Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 26 )

2. Концентрационные фронты марганца, расширяясь дальше, соприкасаются друг с другом, затем происходит деформация этих фронтов около разделительной, слабее окрашенной зоны, которая постепенно приобретает все более густую окраску, но сохраняется длительное время. Причем изоконцентрационные линии изменяют свою круговую конфигурацию на эллипсоидальную уплощенную, создавая здесь, в участке их встречи, больший градиент концен­трации (рис. 23а). Создается впечатление упругого сжатия этих фронтов в данном участке. Характерно, что если при эксперименте второй кристаллик перманганата калия опустить в воду несколько позднее, чем первый, разделительная, слабее окрашенная зона между ними, будет иметь конфигурацию, выпуклую в сторону пер­вого (см. рис. 23б). В этом случае фронт с более высоким градиен­том концентрации вдается во фронт с меньшим градиентом кон­центрации, расширяющийся медленнее.

В данном случае, если продолжать аналогию с плывущими навстречу друг другу флотилиями лодок, деформация фронтов, т. е. задержка продвижения молекул марганца, может быть объяс­нена только их соударениями. Значит, эти молекулы двигаются не независимо друг от друга, а «узнают» себе подобных и при встреч­ном движении, соударяясь, тормозят это движение. Именно об этом свидетельствует деформация фронтов. Но в таком случае следует признать, что в диффузионном продвижении молекул ре­шающее значение имеет само их соударение. Причем это свойст­венно и растворам самых низких концентраций – так называемым идеальным растворам, так как деформация фронтов начинается с самого начала соприкосновения их самых слабоконцентрирован­ных участков.

Если же проследить встречное движение концентрационных фронтов разного химического состава, то подобной резко выра­женной деформации фронтов после их встречи не наблюдается.

Рис. 23. Эффект взаимного торможения диффундирую­щих навстречу друг другу концентрационных фронтов раствора марганца при оди­наковых (а) и различаю­щихся (б) градиентах концен­трации. Линиями показаны изоконцентраты растворов

Таким образом, отмеченный эффект взаимного торможения диффундирующих навстречу друг другу фронтов одноименных молекул растворенного вещества свидетельствует о том, что они сами создают впереди себя «нагонную волну» растворителя, и, кроме того, своим продвижением они, соударяясь, задерживают продвижение встречных подобных себе молекул, производя де­формацию концентрационных фронтов из сферической формы в эллипсоидальную. Это свойственно в одинаковой степени как вы­сококонцентрированным зонам растворов, так и совершенно раз­бавленным, т. е. идеальным. Молекулы марганца «узнают» друг друга независимо от степени разбавленности раствора.

Следовательно, растворенные молекулы обладают своим, независимым от молекул растворителя механизмом, заставляю­щим их активно двигаться, как флотилии лодок. Решеточно-пру­жинная модель такого механизма движения описана автором выше. Для понимания ее необходимо отказаться от представлений о диффузии молекул в результате их «бесцельного» хаотического блуждания в массе растворителя и признать, что причиной расши­рения диффузионных фронтов является взаимное соударение од­ноименных молекул растворенного вещества.

2.4.5. Новое правило в молекулярно-кинетической теории диффузии

Из вышеприведенного анализа следует, что диффузия рас­творенных молекул создает эффект силового давления на всю массу раствора, заставляя его гидродинамически перетекать в сторону раствора с большей концентрацией молекул. Это проис­ходит за счет того, что растворенные молекулы в растворителе создают в результате соударения друг с другом своеобразный ре­шетчато-пружинный механизм, который отталкивает их друг от друга, и поэтому они относительно быстрее двигаются в сторону более низкой концентрации раствора, чем в обратную. В то же время молекулы растворителя диффундируют как единый непре­рывный континуум одинаковых молекул, т. е. осуществляют само­диффузию, не имеющую никакого эффекта силового давления, так как при этом одинаковые молекулы равновероятно перемещаются во все стороны, взаимно компенсируя создаваемое ими давление.

Поэтому повторяемое во всех современных научных работах и учебниках представление Эйнштейна о том, что при диффузии перемещения растворенных молекул «в различных по концентра­ции частях раствора в среднем будут одинаковой величины и столь же часто будут положительными, как и отрицательными», ошибочно. Таким образом, осуществляется только самодиффузия, при которой нет эффекта осмотического давления, и поэтому она не имеет никакого отношению ни к осмосу, ни к явлениям переноса количества вещества вообще.

Наиболее эффектно и совершенно очевидно осмотическое давление растворенных веществ проявляется на примере двух­мерной диффузии поверхностно-активных веществ. Если на по­верхность воды положить соломинку и с одной ее стороны в воду поместить каплю поверхностно-активного вещества, то последнее, расширившись по поверхности воды, как пружина, передвинет со­ломинку в сторону чистой поверхности.

Также непосредственно осмотическое давление растворен­ных веществ передается через поры мембран в том случае, если они пропускают не растворитель, а только растворенное вещество, так как в отмеченных выше опытах Л. Мейера, когда спиртовый раствор отделен от чистого растворителя каучуковой перегород­кой, пропускающей спирт, но не воду. Здесь, по моему мнению, осмотическое давление растворенных молекул спирта прямо пе­редается через микропоры на другую сторону мембраны, и моле­кулы при переходе туда повышают осмотическое давление.

В соответствии с вышесказанным я сформулировал следую­щее новое правило диффузии:

Диффузионное движение растворенных в газе и жидко­сти молекул (присутствующих в растворителе как непре­рывном континууме) и создание ими осмотического и двух­мерного давлений происходит в результате соударения од­ноименных растворенных молекул и их удаления друг от друга по принципу действия решеточно-пружинного меха­низма подобно (но не тождественно) расширению газов в сторону пониженного давления.

По существу, это правило дополняет известный закон Вант-Гоффа, раскрывая механизм его действия.

2.4.6. Новое объяснение причины осмоса и осмотического давления

Вант-Гофф отмечал, что при осмосе через полупроницаемые мембраны растворенное вещество создает давление на мем­брану, заставляя ее перемещаться, если она подвижна, и обла­дает водопритягивающим свойством, если мембрана неподвижна, всасывая воду с силой сквозь микропоры и этим заставляя повы­шать гидростатический уровень раствора. Если мы попробуем просто применить вышеотмеченное новое правило диффузии к объяснению отталкивающих и водопритягивающих свойств рас­творенных веществ, то мы, как и Вант-Гофф, потерпим неудачу. Действительно, решеточно-пружинный механизм создает давле­ние на мембрану посредством ударов о нее растворенных моле­кул, но точно такие же удары и с такой же энергией производят молекулы растворителя. Поэтому растворенные молекулы не мо­гут создать никакого избирательного давления, отличного от дав­ления растворителя, на мембрану и не могут передвинуть ее. Также необъяснимым с позиции этих представлений остается и их водопритягивающие свойства.

Однако для объяснения этого следует обратить внимание на механизм создания разуплотненного поверхностного слоя газов и жидкостей – Т-СРПС. Было показано, что газы и жидкости в кон­такте со стенками сосудов создают разуплотненный поверхност­ный слой в результате того, что стенка в процессе соударения мо­лекул служит для них объектом многочисленных сближенных точек отталкивания, так что молекулы, подходя к ней, стремятся уда­литься от нее гораздо быстрее, чем они перемещаются в объеме вещества. Другими словами, наличие стенки создает эффект по­вышенной плотности вещества за счет возрастания количества сближенных точек отталкивания молекул, и поэтому они, стремясь выравнять эту плотность, быстрее удаляются от стенки. Но более быстрый уход означает сокращение здесь количества молекул, т. е. разуплотнение поверхностного слоя.

Представим себе, что в газах и жидкостях имеются раство­ренные молекулы другого вещества, которые создают свой неза­висимый решетчато-пружинный механизм разбегания молекул. Если такие молекулы подходят к стенке, обладая свойствами рас­ширяющегося газа, то, значит, они также должны, встречая здесь многочисленные точки отталкивания, стремиться удаляться от стенки в объем раствора с большей скоростью, чем они движутся в его глубине. Следовательно, как было показано выше, их концен­трация здесь будет уменьшаться, создавая слой с пониженной концентрацией – диффузный слой. При этом уходящие от стенки молекулы будут создавать давление на всю массу растворителя, стремясь оттеснить его от стенки. Решеточно-пружинный меха­низм растворенного вещества в глубине раствора в процессе рас­ширения заставляет молекулы подходить к стенке с какой-то опре­деленной скоростью, прямо зависящей от концентрации раствора, а от стенки эти же молекулы удаляются с большей скоростью, от­чего уменьшается их концентрация и создается «оттягивающее» давление от стенки на всю массу раствора. В отличие от реше­точно-пружинного механизма газов, где толщина разуплотненного слоя равна длине свободного пробега молекулы, для растворен­ных молекул толщина слоя с уменьшенной концентрацией сопос­тавима с расстоянием между ними и зависит от общей концентра­ции этих молекул в объеме раствора. Иначе говоря, решетчато-пружинный механизм растворенных молекул, действующий неза­висимо от растворителя, самостоятельно создает свой разуплот­ненный слой в контакте со стенками сосудов.

Основываясь на этой идее, представим себе, как осуществ­ляется осмос через полупроницаемые мембраны, пропускающие только растворитель, но не растворенное вещество. Если по обе стороны мембраны концентрация раствора с одинакова, то рас­творенные молекулы, создавая вблизи микропор мембраны уменьшение концентрации, связанное с ускорением удаления от нее, этим стремятся оттянуть поверхностный слой молекул рас­творителя от мембраны, т. е. словно бы растянуть его в попереч­ном направлении. Делают это они с одинаковой силой с обеих сто­рон мембраны, так как количество молекул всюду одинаково.