Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 27 )

Можно представить себе, что молекулы тянут сквозь мем­брану тонкий канатик растворителя в противоположные стороны, словно бы упираясь в устьевые части пор мембраны. Этот канатик они тянут одновременно с обеих сторон и с одинаковой силой, но не могут ни растянуть его, как эластичную резину, ни разорвать, так как вода является веществом не сжимаемым и не растягиваю­щимся. Естественно, что при одинаковой концентрации раствора ни одна группа молекул по обе стороны мембраны не сможет пе­ретянуть этот канатик на свою сторону. Если же по обе стороны мембраны концентрация раствора различна, то этот канатик рас­творителя перетянет на себя более многочисленная группа растворенных веществ, т. е. в сторону большей концентрации мо­лекул, создавая этим самым явление осмоса и осмотического дав­ления (рис. 24). Этот процесс перетягивания будет осуществ­ляться до тех пор, пока концентрация раствора по обе стороны мембраны не выровняется или пока не будет приложено гидроста­тическое давление, противодействующее этому переходу раство­рителя. Если мембрана является подвижной, то она перемещается или прогибается в сторону раствора с более высокой концентра­цией, а если неподвижна, то будет повышаться гидростатическое давление в стороне с большей концентрацией. Движущей силой этого процесса является различие в усилии растворенных моле­кул, прилагаемое, чтобы оттянуть поверхностный слой воды от противоположных стенок мембраны.

Рис. 24. Схематическое изображение ме­ханизма осмоса у микропоры полупрони­цаемой мембраны. Стрелками (их количе­ство прямо пропорционально концентра­ции растворов) показано направление «тя­нущего» усилия, которое оказывают на массу растворителя молекулы растворен­ного вещества в процессе своего «оттал­кивания» от устьевых частей микропоры

При таком объяснении осмоса его причиной являются осо­бенности хаотического теплового движения молекул вблизи стенок и микропор мембраны, а не просто удары молекул о нее, как гово­рил Вант-Гофф, или силовое диффузионное движение молекул растворителя сквозь микропоры мембран, как считали его оппо­ненты и последующие исследователи. При этом нет необходимо­сти разделять действие, связанное с ударами молекул о мем­брану, и их водопритягивающее действие, так как предложенный механизм объясняет одновременно то и другое: удары молекул о стенку мембраны в приустьевой части микропор создают одновре­менно и давление на мембрану в целом и тем самым вытягивают сквозь микропоры массу воды в сторону большей концентрации растворенных молекул. Это можно представить себе образно: мо­лекулы как бы «упираются» в приустьевые части стенок микропор и вытягивают «канатики» растворителя через микропоры. Раство­ренное вещество в этом процессе создает тянущее усилие на рас­творитель, а последний является только пассивной средой по от­ношению к нему. Это, например, как человек в лодке отталкивается шестом от берега, создавая давление на воду и заставляя ее как бы отступать от берега.

По существу, путь к такому объяснению осмоса был уже в оп­ределенной степени проложен предыдущими исследователями. Совершенно прав был Вант-Гофф, объясняя осмос ударами рас­творенных молекул о мембрану и проводя аналогию между осмо­тическим и газовым давлением. Но он не смог дать удовлетвори­тельного объяснения механизма создания этого давления. От­части правы были Мейер, Ван-дер-Ваальс, Рауль и др., полагая, что осмос создается посредством того вещества, которое проходит сквозь микропоры мембраны, т. е. растворителя, но ошибочно их представление, что растворитель создает движущую силу в этом процессе, поскольку, по их мнению, обладает большим химиче­ским потенциалом в растворе с меньшей концентрацией. Правы были также Дерягин и др. (1947), говоря о капиллярной или микро­поровой природе осмоса. Но они ограничились не совсем ясным термодинамическим объяснением осмоса, не раскрыв его молеку­лярно-кинетический механизм. Интересную идею о существовании своеобразного «гидратного насоса» в устьевой части микропор мембраны высказал Дытнерский (1975). Но он рассматривал дей­ствие этого насоса, как результат электростатических сил притя­жения-отталкивания заряженных ионов и диполей молекул в устьях микропор, а не как результат молекулярно-кинетического движения отдельных молекул.

Мной эти исследования дополнены представлением о диф­фузии как результате соударения одноименных растворенных мо­лекул, представлением о силовом разуплотнении растворенных молекул в поверхностном слое вблизи стенок мембраны и пред­ставлением о механизме силового перетягивания «канатика» рас­творителя сквозь микропоры мембраны растворенными молеку­лами, «упирающимися» в приустьевые части микропор. Это позво­лило дать новое простое объяснение осмоса и осмотического дав­ления.

2.5. Объяснение возникновения О-СРПС

По существу, на основе приведенного объяснения осмоса можно дать представление о сущности диффузионного или нерас­творяющего поверхностного слоя воды и О-СРПС. Растворенные молекулы за счет соударения друг с другом образуют в объеме раствора своеобразный решеточно-пружинный механизм, застав­ляющий их с силой осмотического давления разбегаться друг от друга в сторону пониженной концентрации, подобно расширению газов в сторону пониженного давления, но только с гораздо мень­шей скоростью. Растворенные молекулы, подходя к стенке сосуда или мембраны на расстояние, меньшее среднего расстояния ме­жду ними, в поверхностном слое диффузно отражаются от стенки и ускоренно движутся от нее назад, так как стенка создает эффект большей концентрации вещества за счет более частого осударе­ния со стенкой диффузного отражения от нее. Здесь диффузное отражение означает, что молекулы не прямо отскакивают от стенки, а, отталкиваясь, удаляются от нее, как от преграды, кото­рую не могут перейти, и поэтому возвращаются назад. Ускоренное движение назад создается за счет гораздо более частого диффуз­ного отражения от стенки, чем от соударения с одноименными мо­лекулами в сторону от стенки. Следует отметить, что это послед­нее также имеет характер диффузного отражения, так как при со­ударении имеет значение не прямой отскок молекулы, а приоста­новка ее движения, т. е. «топтание» на месте.

Этот же вывод можно сделать на основе анализа вероятност­ного контура хаотического пробега молекул (одноименных) между соударениями друг с другом и со стенкой (рис. 25). Этот контур вблизи стенки становится асимметричным, сокращаясь в направ­лении к стенке за счет сокращения пути движения к ней молекул. В результате этого каждая молекула, подходя к стенке по законам обычной объемной диффузии, вблизи нее приобретает направ­ленное движение прочь, стремясь быстрее удалиться. Причем чем ближе молекула располагается к стенке, тем более асимметрич­ным становится вероятностный контур и тем большее ускорение приобретают растворенные молекулы, так что их концентрация по направлению к стенке все более уменьшается.

Для молекул жидкого растворителя, т. е. воды, понятием ве­роятностного контура пробега от соударения до соударения явля­ется весь объем сосуда. Они при таком контуре способны только производить самодиффузионное перемешивание в объеме всего сосуда, «хаотически и бесцельно» блуждая в нем. В этом переме­шивании в такой же мере участвуют и молекулы растворенного вещества. Но последние, в отличие от растворителя, участвуют, кроме того, еще и в решеточно-пружинном механизме диффузион­ного расширения, стремясь с силой разбежаться друг от друга и еще с большей силой оттолкнуться от стенок сосуда, создавая здесь уменьшение концентрации. Именно различие механизмов диффузии молекул растворенных веществ и самодиффузии пас­сивно ведущей себя массы молекул растворителя приводит к тому, что концентрация первых в граничном слое уменьшается, созда­вая диффузный слой, т. е. слой с так называемой отрицательной адсорбцией.

Рис. 25. Схема создания диффузного слоя в жидком растворе у стенки. Вероятностный контур хаотического пробега растворенной молекулы у стенки становится асимметричным, способствуя ускоренному их удале­нию от нее и создавая таким образом слой с пониженной концентра­цией. Радиус контура в объеме жидкости соответствует среднему рас­стоянию между растворенными молекулами. Стрелкой показано направ­ление движения молекулы

Следовательно, ускоренное движение молекулы от стенки по сравнению с движением одноименных молекул в объеме раствора означает, что у стенки должна создаваться пониженная концен­трация растворенных молекул. Но каждая молекула, уходя уско­ренно от стенки в объем раствора, затем отталкивается назад к стенке существующим здесь решетчато-пружинным механизмом, стремясь опять к ней вернуться. Однако дело в том, что назад она приходит несколько позднее, чем уходит от стенки. Можно образно сказать так, что решетчато-пружинный механизм растворенных молекул у стенки сжат сильнее, чем подобный механизм в объеме раствора, поэтому он сильнее отталкивает их от стенки, чем они возвращаются. В результате этого у стенки образуется диффузный слой с постепенно уменьшающейся концентрацией по направле­нию к ней. Это состояние является постоянным стабильным со­стоянием раствора в условиях равновесия. Но это равновесие на­рушается в период растекания жидкости, когда поверхность ее увеличивается и в поверхностный слой подходят новые слои из глубины. Сначала эти слои имеют обычную «глубинную» концен­трацию растворенных молекул. Но затем под действием указанных сил эта концентрация начнет быстро уменьшаться, производя ос­мотическое давление на всю массу раствора и опять переходя в стабильное равновесное состояние диффузного слоя. Именно в это первое мгновение уменьшения концентрации и начинает дей­ствовать осмотическая составляющая силы разуплотнения по­верхностного слоя воды – О-СРПС (одновременно с Т-СРПС), соз­давая давление на всю массу жидкости. Но поскольку масса жид­кости является веществом несжимаемым и противодействует этому давлению с равной силой, в соответствии с третьим законом Ньютона, то сами растворенные молекулы вынуждены с такой же силой удаляться из поверхностного слоя в глубину раствора, соз­давая диффузный слой.