верхностный слой не превышает силы температурного расшире­ния жидкости. Значит, в условиях поверхности Земли и на опреде­ленных глубинах земной коры поверхностный разуплотненный слой существует везде, так как здесь нет сил сдавливания, кото­рые могли бы преодолеть силу температурного расширения.

Было также отмечено, что активированные скачки молекул в жидкости в определенной мере подобны свободному пробегу мо­лекул в газах. Они также совершаются хаотически в разных на­правлениях и имеют различную длину. Их началом является точка, где молекула получает сильный удар со стороны одной или не­скольких молекул, приобретая большую кинетическую энергию движения. Конечная точка скачка определяется силой сопротивле­ния соседних молекул, расталкиваемых этой энергичной молеку­лой. Внутри массы молекул и гаснет энергия скачка. Поэтому жид­кость можно рассматривать как плотную массу, внутри которой имеется своеобразная газообразная субстанция, создаваемая скачками молекул. Поэтому анализ поверхностных явлений на примере моделей для газов справедлив также по отношению и к этой «газообразной субстанции» скачущих молекул в жидкостях.

Это видно на примере анализа вероятностного контура скач­ков молекул у стенки сосудов (было показано на примере газов). Молекулы воды, совершая скачки, являющиеся аналогом свобод­ного пробега газовых молекул, уменьшают длину этих скачков со стороны стенки сосуда, когда они приближаются к ней на расстоя­ние, меньшее длины одного скачка (см. рис. 13). Такое сокращение длины скачка приводит к тому, что молекулы задерживаются здесь меньше, чем при скачке в обратном направлении от контакта, по­этому и возникает тенденция к ускоренному удалению молекул от стенки сосуда. Чем ближе к стенке, тем больше это ускорение, по­тому что увеличивается разница в длине скачков. Однако возвра­щение молекул назад к стенке происходит несколько позднее их скачка, так как это не одновременные процессы. Сначала совер­шается скачок, создавая изменение плотности жидкости, а затем уже жидкость стремится выровнять эту плотность за счет перете­кания всей своей массы. Примером этого являются сами «пени­стые буруны», когда жидкость не успевает смыкаться позади ска­чущих молекул. Чем быстрее и чаще молекулы удаляются от стенки сосуда, тем больше количество интервалов между прихо­дом и уходом молекул, тем больше будет накапливаться вакуум­ных пустот, когда одна молекула ушла, а другая на ее место еще не пришла. Поэтому в поверхностном слое воды у стенки сосуда создается пониженная концентрация молекул, т. е. их разуплотне­ние. Жидкость в поверхностном слое как бы вспенивается, мгно­венно, как только приходит из глубинных слоев в поверхностный. Практически это осуществляется при растекании жидкости, когда увеличивается площадь поверхностного слоя; при этом из глубины жидкости подходят новые слои, которые наращивают поверхност­ный слой, разуплотняясь и увеличиваясь по толщине, создавая давление по обе стороны границы раздела фаз.

Подобным же образом могут быть рассмотрены все модели, показанные на примере газов, но уже применительно к жидкостям. Все они в той или иной форме подтверждают существование разу­плотнения в поверхностном слое воды и жидкостей вообще в кон­такте с твердыми веществами и возникновение Т-СРПС.

1.4. Общие физические свойства поверхностного слоя воды, создаваемые действием Т-СРПС

1.4.1. Приобретение поверхностным слоем некоторых свойств твердого тела

Любое твердое тело обладает свойством с определенной си­лой сопротивляться растяжению в продольном направлении и сдавливанию в поперечном. Поэтому главной его механической характеристикой является прочность на растяжение и на сдавли­вание. Именно такие свойства имеет поверхностный слой жидко­сти, обладающий поверхностным натяжением и способностью со­противляться поперечному сдавливанию (расклинивающее давле­ние Дерягина), а также повышенной вязкостью, прочностью на сдвиг, создавать трение на границе с другими веществами. Рас­смотрим последовательно эти свойства.