Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 28 )

Следует отметить, что такое представление о диффузном или нерастворяющем слое принципиально отличается от точки зрения предыдущих исследователей, например Дерягина, Думанского, Злочевской и др., которые считали, что его образование обуслов­лено электростатическими силами отталкивания заряженных ио­нов от электростатически заряженной стенки. В соответствии с мнением этих ученых, растворенные частицы просто не должны допускаться близко к стенке электростатическими силами отталки­вания, которые задерживают их продвижение.

В соответствии с моими представлениями растворенные мо­лекулы могут совершенно свободно входить в поверхностный слой, не встречая никакого сопротивления, и только потом в про­цессе соударения со стенкой они приобретают стремление уско­ренно удаляться от стенки, и именно за счет этого ускорения и создается их пониженная концентрация. Это имеет, как будет по­казано ниже, существенное значение при рассмотрении миграции компонентов в микропористых средах земной коры при геологиче­ских процессах и создании микропородиффузионного каталитиче­ского эффекта.

По-видимому, такое же уменьшение концентрации растворен­ных веществ должно происходить в поверхностном слое жидко­стей в контакте не только с твердыми стенками, но и с газообраз­ными и жидкими фазами. Такой вывод можно сделать вследствие того, что стенка для растворенных молекул является просто пре­градой, от которой они диффузно отражаются, не имея возможно­сти двигаться дальше в этом направлении. Граница жидкости с газом или другой жидкостью является такой же преградой для движения растворенных молекул, от которой они диффузно отра­жаются. Правда это не относится к поверхностно-активным и ад­сорбирующимся веществам, которые, наоборот, стремятся на по­верхность, но совсем по другим причинам.

Таким образом, осмотическая составляющая СРПС воды соз­дается в процессе формирования поверхностного слоя в резуль­тате силового диффузного отражения (которое можно рассматри­вать как отталкивание) и ускоренного движения от них растворен­ных молекул от межфазных границ с твердыми, жидкими и газооб­разными веществами. Это ускорение движения молекул создается в процессе, во-первых, соударения одноименных растворенных молекул в объеме раствора и создания ими своеобразного расши­ряющегося решеточно-пружинного механизма, действующего не­зависимо от молекул растворителя, во-вторых, созданием раство­ренными молекулами вблизи межфазных границ эффекта повы­шенной концентрации за счет возникновения условий для более частого диффузного отражения от этой границы по сравнению с диффузным отражением при соударении с одноименными молеку­лами в объеме раствора, в-третьих, появления в хаотическом дви­жении растворенных молекул составляющей – прочь от границы, подобно (но не тождественно) зеркально-симметричному отскоку твердых шариков от стенок. Это приводит или к оттягиванию рас­творителя от межфазных границ и, в случае полупроницаемой мембраны, к созданию осмотического перемещения растворителя через микропоры в сторону раствора с большей концентрацией, или же к созданию диффузного слоя с уменьшающейся концен­трацией растворенных молекул (слоя с отрицательной адсорб­цией) в направлении к межфазной границе. Поэтому представле­ние о диффузном поверхностном слое как о нерастворяющем объеме воды является глубоко ошибочным. Наоборот, это слой, наиболее интенсивно растворяющий и с наиболее энергичным движением растворенных молекул, которые свободно проникают в него, не встречая какого либо сопротивления, но затем в процессе показанного выше своеобразного молекулярно-кинетического ме­ханизма стремятся ускоренно удалиться, создавая понижение кон­центрации по направлению к контакту с твердым веществом. Это явление можно объяснить, не привлекая для этого широко извест­ного представления о двойном электрическом слое (Злочевская и др., 1988), критическое рассмотрение которого не входит в число задач этой книги.

2.6. Результаты действия О-СРПС воды в природе

2.6.1. Создание микропородиффузионного каталитического эффекта (МДК-эффекта)

2.6.1.1. Сущность МДК-эффекта

Основываясь на изложенных выше представлениях об осмо­тической составляющей СПРС (О–СРПС), я выдвинул идею о су­ществовании неизвестного ранее физического эффекта, назван­ного микропородиффузионным каталитическим эффектом (МДК-эффект). Сущность его заключается в следующем. В ультратон­ких порах (микропорах) диаметром меньше двух средних рас­стояний между молекулами растворенного в жидкости веще­ства происходят одновременно два процесса: 1) ускорение движения этих молекул к выходу из микропор за счет дейст­вия осмотической составляющей СРПС как силы, выталки­вающей молекулы из нее; 2) ускорение химического взаимо­действия каждой отдельно растворенной молекулы со стен­ками микропор за счет более частого соударения с ними. Чем тоньше микропора, тем быстрее эти процессы, тем больше ускоряются химические реакции внутри микропор. Рассмотрим последовательно эти процессы.

2.6.1.2. Объяснение причин направленного движения молекул к выходу из микропор

1. Первый вариант объяснения. После подробного рассмот­рения диффузионных процессов в объеме газов и жидкостей и у стенок сосудов мы приступили к объяснению механизмов диффу­зии в заполненных жидкостью микропорах, т. е. проявлению мик­ропородиффузионного каталитического эффекта (МДК-эффекта). Что такое микропора? Это просто стенки сосуда, сближенные до расстояния, меньшего двух средних расстояний между молеку­лами растворенного вещества. Поэтому все описанные выше осо­бенности поведения молекул у стенок сосудов проявляются и здесь, но в несколько иной форме.

Возьмем сначала клиновидно или конусовидно сужающуюся микропору. В тех частях, где ее диаметр становится меньше двух средних расстояний между молекулами растворенного вещества, вероятностный контур хаотического пробега молекулы до соуда­рения с одноименными молекулами и стенками микропор стано­вится асимметричным. Если определить точнее, то асимметрия начинает проявляться при диаметре микропоры меньше величины

       

где d – диаметр микропоры; λ – среднее расстояние между молеку­лами растворенного вещества; α – угол выклинивания микропоры.

Эту величину можно вычислить из простых геометрических построений на рис. 26. Начиная с этого диаметра объем контура уменьшается в той части, которая обращена внутрь микропоры. Причем по мере сужения микропоры возрастает абсолютная вели­чина разности объема этих частей вероятностного контура при все более уменьшающейся их общей величине, в связи с чем резко увеличивается соотношение между ними (см. рис. 26). Поэтому каждая молекула растворенного вещества из-за относительно большей длины хаотического пробега будет дольше задержи­ваться в обращенной наружу части контура, отчего вероятность сместиться именно в эту сторону для нее больше. Поэтому она будет стремиться диффундировать в этом направлении, и тем бы­стрее, чем больше сужается микропора.

В микропоре с одинаковым поперечным сечением на всем ее протяжении вероятностный контур пробега растворенной моле­кулы имеет асимметричную конфигурацию только у выхода из нее. Такая асимметрия сохраняется на протяжении длины микропоры, немного меньшей среднего расстояния между растворенными мо­лекулами, и на такое же расстояние от устья за ее пределами. Ве­личина рассматриваемого интервала (рис. 26) определяется в со­ответствии с теоремой Пифагора

Рис. 26. Схема механизма возникновения направленного движения мо­лекул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выходу из клино­видно сужающейся микропоры при МДК-эффекте. Круговые линии с зиг­загообразными радиальными линиями – вероятностные контуры хаотиче­ского пробега молекул растворенного до соударения с соседними одно­именными молекулами и стенками микропор. Треугольники – разница площадей двух частей контура пробега молекул, обращенных наружу и внутрь микропоры. Стрелки внутри контуров – направление движения молекул к выходу из микропор. l – интервал микропоры, в котором соз­дается движение молекул к выходу из микропор; d – диаметр микро­поры, начиная с которого происходит их направленное движение; α – угол выклинивания микропоры; λ – радиус вероятностного контура, рав­ный среднему расстоянию между растворенными молекулами

В указанном интервале должно проявляться направленное движение растворенных молекул к выходу из микропоры. Внутри нее, в удалении от устья на расстояние больше n/2, вероятност­ный контур имеет симметричную конфигурацию и вытянутые в обе стороны контурные очертания. Поскольку на выходе из микропоры создается поток молекул, это должно сопровождаться движением молекул из более глубоких частей микропоры, т. е. в устье микро­поры как бы действует насос, который отсасывает молекулы из нее наружу.

2. Второй вариант доказательства тенденции движения мо­лекул может быть показан для случая, когда происходит упругий отскок молекул от стенок сосудов (если принимать молекулы как упругие шарики). Простейшие геометрическое построения, учиты­вая, что угол отражения равен углу падения (рис. 28), показывают, что в клиновидной микропоре, если шарик ударяется о стенку под таким углом, что сначала отскакивает по направлению внутрь мик­ропоры, то, как минимум, после одного-двух отскоков он неизбежно повернет назад и в конце концов направится к выходу из микро­поры. В частности, известно, что если футбольный мяч направить в угол спортивного зала, то после отскоков от двух угловых стен зала он вернется назад.