WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«И СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА Новосибирск 2015 УДК 504.03:538.9 Шабалин Л.И. Движущие силы природы и стратегия выживания человечества. – Новосибирск: СНИИГГиМС, 2015. – 294 с. ...»

-- [ Страница 2 ] --

«Частица кристаллической решетки (атом, ион, молекула), расположенная внутри кристалла, испытывает силы взаимодействия со стороны всех окружающих ее соседних частиц и находится в состоянии равновесия. Равнодействующая всех сил со стороны окружающих частиц на эту частицу равняется нулю. В иных условиях находится частица кристалла, расположенная на его поверхности, так как взаимодействующие с ней частицы находятся только с одной стороны – со стороны кристалла. Для того чтобы при таком несимметричном силовом поле равнодействующая всех сил, действующих на поверхности, равнялась нулю, т. е. чтобы поверхностная частица находилась в равновесии, частицы кристалла вблизи от поверхности должны располагаться иначе, чем во внутренних участках кристалла. Эти частицы и образуют поверхностный слой. Чтобы переместить внутреннюю частицу твердого тела на поверхность, нужно совершить определенную работу, которая переходит в потенциальную энергию частицы. Из этого вытекает, что все частицы в поверхностном слое обладают большим запасом потенциальной энергии, чем внутренние частицы, и на поверхности твердого тела сосредоточивается избыток энергии по сравнению с энергией тех объемных частиц, которые образовали поверхностный слой. Этот избыток энергии поверхностного слоя, отнесенный к единице площади, называется удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией» (с. 10) .

Это объяснение не выдерживает критики с точки зрения молекулярной кинетики. Как могут частицы перемещаться или даже стремиться переместиться из глубины в поверхностный слой, если он зажаты в жесткой кристаллической решетке, даже те, которые находятся во втором или третьем ряду частиц поверхностного слоя? Следует обратить внимание, на то, что появление свободной поверхности в твердом теле связано обычно с возникновением трещин, которые разрывают глубинную массу вещества, благодаря чему частицы оказываются на поверхности .

Но это не значит, что сами частицы совершают какую-то работу. Они как были, так и остались на своих местах в узлах кристаллической решетки, и в первое мгновение появления трещины никакой работы не производят. Такую работу произвели только внешние механические силы. Но это не имеет никакого отношения к работе «перемещения частиц твердого тела на поверхность», так как сами частицы остаются в кристаллической решетке. Частицы не в состоянии и втягиваться в глубь твердого вещества, поскольку это стремление сразу же вызывает равнозначное выталкивающее противодействие соседних частиц нижележащего слоя, так как сила действия равна силе противодействия. Исследователи не включают в представление о поверхностном натяжении и свободной энергии наличие в поверхностном слое того разуплотнения частиц, которое создается при их тепловом их движении. Считается, что оно способствует только снижению поверхностного натяжения, но не его образованию .

В этом, по моему мнению, заключается главная, можно сказать, фундаментальная ошибка в объяснении данного явления. Мной показано выше, что именно только тепловое движение молекул является первопричиной создания разуплотненного поверхностного слоя и связанного с этим поверхностного натяжения. Благодаря ему создаются условия для проявления стягивающих усилий в поверхностном слое жидкости ван-дер-ваальсовыми силами, придавая ему свойства поверхностного натяжения. Никакого реального свойства молекул втягиваться внутрь веществ ван-дер-ваальсовыми силами нет, а есть только стремление уменьшить нарушенное тепловым движением разуплотнение поверхностного слоя путем притягивания молекул к его нижней границе .





Аналогичные рассуждения применимы к поверхности твердых веществ. Здесь атомы совершают колебательные флюктуационные отклонения в сторону от поверхности с амплитудой, значительно превышающей амплитуду их колебания внутри кристаллов. Своим появлением над поверхностью веществ в момент этих отклонений они формируют разуплотненный поверхностный слой на глубину нескольких атомных диаметров с увеличением расстояний между атомами. Здесь атомы слабее привязаны к узлам кристаллической решетки и находятся до некоторой степени в разуплотненном состоянии, что позволяет им более свободно двигаться. Ван-дер-ваальсовы силы более свободно проявляют здесь свое действие. Они стремятся стянуть молекулы вместе в тангенциальном направлении до тех расстояний, что были между ними в глубине вещества. Здесь, как и в жидкости, между атомами разуплотненного поверхностного слоя всегда существует свободное натяжение, стремящееся стянуть атомы друг с другом. Но если в жидкости это натяжение реализуется в виде стремления сократить поверхность с образованием сферических капель, то в твердом теле этому препятствуют механические силы жесткости кристаллической решетки. Поэтому оно, хотя и существует в слое, но никак не проявляется, и определить это натяжение в твердом теле можно только косвенными методами .

Перейдем к характеристике свободной поверхностной энергии веществ. Как уже отмечалось, в научных работах и учебниках говорится, что поверхностная энергия обусловлена работой, которую производят молекулы, подходя из глубины к поверхности и преодолевая притяжение всей глубинной массы молекул. Но как показано мной, никакой работы молекулы или атомы при подходе к поверхности произвести не могут, потому что в жидкостях они не испытывают никаких сил притяжения, препятствующих их подходу к поверхности, поскольку эти силы скомпенсированы силами соприкосновения, а в твердых телах еще и прочностью фиксации атомов в узлах кристаллической решетки .

Тем не менее работу они действительно производят: когда они в процессе скачкообразного флюктуационного теплового движения оказываются над поверхностью плотной глубинной массы жидкости .

Притяжение этой массы замедляет скорость скачков молекул над поверхностью, стремясь вернуть их назад. В этом и заключается работа, производимая молекулами при формировании поверхностного слоя, что полностью согласуется с его термодинамикой. Значит в результате этой внутренней работы молекул (атомов) происходит накопление энергии в этом разуплотненном поверхностном слое, а не просто на поверхности вещества. Разуплотненный слой является, по существу, непосредственным носителем данной энергии. Здесь заключена избыточная энергия флюктуационных скачков молекул жидкости или колебательных отклонений атомов твердых веществ над поверхностью, происходящих в процессе их теплового движения. Только это тепловое движение частиц является источником свободной поверхностной энергии .

Но в таком случае поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия – это совершенно разные понятия, обусловленные разными явлениями. Поверхностное натяжение – это предел стягивания молекул поверхностной пленки друг с другом, выше которого пленка разрывается и начинается формирование новых участков слоя. Свободная поверхностная энергия – это энергия, запасенная поверхностными частицами разуплотненного слоя в процессе их скачков или колебательных отклонений над поверхностью и совершения ими при этом работы против сил притяжения назад к поверхности. Оказывается, что и величина сил, создающих то и другое, совершенно разная .

Величина поверхностного натяжения известна. Это, например, сила растяжения сферической капли жидкости в уплощенную линзу. Величина силы, участвующей при накоплении свободной энергии в поверхностном слое, несравненно больше. Достаточно вспомнить пример с твердой плоскостью, которая появляется в самый начальный момент возникновения нового участка поверхностного слоя, о которую будут ударяться все скачущие над поверхностью частицы и создавать на нее давление равное суммарной силе всех ударов. Эта сила ударов наиболее высокоэнергичных молекул равна температурному расширению веществ, так как именно эти частицы и создают расширение в глубине веществ. Только здесь они проявляют свое действие над поверхностью. Поэтому свободная поверхностная энергия запасается с участием огромной силы, и, значит и проявляться она также будет с большой силой и энергией .

Следовательно, поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия – это не одно и то же, а совершенно разные явления, различающиеся по силе и механизму возникновения и проявления .

Первое – следствие ван-дер-ваальсовых сил притяжения частиц поверхностной пленки друг к другу в латеральном направлении; а второе – результат тепловых скачков и повышенной амплитуды отклонения колебаний частиц над поверхностью веществ. Они различаются также и по времени проявления: сначала поверхностное натяжение способствует разрыву поверхностной пленки, а затем уже в образовавшиеся разрывы «устремляется» энергия тепловых скачков, часть которой запасается здесь в виде свободной энергии. Это также как открывается бутылка с шампанским: сначала откручивается проволока, препятствующая открытию пробки, а затем вылетает пробка и вместе с ней газированная жидкость. Первое усилие может быть совершенно незначительным, а второе – газированная струя может обладать большой силой. То есть, образно говоря, слабое усилие открытия пробки выпускает могучего джина .

Поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия различаются также и зависимостью от температуры. При повышении температуры первое уменьшается, а вторая возрастает, так как увеличивается энергия кинетического движения частиц – энергия их скачков и величина амплитуды колебательного отклонения, а также общее количество высокоэнергичных частиц, обладающих избыточной энергией. Различие этих двух величин показано выше на примере простой механической модели .

Таким образом, свободная поверхностная энергия веществ – это энергия, запасаемая в разуплотненном поверхностном слое за счет работы, производимой атомами или молекулами при тепловых активированных скачках или флюктуационных колебательных отклонениях, т. е. силой Т-СРПС, против сил притяжения их ван-дер-ваальсовыми силами назад к поверхности .

Поверхностное натяжение также создается при участии активированных скачков частиц в поверхностном слое. Но непосредственное формирование его происходит не путем втягивания частиц вовнутрь веществ, как это считают, а за счет необходимости поддержания постоянной толщины и плотности этого слоя при увеличении его площади, что непосредственно выражается в виде притяжения молекул к нижней границе разуплотненного поверхностного слоя с плотной массой вещества .

2.1.5.3. Возникновение Т-СРПС твердых веществ С появлением в твердом теле трещины, на поверхности мгновенно оказываются глубинные атомы из объема кристаллической решетки. На поверхности они также совершают тепловые колебания, в том числе и флюктуационные с высокой энергией. Поскольку на поверхности открывается свободное пространство в сторону газовой среды для колебаний, то атомы более свободно совершают колебательные отклонения в эту сторону с той амплитудой, с которой им это позволяет их кинетическая энергия. Благодаря этому они создают разуплотнение поверхностного слоя .

С какой же силой происходит разуплотнение этого слоя? Представим опять наличие условной плоскости вблизи поверхности твердого тела. Следует отметить, что если отмеченная плоскость является материальной, т. е. состоит из атомов, то каждый атом этой плоскости на очень коротком расстоянии будет притягиваться к поверхности твердого вещества ван-дер-ваальсовыми силами, так же как атомы встраиваются в кристаллическую решетку и находятся друг от друга на расстоянии вандер-ваальсовых размеров атомов. Но если эта плоскость отодвинется на большее расстояние, то эти силы притяжения ослабнут и главнейшая роль перейдет к более дальнодействующим молекулярнокинетическим силам, производящим скачкообразное отклонение атомов от узлов решетки. Но эти силы производят уже не притяжение атомов плоскости, а их отталкивание от поверхности вещества .

Подобное происходит и при появлении в твердом теле трещины, которая механически раздвигает атомы решетки друг от друга за пределы их ван-дер-ваальсовых радиусов, и вместо сил притяжения начинают действовать молекулярно-кинетические силы отталкивания стенок трещины друг от друга с силой температурного расширения. Таковой силой и является Т-СРПС .

Т-СРПС в твердых веществах создает и поддерживает разуплотненный поверхностный слой, обладающий особыми свойствами, которые широко проявляются в природных процессах и в технике .

Значит, Т-СРПС создает особую форму энергизированного вещества, которое внезапно появляется при открытии «дросселя», т. е. разрыве поверхности при появлении трещины, и так же внезапно может исчезать, словно аннигилировать при закрытии этого «дросселя» при плотном сжатии двух соприкасающихся поверхностей твердых веществ. Его появление сопровождается поглощением тепла, а исчезновение – выделением тепла. Это вещество называют «поверхностная фаза» (Пека, 1984), «промежуточная фаза» (Джейкок и др., 1984), «кромка» (Вудраф и др., 1989), «третье тело» (Крагельский и др., 1973). По моему мнению, его можно назвать «поверхностной разуплотненной фазой» .

Следовательно, в природе существуют жидкие, твердые, газообразные вещества и поверхностная разуплотненная фаза этих веществ, которая обладает особыми свойствами, не похожими на свойства самих веществ. Эта фаза существует даже на границе газообразных веществ, хотя они и не являются конденсированными .

2.1.6. Теоретическое и экспериментальное обоснование О-СРПС воды 2.1.6.1.. Существующие представления о диффузном или нерастворяющем слое связанной воды в контакте с твердыми веществами Как видно из приведенного выше определения СРПС, ее осмотическая составляющая – О-СРПС создается растворенными в жидкости молекулами, концентрация которых в поверхностном слое уменьшается с силой осмотического давления в период увеличения поверхности жидкости при растекании. Тот факт, что в растворах концентрация снижается в контакте с твердыми веществами, был известен давно. Поэтому поверхностный слой называли диффузным или нерастворяющим слоем .

Наиболее обстоятельно эти представления разработаны и экспериментально подтверждены А. В. Думанским (1937, 1960) и его школой. Сущность нерастворяющих свойств этого слоя заключается в том, что в контакте с твердыми веществами и коллоидными частицами, обладающими гидрофильными свойствами (т. е. хорошей смачиваемостью), в этом слое наблюдается уменьшение концентрации растворенных в воде веществ по направлению к границе фаз. Гидрофильными свойствами обладают большинство горных пород и минералов в земной коре и все биологические молекулы и клетки растений и живых организмов. Поэтому данное свойство проявляется почти повсеместно в природе .

По-видимому, впервые это свойство было обнаружено в практике сахарного производства, когда оказалось, что концентрация сахара в чистом растворе над объемными осадками с коллоидной массой сахарной рапы выше, чем в этих осадках. При определении содержания сахара на это всегда делалась поправка. С начала XIX в. рядом исследователей проводились эксперименты по определению толщины диффузного слоя и количества связанной воды. А.В. Думанский для этих целей предложил простой и надежный способ: к коллоидному раствору добавляется навеска раствора, так называемого индикатора, т. е. какого-либо индифферентного растворенного вещества известной концентрации, и после отфильтровывания коллоида определяется концентрация индикатора в интермицеллярном растворе. Вычисление количества нерастворяющего объема связанной воды производится по соответствующим формулам. Было показано, что толщина диффузного слоя уменьшается при возрастании концентрации индикатора в объеме раствора .

Существование пониженной концентрации растворенных веществ в контакте воды с минералами горных пород, т. е. диффузного слоя, экспериментально установлено М.С. Котовой (1965), П.А. Крюковым (1971) и рядом других исследователей, показавших, что при сдавливании под прессом рыхлых пород (глин, илов) концентрация содержавшихся в них солей все более уменьшается в последовательно отжимаемых под все большим давлением порциях раствора .

Думанский считал, что причиной формирования диффузного слоя являются возрастание степени ориентированности диполей воды по мере приближения к твердому телу и электростатические силы притяжения заряженных частиц, когда сам этот слой приобретает свойства «квазитвердого тела», названного им лиосферой. В своей ранней работе (1937) он говорил, что связанная вода является динамической системой и это делает возможным проникновение в нее растворенных в интермицеллярной жидкости молекул и их адсорбцию. Позднее он (1960) отмечал, что «наличие связанной воды в порах мембран – одна из причин непроходимости для молекул растворенных веществ, для которых связанная вода не является растворителем» (с. 38), т. е. он считал, что связанная вода является как бы барьером, не пропускающим растворенные молекулы через него. В целом подобных представлений придерживался Дерягин (1939), говоря о квазиархимедовом эффекте выталкивания растворенных молекул из диффузного слоя .

Я предлагаю принципиально другое объяснение формирования диффузного слоя, основываясь на действии О-СРПС. Причем в этом случае молекулы свободно входят в диффузный слой, не ощущая своей нерастворимости, но затем в процессе молекулярно-кинетического соударения с твердой стенкой они ускоренно удаляются и этим создают в нем пониженную концентрацию. Причиной уменьшения здесь концентрации растворенных веществ являются не электростатические силы притяжения-отталкивания молекул, а особенности молекулярно-кинетического движения молекул в поверхностностном слое, связанные со своеобразным проявлением здесь осмотического давления. Для понимания этого необходимо рассмотреть вопрос о том, что такое осмос и осмотическое давление .

2.1.6.2. Новое представление о диффузии растворенных веществ и осмотическом давлении По-видимому, для читателя это выглядит чудовищным заявлением, что не физик, а геолог по профессии, то есть я, дилетант в физике, отвергает существующие сейчас классические представления о теории диффузии и осмосе и предлагает новые, тем более, что за объяснение механизма осмоса и установление закона о равенстве газового и осмотического давлений Вант-Гофф еще в 1900 году получил Нобелевскую премию. Тем не менее я это делаю с полной убежденностью и ответственностью за свои слова и, по моему мнению, именно только дилетант и может это сделать, так как для этого надо отказаться от некоторых известных догматических представлений и под новым углом зрения посмотреть на некоторые из них, сделать чего обычно не могут специалисты-профессионалы в этой области .

«Подкоп» под эти классические представления я начал, когда возникла необходимость дать молекулярно-кинетическое объяснение образования диффузного поверхностного слоя воды и связанного с этим осмотического давления и осмоса. Как оказалось причина осмоса до настоящего времени осталась не ясной, о чем отмечается в весьма авторитетных учебниках физики. Поскольку осмос – это диффузионное явление, то у меня возникли подозрения, что, вероятно, существует какая то ошибка в самой теории диффузии .

Неясность в объяснении причины осмоса Осмотическое давление было известно с начала XVIII в. Впервые объектом точных измерений оно стало в 1877 г., когда ботаник Пфеффер при помощи полупроницаемой мембраны определил осмотическое давление на примере раствора сахара. Но первый наиболее детальный теоретический анализ осмоса был сделан Я.Г. Вант-Гоффом. Он открыл закон равенства газового и осмотического давлений, названный его именем: осмотическое давление, оказываемое растворенным веществом, равно давлению, которое производило бы это же вещество, находясь в газообразном состоянии при той же температуре .

Осмотическое давление проявляется только при наличии полупроницаемой мембраны, пропускающей растворитель, т. е. воду, но не пропускающей растворенное вещество. В этом случае растворитель переходит в ту сторону сосуда, разделенного мембраной, где больше концентрация растворенного вещества, создавая здесь осмотическое давление, которое способно или перемещать мембрану (если она подвижная), или повышать гидростатический уровень раствора в этой половине сосуда (если мембрана неподвижна) .

В своей ранней работе об осмосе в 1887 г. (см. Вант-Гофф, 1984) совершенно определенно говорит: «Механизм, который вызывает давление у газов и осмотическое давление растворов по существу одинаков: в первом случае речь идет об ударах молекул газа о стенку сосуда, в последнем – об ударах молекул растворенного вещества о полупроницаемую мембрану (если не принимать во внимание удары молекул растворителя, которые находятся по обе стороны мембраны и проходят через нее). … Если рассматривать осмотическое давление как имеющее кинетическое происхождение, т. е. возникающее в результате ударов молекул растворенного вещества, то при доказательстве приходят к признанию пропорциональности числа ударов в единицу времени с количеством соударяющихся молекул в единице объема. Тогда теоретическое обоснование будет идентично доказательству закона Бойля для идеальных газов. Если же, напротив, видеть в осмотическом давлении проявление водопритягивающего действия растворов, то его величина, очевидно, пропорциональна количеству притягивающихся молекул в единице объема» (с. 214, 216) .

Вант-Гофф говорит об осмосе как результате действия ударов молекул о мембрану в том случае, если она является подвижной и способна перемещаться в сторону раствора с более низкой концентрацией. Если же мембрана неподвижная, то тогда он говорит о водопритягивающем действии растворенных молекул, которые как бы притягивают на свою сторону молекулы воды сквозь микропоры мембраны. Но он не дает объяснения механизма, как одни и те же молекулы могут создавать удары молекул о мембрану и в то же время притягивать воду сквозь микропоры .

Действительно, эти механизмы с точки зрения существующей молекулярно-кинетической теории невозможно объяснить. Если представить, что растворенная молекула ударяется о мембрану с одной стороны, создавая давление на нее, то точно такой же удар и такое же давление создает и молекула растворителя, причем с такой же кинетической энергией, поскольку, согласно Максвеллу, молекулы с различной массой в процессе хаотического теплового движения выравнивают свои кинетические энергии .

С обратной стороны мембраны, где, например, растворенных молекул меньше, они так же и с такой же кинетической энергией будут ударяться о мембрану, как и количественно преобладающие молекулы растворителя. Причем, согласно закону Авогадро, с этой стороны мембраны в единице объема содержится в сумме такое же количество растворенных молекул и растворителя, как и с другой стороны .

Значит, о мембрану с обеих сторон будет ударяться одинаковое количество молекул с одинаковыми кинетическими энергиями. Как же в таком случае будет создаваться давление на мембрану, чтобы она перемещалась? Однако она ведь действительно перемещается .

Механизм водопритягивающего действия растворенных молекул никто, в том числе и сам ВантГофф, даже не пытался объяснить, так как совершенно очевидно, что с точки зрения существующих классических молекулярно-кинетических представлений никакому разумному объяснению он не поддается .

Тем не менее эти представления Вант-Гоффа были приняты рядом известных ученых – В. Оствальдом, Г. Бредигом, В. Нойе-сом, Л. Больцманом, Э. Рикке, Г. Лоренцом и др. (см. Boltzman, 1889), которые обратили внимание исключительно на формальную кинетическую трактовку причин осмотического давления. Они принимали, что растворы представляют собой простую механическую смесь частиц растворенного вещества и растворителя, обычно настолько индифферентных друг к другу, что растворитель служит лишь пространством, в котором растворенные молекулы могут принимать состояние, подобное газообразному .

Эти представления Вант-Гоффа подверглись резкой критике рядом других ученых и в первую очередь наиболее аргументировано Л. Мейером (Meyer, 1890), который считал, что осмотическое давление представляет собой давление не растворенного вещества, а растворителя или, вообще говоря, давление того вещества, которое пропускает мембрана. Он считал необоснованным называть одну составную часть раствора растворителем, а другую растворенным веществом. Они, по его мнению, могут играть одинаковую роль, что подтверждено следующим примером. Если водный раствор спирта отделяется животной перепонкой от чистой воды, проницаемой только для нее, то вода проникает через эту перепонку и производит повышение давления. Если же тот же спиртовой раствор отделить каучуковой пластинкой не пропускающей воду, но пропускающей спирт, то повышение давления произойдет от проникновения спирта. Поэтому, как считал Л. Мейер, недопустимо относить осмотическое давление к тому веществу, для которого перегородка является непроницаемой .

Мейер опубликовал две статьи, критикующие представления Вант-Гоффа. Соответственно в ответ Вант-Гофф дал два ответа в печати. В этой дискуссии (см. Добротин, 1977) Вант-Гофф отмечал:

«Мы еще раз встречаемся с бесплодным в сущности вопросом о том, чем вызывается осмотическое давление. На самом деле, как уже было подчеркнуто, меня занимает в конце концов только его величина, а так как последняя оказалась равной величине газового давления, то склонны думать, что и механизм осмотического давления подобен тому, который мы находим в случае давления газа»

(с. 164–165). Вант-Гофф подчеркивал, что «любое представление, которое можно себе составить о происхождении осмотического давления или действия полупроницаемой перепонки, остается без влияния на дальнейшее развитие теории. Таким образом, вопрос – производится ли осмотическое давление растворителем или растворенным телом – может оставаться вне поля внимания, как и вопрос, основано ли оно на ударе или на притяжении» (с. 165) .

Дискуссия между ними была очень острой. Вант-Гофф допустил даже злую иронию в адрес Мейера, очень задевшую того, посоветовав построить с помощью описанных им полупроницаемых перегородок перпетуум мобиле, при помощи которого он мог бы в случае нужды закачивать в свою лабораторию воду, не затрачивая работы .

Из дискуссии следует, что Вант-Гофф уверенно защищал лишь аналогию между газовым и осмотическим давлением, но не пытался разъяснить природу последнего. Это можно видеть из его речи при получении Нобелевской премии в 1900 г., где он отмечал (Вант-Гофф, 1984), что «независимо от какой-либо гипотетической концепции о причине осмотического давления было установлено, что при одних и тех же условиях, т. е. при том же числе молекул в том же объеме и при той же температуре, давление также имеет одинаковое значение» (с. 409) .

За прошедшее со времен Вант-Гоффа столетие представление о том, что осмотическое давление вызывается растворителем, а не растворенным веществом стало доминирующим и вошло во все учебники по физике. В Большой Советской Энциклопедии также отмечается, что «осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворенного вещества. Тенденция системы выровнять химические потенциалы во всех частях своего объема и перейти в состояние с более низким уровнем свободной энергии вызывает осмотический (диффузионный) перенос вещества» .

Ван-дер-Ваальс (1936), поддержавший представления Л. Мейера, изложил их молекулярнокинетический смысл таким образом: «Если мы растворим теперь по одну сторону мембраны какоелибо вещество, то в результате растворения молекулы воды на этой стороне в среднем окажутся на больших расстояниях друг от друга, чем прежде; в единице объема будет находиться меньшее число молекул воды и, следовательно, также меньшее число молекул воды будет поступать с этой стороны при расчете на единицу площади мембраны и проходить через нее, чем с другой стороны. Следовательно, растворитель будет проникать через мембрану и равновесие нарушится» (с. 244) .

Однако в этих представлениях существует не менее очевидная неясность, чем в представлениях Вант-Гоффа об ударах молекул о мембрану. Если количество молекул растворителя с одной стороны мембраны больше за счет меньшего содержания здесь растворенных молекул, то, казалось бы, действительно растворитель должен в большем количестве переходить на другую сторону мембраны, где таких же молекул меньше в соответствии с законами диффузии. Но дело в том, что каждая из этих переходящих молекул сразу же своим присутствием увеличивает общее гидростатическое давление раствора с той стороны, куда она переходит, и, следовательно, это давление в равной степени будет препятствовать переходу. Иначе говоря, диффузионная сила давления молекул в отверстиях мембраны будет сразу же встречать равную ей по величине и обратно направленную гидростатическую силу. Поэтому никакого перехода молекул растворителя не может состояться. Даже если несколько молекул случайно пройдет в одной микропоре, то такое же количество молекул будет выдавлено назад через другие микропоры и никакого осмоса не будет .

Предположение о том, что через микропоры возможен только диффузионный перенос вещества и не может происходить гидродинамическое выдавливание растворителя, является несостоятельным, так как известно явление ультрафильтрации и обратного осмоса, когда через любую мембрану свободно проходит растворитель за счет повышения гидростатического давления сверх осмотического с той стороны, где больше растворенных молекул (Дытнерский, 1978) .

Предлагаются также и другие теории о причине осмоса. Б. В. Дерягин выдвинул идею о том, что причиной осмоса являются особенности движения жидкости в капиллярах – капиллярный осмос (Дерягин и др. 1947, 1989; Чураев, 1980). По их мнению, «явление капиллярного осмоса состоит в том, что жидкость в капиллярах и порах способна перемещаться под действием градиента концентрации раствора на входе и выходе из мембраны. Причиной капиллярного осмоса является диффузность адсорбционных слоев растворенного компонента. Увлечение потоком жидкости подвижной части диффузных слоев с повышенной (или пониженной) концентрацией растворенного вещества приводит к возникновению градиента концентрации. В соответствии с уравнениями термодинамики необратимых процессов, это обусловливает возможность перекрестного эффекта, а именно течения жидкости под действием перепада концентрации» (Дерягин и др., 1989, с. 24). Дерягин не приводит молекулярно-кинетического объяснения причины осмоса. Кроме того, неясно, почему при этом процессе становится более подвижной часть диффузионного слоя, учитывая приведенные им же данные о повышенной вязкости этого слоя .

В развитие идей Дерягина и Думанского (1937, 1960) о связанной воде и диффузном граничном слое Ю.И. Дытнерским (1975) предложена так называемая капиллярно-фильтрационная модель осмоса и селективной проницаемости мембран. Эта модель основана на идее о том, что вода на границе раздела твердое тело – раствор по своим свойствам отличается от воды в свободном состоянии, теряя частично или полностью свою растворяющую способность. Последнее выражается в том, что у границы раздела растворенное вещество содержится в пониженном количестве по сравнению с остальным объемом раствора, образуя здесь диффузный слой. Кроме того, в капиллярно-фильтрационной модели учитывается фактор гидратации ионов растворенного вещества, т. е. как бы обрастания их «шубой» поляризованных молекул воды, вследствие чего их размер становится крупнее. Основываясь на этих положениях, Дытнерский объясняет селективную проницаемость мембран. Если диаметр пор мембраны меньше двойной толщины диффузного слоя воды плюс гидратной «шубы» иона, то через такие поры будет проходить только вода, а гидратированные ионы растворенного вещества будут задерживаться, что и обусловливает селективность мембран .

На этом же основании он дает и объяснение осмоса. Тепловое движение ионов солей в растворе приводит к тому, что они захватывают связанную воду у поверхности мембраны и в порах, включая ее в свои гидратные оболочки, и переносят ее в объем раствора, где вода перераспределяется между остальными ионами. Уменьшение концентрации воды у поверхности мембраны, и в первую очередь у поверхности участков пор мембраны, обращенных к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану. Таким образом, по его мнению, действует своеобразный «гидратный насос» .

Чем больше количество ионов в растворе, тем сильнее деятельность «гидратного насоса» с каждой стороны мембраны. Осмотическое давление обусловлено разностью мощностей этих насосов, пропорциональных разности концентраций растворенных веществ .

Д.А. Франк-Каменецкий (1987) считал, что диффузия через мембраны является не просто физическим процессом, а тесно связана с сорбционными явлениями и неравновесными химическими процессами. Процесс осмоса, по его мнению, связан с сорбцией диффундирующего вещества, т. е. растворением его в материале мембраны. Затем вещество диффундирует в растворенном состоянии, после чего с другой стороны мембраны происходит десорбция .

В ряде современных учебников по физике (например, Матвеев, 1987; Сивухин, 1990) отмечается, что причина осмоса до настоящего времени недостаточно ясна. В одних учебниках физики излагаются представления об осмосе Вант-Гоффа (Кикоин и др., 1976), а в учебниках по химии – представления Мейера (Герасимов и др., 1973; Некрасов, 1981) .

Все эти неясности заставляют искать другие более убедительные варианты объяснения осмоса .

Ошибка в молекулярно-кинетической теории диффузии, не позволившая дать удовлетворительное объяснение причины осмоса По моему мнению, такой ошибкой является признание того, что диффузия осуществляется в результате хаотического бесцельного блуждания молекул растворенного вещества в растворителе равновероятно во все стороны как при диффузии, так и самодиффузии. Анализ этого начнем с рассмотрения установленного Вант-Гоффом закона о равенстве газового и осмотического давлений. В чем же выражается это равенство?

Согласно этому закону, растворенные в жидкости молекулы расширяются так же, как и газ аналогичной концентрации, и создают осмотическое давление. Это расширение, вернее разбегание молекул, происходит при диффузии из более концентрированной части раствора в менее концентрированную .

Признается, что «эффективной движущей силой диффузии является градиент химического потенциала, обладающий размерностью силы на единицу количества растворенного вещества» Иными словами, признается, что диффузионное разбегание молекул друг от друга в растворе происходит с такой же силой, как и движение молекул газа в сторону пониженного давления, т. е. в сторону меньшего их количества .

Только это осуществляется с гораздо меньшей скоростью, так же как расширение газа отличается от осмотического просачивания жидкости сквозь микропоры мембран .

Дальнейший ход моих рассуждений был следующий. Если в обоих случаях молекулы разбегаются с одинаковой силой производимого ими давления, значит, должны быть подобны и механизмы, создающие это разбегание. Для газов этот механизм хорошо известен. Он создается в процессе взаимного соударения молекул друг с другом и со стенками сосуда. Следует подчеркнуть – именно взаимного соударения молекул .

Если же мы обратим внимание на механизм разбегания молекул при диффузии в жидкостях и газах, то увидим, что там, оказывается, существуют противоположные представления: в этом разбегании взаимное соударение молекул не играет абсолютно никакой роли. Исследователи не видят принципиального различия между самодиффузией молекул одного и того же сорта и взаимной диффузией разных веществ. По-видимому, первый эту идею высказал в XVIII в. Максвелл (1968): «Согласно нашей теории и в спокойном воздухе совершаются такого же рода движения, как и в диффундирующих газах; разница только в том, что мы легче можем обнаружить движение молекул с места на место в том случае, когда они по природе отличны от тех, между которыми диффундируют» (с. 77). Он говорит, что полным аналогом процессов диффузии и самодиффузии может служить процесс перемешивания пчел, одна часть которых мечена мукой в улье. Через некоторое время свободного полета все меченые и немеченые пчелы перемешиваются между собой .

Таких же представлений придерживался Больцман (1953), отмечая, что «в покоящихся газах ни одно направление движения молекул не может считаться предпочтительным» (с. 35) .

Не отличаются от этих представлений и высказывания А. Эйнштейна (1936) о диффузии в жидкостях. По его мнению, диффузионные «перемещения обусловливаются только окружающим растворителем, остальными же растворенными молекулами – лишь в незначительной степени. Поэтому эти перемещения молекул в различные по концентрации части раствора в среднем будут одинаковой величины и столь же часто будут положительными, как и отрицательными. … Отдельные молекулы жидкости меняют свои места самым неправильным образом. Это, так сказать бесцельное блуждание молекул растворенного вещества в растворе ведет к тому, что первоначально неравномерное распределение концентрации растворенного вещества постепенно уступает место равномерному» (с. 76). Эйнштейн неоднократно подчеркивал, что «движение отдельных частиц независимо друг от друга» (с. 25) .

Аналогично высказывался М. Смолуховский (см. Эйнштейн, Смолуховский, 1936), который в своих расчетах основывался «на двух обстоятельствах: 1) движение отдельных частиц друг от друга независимо и 2) для каждой из частиц все положения в объеме V равновероятны» (с. 346). По его мнению, «диффузия проявляется просто как результат невозмущенного броуновского движения отдельных частиц» (там же), и поэтому осмотическое давление является следствием этого движения .

Такие представления сейчас в мировой науке не то что доминирующие, они практически единственные и считаются классическими. Поэтому их можно встретить в любом учебнике физики. В соответствии с ними в типичном виде механизм диффузии представляется следующим образом в изложении, например, Р. Робинсона и др.(1963): «В растворах, содержащих одно растворенное вещество, происходит диффузия этого вещества из области повышенной концентрации в область пониженной концентрации. Одновременно с этим происходит диффузия растворителя в противоположном направлении. Однако если выделить два соседних элементарных объема, то окажется, что некоторая доля частиц из первого объема перемещается по направлению ко второму элементарному объему, а какая-то доля частиц из второго объема – в прямо противоположном направлении. Если концентрация в первом элементе объема больше, чем во втором, то число частиц, покидающих этот объем, больше числа попадающих в него частиц. Иными словами, возникает отличный от нуля поток растворенного вещества в направлении более низкой его концентрации» (с. 332) .

Таким образом, можно констатировать, что в мировой науке считается общепризнанным, что если расширение газов происходит в процессе взаимного соударения молекул, то при диффузии растворенных веществ взаимное соударение молекул не играет никакой роли и разбегание молекул друг от друга происходит по другому закону. Но в таком случае возникает вопрос, почему же, основываясь на этом, молекулярно-кинетическая теория оказалась не способной удовлетворительно объяснить причину создания осмотического давления через полупроницаемые мембраны?

Я задумался над этим вопросом и возникла идея: нельзя ли объяснить причину диффузии подобно расширению газов, как результат взаимного соударения, но только одноименных растворенных молекул? Тогда, может быть, удастся найти решение проблемы осмоса .

Новое объяснение диффузии как осмотической силы, возникающей в результате соударения одноименных растворенных молекул Следует сразу отметить, что в чистом виде теорию диффузии обычно рассматривают для так называемых идеальных растворов, т. е. растворов с низкой концентрацией, где растворенные молекулы достаточно редко рассеяны в массе растворителя и считается, что их взаимные соударения очень редки. Но надо обратить внимание, что каждая молекула в газах и жидкостях соударяется друг с другом с частотой 1010–1028 раз в секунду (Максвелл, 1968; Карапетьянц, 1994). Если сравнить это невообразимо огромное число соударений с общим соотношением растворенных молекул, даже с таким низким, как, например, 1:1000 или 1:10000, то даже при еще меньшей концентрации число их взаимных соударений остается весьма значительным, поскольку различия между этими цифрами несопоставимо велики. Поэтому вряд ли правомерно считать, что соударения одноименных молекул даже в низкоконцентрированных растворах редки. При этом следует отметить следующее: например, для так называемых идеальных, достаточно разреженных, газов признается, что, хотя столкновения между молекулами редки, но именно они «существенны для самого факта установления определенных тепловых свойств» (Ландау и др., 1969) .

Задача определить роль соударения одноименных растворенных молекул в диффузии никем из классиков молекулярно-кинетической теории газов не ставилась, а значит, и не делалась попытка ее решить .

Таким образом, приходится сделать заключение, что я, по-видимому, первый обратил на это внимание и поэтому предлагаю свой, по существу, первый вариант объяснения. С этой целью я сформулирую вопрос несколько иначе: отличается ли путь движения молекулы, когда она движется среди молекул только растворителя и когда она движется среди них и определенного количества таких же растворенных одноименных молекул?

Анализ пути хаотического движения отдельной молекулы в растворе газа Проанализируем путь хаотического зигзагообразного движения молекулы газа, присутствующего в небольшом количестве (менее 50%), например водорода, среди количественно преобладающего кислорода, который является, по существу, газообразным раствором. Если в сосуде убрать перегородку, разделяющую чистый кислород и кислород с примесью водорода при одинаковом давлении, то каждая молекула последнего, согласно теории вероятности, будет двигаться хаотически равновероятно в сторону или кислорода, или смеси газов. Эта молекула в чистом кислороде будет соударяться только с его молекулами и продолжит хаотическое движение в этой части объема. Если молекула двинется в сторону смеси газов, то она будет значительно чаще соударяться с молекулами количественно преобладающего здесь кислорода, но также, хотя и реже, с молекулами водорода. Возникает вопрос, а будет ли длина хаотичного пути каждой молекулы водорода в обоих случаях одинакова?

Современная молекулярно-кинетическая теория отвечает на него положительно. А так ли это?

Обратимся к законам механики. Хорошо известно, что если в процессе соударения двух одинаковых шариков один из них неподвижен, то второй, ударяясь о него, останавливается, так как полностью передает ему кинетическую энергию, а первый начинает двигаться с той же скоростью и в том же направлении, что и второй. Такое явление в процессе соударения одинаковых шариков происходит при любой скорости движения второго шарика .

При соударении двух шариков с разными массами, если меньший из них неподвижен, то больший, ударяясь о него, отталкивает его и сам продолжает двигаться в том же направлении, но с меньшей скоростью. Если неподвижный шарик имеет большую массу, то меньший шарик, ударяясь о него, отскакивает назад, а первый начинает двигаться вперед. Ни один из шариков при этом не останавливается после удара при любой разности скоростей между ними .

Для случая шариков-молекул, хаотически движущихся в пространстве, это свойство передавать кинетическую энергию математически точно рассчитано, и этот расчет имеется во многих учебниках физики, например Джанколи (1989) или Сивухина (1989). Согласно этому расчету, доля энергии, теряемая частицей при упругом столкновении, максимальна, когда соударяются частицы с одинаковой массой, и эта доля уменьшается при соударении частиц с разной массой. Это свойство уже практически используется для замедления нейтронов в ядерных реакторах. Как известно (Джанколи, 1989), в ядерном реакторе высвобождаются нейтроны (и энергия), когда происходит деление (распад на части) ядер урана-235. Процесс деления осуществляется с заметной скоростью лишь при условии, что ядра урана-235 сталкиваются с очень медленно движущимися нейтронами. Эти нейтроны, испущенные в предшествующих актах деления, движутся очень быстро, поэтому для поддержания цепной реакции скорость нейтронов должна быть быстро замедлена прежде, чем они покинут топливные урановые стержни. Вещество, используемое для замедления нейтронов, называется замедлителем .

Можно считать, что атомы замедлителя практически покоятся. Следовательно, если масса атомов замедлителя будет значительно больше или значительно меньше массы нейтрона, то скорость нейтрона не будет заметно уменьшена. Но если использовать замедлитель из вещества, масса атомов которого близка к массе нейтронов, то скорости нейтронов после лобового столкновения уменьшатся фактически до нуля. У самого легкого атома водорода масса почти точно совпадает с массой нейтрона, поэтому водород мог бы служить идеальным замедлителем. Но обычно водород имеет сильную тенденцию к поглощению нейтронов, и вследствие этого он бесполезен для использования. Применяют протон водорода, так называемый дейтерий или тяжелый водород, масса которого всего лишь в два раза больше массы нейтрона. Также в качестве замедлителя используют углерод, масса которого не слишком велика по сравнению с нейтроном .

Следовательно, свойство молекул передавать кинетическую энергию от одной к другой уже используется на практике. Но следует обратить внимание на еще одно свойство соударяющихся шариков-молекул: в случае столкновений одинаковых шариков один из них может останавливаться, в то время как при соударении разных шариков такого не происходит. Однако остановка шарикамолекулы означает, что на это время прекращается ее хаотическое блуждание в пространстве, тогда как шарики разной массы после соударения не останавливаются и продолжают хаотически двигаться .

Значит, чем чаще соударяются одинаковые шарики-молекулы, тем чаще они, образно говоря, топчутся на месте, тогда как при соударении разных шариков такого «топтания» не происходит .

Причем, если, например, быстро движется не та молекула, путь которой мы наблюдаем, а другая встречная молекула, а наша молекула сделала до соударения остановку в пространстве и, значит, после нового соударения начала двигаться быстрее. Но это ничего не меняет в вышеуказанных представлениях, так как это молекулы-близнецы, и не имеет значения, какая из них после соударения остановилась. Главное, что после соударения в системе из двух сталкивающихся молекул по существу ничего не изменилось: одна, как было и до этого, стоит на месте, а другая также быстро движется, тогда как после соударения разных молекул подобного не происходит .

Если, например, одинаковые шарики-молекулы движутся навстречу друг другу с разной скоростью, то при лобовом столкновении они обмениваются скоростями и более быстрая начинает двигаться назад со скоростью более медленной, а вторая – наоборот. Значит, в этом случае в системе из двух одинаковых соударяющихся молекул сначала одна молекула с замедленной скоростью, затем приобретающая эту же медленную скорость вторая молекула больше времени проводят около точки соударения, чем молекулы с разной массой, обменивающиеся скоростями не так существенно. Чем больше различие в скоростях между одинаковыми молекулами, тем относительно меньше будет скорость медленно движущейся молекулы. Следовательно, после их соударения сначала одна, затем другая молекула будет дольше находится около точки соударения, вплоть до описанного выше крайнего варианта, когда одна молекула стоит на месте, а вторая двигается .

Если одинаковые молекулы соударяются с одинаковой скоростью, то и отскакивают друг от друга с такой же одинаковой скоростью. По мере уменьшения скорости одной из них одна из молекул будет все больше времени проводить около точки соударения, приближаясь к полной остановке .

Разные по массе молекулы в этих же условиях после соударения отскакивают на разные расстояния, причем, даже при самой значительной разности в скоростях, более легкая молекула отскочит от более тяжелой с достаточно большой скоростью, так что время ее пребывания около точки соударения в любом случае будет меньше, чем после соударения с такой же одноименной молекулой .

Вот это различие в характере соударения одинаковых молекул и разных по массе молекул я впервые предлагаю использовать для объяснения диффузии веществ. Вернемся к рассмотрению диффузионного движения молекулы водорода среди кислорода. Если молекула водорода двинется в сторону молекул чистого кислорода, то, соударяясь с ними, она не будет «топтаться» на месте, а будет хаотически блуждать среди массы растворителя. Если же молекула водорода двинется в сторону смеси кислорода и водорода, то в случае соударения с последними она будет временно приостанавливать свой бег в пространстве, т. е. «топтаться» на месте, сокращая расстояние своего хаотического пути от исходной точки. Значит, если, например, молекула водорода «рисует» в пространстве зигзагообразную фигуру в виде восьмерки, то эта фигура среди смеси газов окажется недорисованной на несколько звеньев .

Следовательно, общее расстояние хаотического движения молекулы водорода среди чистого кислорода за единицу времени будет длиннее, чем общее расстояние, которое она проходит среди смеси водорода и кислорода. Причем чем больше концентрация водорода, тем меньше будет это расстояние. Получается, что при диффузии растворенных молекул их путь в сторону чистого растворителя длиннее и, значит, короче в сторону смеси газов, и чем больше градиент концентрации, тем больше различие этих путей (рис. 43). Следовательно, разбегание молекул в процессе диффузии осуществляется по такому же принципу за счет взаимного соударения молекул (но только одноименных), как расширение газов в сторону пониженного давления. Только диффузионное разбегание молекул происходит гораздо медленнее: настолько, насколько хаотический путь блуждания молекул от соударения до соударения с одноименными молекулами больше свободного пробега молекул газа .

Эта простая идея, на которую следовало бы давно обратить внимание, имеет принципиальное значение для нового объяснения причины диффузии веществ и осмотического давления. Никем из классиков молекулярно-кинетической теории газов и жидкостей она не высказывалась, потому что все они исходили из представления, что движения диффундирующих молекул равновероятны во все стороны как при диффузии, так и самодиффузии. Действительно, нет никакого сомнения в том, что непосредственно после соударения все направления отскоков являются равновероятными. Но из этого еще не следует, что равновероятными и одинаковыми по величине являются все направления хаотического блуждания молекулы в пространстве. А именно это и делают все исследователи, когда характеризуют механизм диффузии, как, например, приведенный выше (Робинсон и др., 1963; Jost, 1952): диффузионный поток больше в сторону меньшей концентрации раствора только потому, что в эту сторону переходит больше молекул, чем с обратной стороны, где этих молекул меньше, при условии, что отдельные молекулы не имеют преимущественного направления в пространстве движения .

Я же развиваю идею, что не только поэтому, а еще и потому, что каждая из растворенных молекул совершает более длинный путь в сторону меньшей концентрации молекул, чем в сторону с большей концентрацией за единицу времени, и поэтому как бы отталкивается растворенными молекулами в сторону их меньшей концентрации, подобно расширению газов в сторону пониженного давления .

Но в отличие от газов это «отталкивание» хотя и осуществляется в результате более частого соударения с одноименными молекулами, но за счет того, что в процессе соударения появляется различие в длине пути хаотического движения в сторону большей и меньшей концентрации молекул. Данное различие обусловлено «топтанием» растворенных молекул на месте при их соударении с одноименными растворенными молекулами. Это «топтание» происходит потому, что соударение одинаковых шариков-молекул приводит к максимальной потере скорости и энергии их движения, т. е. к их временной частичной остановке, что подтверждается использованием замедлителей быстрых нейтронов в ядерных реакторах .

Эту идею можно еще представить так. Если в расРис. 43. Вероятностный контур относительной творе имеется одна совершенно неподвижная молекула, длины хаотического блуждания в растворе то сколько бы об нее не ударялось одноименных молекул молекулы растворенного вещества в результас любой скоростью, то эта молекула так и останется на те соударения с одноименными молекулами в единицу времени при наличии градиента кон- этом месте не сдвинувшись с него .

Вернее это будет уже центрации не та первая молекула, а другие ее близнецы, которые пришли на ее место. Если в растворе будут неподвижными 10, 100 или, наконец, все молекулы кроме одной подвижной, то все они также будут стоять на месте сколько бы времени об них не ударялись подвижные молекулы. Значит практически здесь никакой диффузии не будет, так как вся система будет неподвижной. Но при той же расстановке разных по массе молекул все перейдут в движение и будут диффундировать, так как при соударении даже с неподвижными молекулами они приводят их в движение и сами продолжают двигаться вследствие вышеотмеченных причин. Поэтому в этом случае путь движения молекул в пространстве будет больше, чем в первом случае одинаковых молекул .

Важный аспект проблемы диффузии – различие в степени активности-пассивности диффундирующих молекул газа-растворителя и растворенных в нем молекул Сущность вопроса состоит в том, что если, например, молекулы водорода присутствуют в небольшом количестве среди молекул кислорода и диффундируют в нем, то они активно продвигаются в сторону пониженной концентрации, так как определенным способом отталкиваются друг от друга, образуя, как и в газах, своеобразный решеточно-пружинный механизм. В отличие от них количественно преобладающие молекулы кислорода, составляющие основу растворителя, его непрерывный континуум, почти все время сталкиваются друг с другом и поэтому не имеют возможности определить, в какую сторону им двигаться. Они являются вмещающей средой для растворенных в ней молекул водорода, поэтому, если последние имеют возможность в этой массе самостоятельно двигаться в каком-либо направлении, то сама эта масса не в состоянии выбрать направление движения. Она способна только пассивно заполнять пространство, откуда ушли молекулы растворенного в ней водорода .

Если обратиться к решеточно-пружинной модели, то можно представить себе, что этот механизм для водорода действует активно, а для количественно преобладающего кислорода – пассивно. По существу, первый активно разжимается, а второй только пассивно следует этому разжиманию, не позволяя газам в целом изменить свое давление в ходе этого процесса, т. е. пассивно заполняет вакуум позади движущихся молекул водорода .

Если, например, в толпе людей с красными повязками на голове имеется небольшое количество людей с белыми повязками, то «белые» видя друг друга рассеянными в толпе, вполне могут определить направление своего движения, чтобы равномерно рассредоточиться в массе «красных», в то время как последние, видя в своем окружении в основном своих «красных», самостоятельно не могут определить, куда им надо передвигаться, чтобы их распределение в толпе было равномерным. Это можно сравнить с тем, как группа пловцов в бассейне со старта начинает двигаться вперед, а вода, только пассивно обтекая их, смыкается позади, не позволяя там создаться вакууму. Сама же вода не обладает способностью самостоятельно оттеснить пловцов от стенки .

Объяснение силового эффекта осмотического давления диффундирующих газов Выше была приведена ссылка на Робинсона и др. (1963), давших типичное объяснение диффузии, которое можно встретить в десятках других научных работ и учебников, в том числе и самых новейших. Впервые такое объяснение дано при теоретическом выводе коэффициента диффузии в 1908 г. Эйнштейном (см. Эйнштейн и др., 1936), который вместе со Смолуховским считал, что именно в процессе беспорядочного «бесцельного» блуждания растворенных молекул в объеме растворителя независимо друг от друга создается диффузионный поток, обладающий силой осмотического давления .

Однако утверждение, что таким образом можно создать давление, является, по моему мнению, глубоко ошибочным, так как при этом не учитывается движение молекул растворителя, так же бесцельно блуждающих в растворе, и каждая из них может с одинаковой скоростью переходить в сторону раствора как с меньшей, так и с большей концентрацией. Поскольку в первом объеме раствора молекул растворителя больше, чем во втором, то, по Эйнштейну, из него во второй объем за единицу времени будет переходить больше молекул растворителя, чем в обратном направлении, и значит, будет создаваться диффузионный поток растворителя в сторону раствора с повышенной концентрацией растворенных молекул. Следует отметить, что именно такое толкование осмоса, как силовой переход молекул растворителя через мембрану из раствора с меньшей концентрацией растворенных молекул в сторону с большей их концентрацией, является сейчас господствующим .

Из этих рассуждений следует, что в растворе, имеющем градиент концентрации, растворенные молекулы, согласно Эйнштейну и Смолуховскому, а также и Вант-Гоффу, создают силовое давление в сторону раствора с пониженной концентрацией, а на основе современных представлений молекулы растворителя создают точно такое же силовое давление в обратную сторону через мембрану в раствор с большей концентрацией. Значит, эти две одинаковые силы должны взаимно компенсироваться, и никакого осмотического давления в процессе диффузионного движения молекул не будет создано .

Удивительно, что эти два противоречащих друг другу представления о создании диффузионного осмотического давления существуют одновременно и признаются правильными и, как я отмечал, ссылки на них встречаются одновременно в ряде соответствующих учебников и научных работ .

Для объяснения этого противоречия необходимо обратиться к теории встречной диффузии газов .

Представим себе, что имеются два газа с одинаковой молекулярной массой, например два изотопа одного и того же элемента, которые разделены перегородкой. После снятия перегородки они диффундируют друг в друга, и первый из них диффузионным способом проникает во второй точно на такое же расстояние и за точно такое же время, что и второй в первый. Значит, давление, создаваемое диффундирующими газами, будет равным и направленным в противоположные стороны, т. е. в целом оно взаимно компенсируется, никак не проявляясь .

Совсем другое дело, когда начинают взаимно диффундировать газы, имеющие разную молекулярную массу. Об этом пишет Больцман (1953, с. 125–126), отмечая, что при этом молекулы газа с меньшей молекулярной массой, имея большую скорость движения и соответственно больший коэффициент диффузии, будут продвигаться быстрее в сторону более тяжелого газа, чем последний в обратном направлении. Так как, согласно закону Авогадро, в том и другом направлении должно двигаться одинаковое количество молекул, то для теоретического вывода коэффициента диффузии газов приходится накладывать равный поток смеси газов в сторону противоположную движению более быстрых молекул. Совершенно очевидно, что более быстро движущиеся молекулы создают реальное давление в газе, заставляя всю массу газа перетекать в обратном направлении. Более медленно движущиеся тяжелые молекулы не в состоянии компенсировать это давление легких молекул .

По-моему, именно это давнее представление, кстати, также часто упоминаемое в учебниках и научных работах, является важнейшим для понимания сущности осмотического давления диффундирующих газов и жидкостей. Это давление практически проявляется только в случае, если взаимно диффундирующие вещества различаются по своему молекулярному весу. В частности, практическое проявление этого давления можно наблюдать при диффузии газов через пористую мембрану, о чем упоминал Больцман (1953); конкретный эксперимент приведен также в учебнике Кикоина и др .

(1976). Сущность эксперимента заключается в том, что если закрытый сосуд из пористого материала, заполненный воздухом, поместить в атмосферу водорода, то молекулы последнего, имея большую скорость движения, быстрее проникают через поры сосуда, чем воздух в обратном направлении. Поэтому в сосуде повышается общее газовое давление. Это давление, по моему мнению, и есть осмотическое давление диффундирующих газов, проявляющееся только в случае встречной диффузии молекул, различающихся молекулярным весом .

Каким же образом это давление создается в растворах жидкостей и газов, содержащих относительно небольшое количество растворенных молекул? Если исходить из общепринятых сейчас представлений о независимости блуждания растворенных молекул друг от друга в среде растворителя и равновероятности их присутствия во всех точках объема, то объяснить это не представляется возможным, так как при этом самодиффузия одинаковых молекул принципиально ничем не отличается от собственно диффузии разных молекул. Отличается ли скорость движения молекулы растворителя от скорости диффундирующей молекулы или нет, не имеет никакого значения, так как молекулы в одинаковой степени «бесцельно» хаотически двигаются в объеме раствора равновероятно во все стороны, не создавая никакого избыточного давления в какую-либо сторону .

Но здесь следует попробовать дать объяснение, основываясь не на различиях в скоростях движения молекул, как было показано выше, а на различиях в массе их молекул. И тогда мы возвращаемся к результатам анализа движения молекул в пространстве в результате соударения одинаковых и разных по массе шариков-молекул. Было показано, что в процессе соударения одинаковых молекул они, передавая в максимальной степени кинетическую энергию и скорость движения друг другу, делают как бы остановку в пространстве, задерживая этим свое продвижение, в то время как при соударении разных по массе молекул этого не происходит. Значит, если растворенная молекула двинется в сторону раствора с более высокой концентрацией, то она, чаще соударяясь с одноименными молекулами, будет чаще останавливаться, и поэтому ее общий хаотический путь в пространстве будет короче, чем общий хаотический путь в сторону раствора с меньшей концентрацией. В результате соударения появляется различие в длине пути молекулы в сторону раствора с большей или меньшей концентрацией. Причем, чем больше градиент концентрации, тем больше это различие. Так же расширяются газы в сторону пониженного давления: чем больше градиент концентрации этих молекул, т. е .

градиент давления, тем больше различие в длине свободного пробега каждой молекулы в сторону более высокого и низкого давления на вероятностном контуре их свободного пробега. Только при диффузии длина свободного пробега заменяется длиной хаотического блуждания растворенных молекул от соударения до соударения друг с другом .

По существу, растворенные молекулы создают свой независимый от растворителя своеобразный решеточно-пружинный механизм, который с силой заставляет молекулы разбегаться в сторону пониженной концентрации, подобно тому, как соответствующий решеточно-пружинный механизм газов заставляет их расширяться в сторону пониженного давления. Только если первый механизм расширяется очень медленно вследствие долгого блуждания молекул в растворе до их встречи с одноименными молекулами, то второй делает это очень быстро, почти мгновенно, вследствие того что осуществляется в процессе свободного полета молекул в пространстве .

Таким образом, мы приходим по существу к новому очень простому объяснению закона ВантГоффа о равенстве газового и осмотического давлений .

Растворенные в жидкости молекулы расширяются и создают такое же давление, как свободный газ в такой же концентрации, потому, что они создают в объеме раствора за счет соударения с одноименными молекулами подобие решеточно-пружинного механизма, сходного с таковым в газах и заставляющего молекулы с силой разбегаться в сторону меньшей концентрации .

При таком объяснении силовое давление растворенных молекул создается за счет большей длины их свободного блуждания в объеме раствора до соударения с себе подобными в сторону чистого растворителя, что заставляет всю массу раствора перетекать в обратном направлении. Это происходит так же, как было показано выше на примере взаимной диффузии разных по молекулярной массе газов, где давление конкретно проявляется в случае диффузии через пористые мембраны .

Экспериментальное подтверждение явления диффузии как следствие соударения одноименных молекул растворенных веществ Для подтверждения этого можно провести простейшие экспериментальные наблюдения на примере растворения в воде красящего вещества – перманганата калия (обычной марганцовки). Если взять два кристаллика этого вещества и поместить их одновременно на небольшом расстоянии друг от друга на поверхности стекла или фарфоровой тарелки под тонким слоем воды, то вокруг них быстро начнут расширяться ярко окрашенные диффузионные фронты раствора марганца (рис. 44). Причем эта диффузия происходит преимущественно сначала в граничной зоне твердой поверхности на дне, т. е. представляет собой типичную двухмерную диффузию, обусловленную гравитационной отсадкой более тяжелых молекул марганца. В объеме жидкости явление расширения фронтов в подобной форме не наблюдается, так как, во-первых, скорость диффузии здесь гораздо ниже и, во-вторых, вследствие подводных течений фронт распадается на отдельные струи, между которыми нет четких взаимоотношений. Как известно, двухмерная диффузия подчиняется всем законам объемной диффузии, отличаясь только концентрированным распространением вдоль граничной поверхности. Поэтому на ее примере можно судить о закономерностях диффузии в целом. Причем здесь эти закономерности можно наблюдать более четко и эффективно .

При встрече отмеченных концентрационных фронтов марганца можно наблюдать два явления .

1. Еще до соприкосновения фронтов на расстоянии 1 мм начинается деформация внешнего контура фронтов, которая затем выражается в появлении разделительной слабее окрашенной полоски между ними. Подобную деформацию контура фронтов можно еще более четко наблюдать на примере растворения какого-либо типичного поверхностно-активного вещества, ореолы которого на поверхности воды искривляются еще до соприкосновения друг с другом, например, используемые для малярных работ (известковой побелки) красители, содержащие такие поверхностно-активные вещества .

Автором это явление названо эффектом нагонной волны при встречной диффузии в растворе .

Здесь молекулы растворенного вещества своим активным продвижением создают гидродинамическое воздействие на молекулы воды, способствуя возникновению поля скоростей вокруг них. Это, так называемое «кооперативное» движение молекул описано в ряде работ на примере диффузии сравнительно крупных броуновских частиц в суспензиях, коллоидах и полимерных растворах (Бэтчелор, 1980; Хазанович, 1980). Сами эти вопросы гидродинамического взаимодействия не являются предметом дискуссии в данной работе. Но автором обращено внимание на то, что это взаимодействие проявляется именно в виде подобия нагонной волны от фронта активно двигающихся растворенных молекул еще до начала соприкосновения фронтов. Это подобно тому, как две флотилии лодок, двигающихся навстречу друг другу, сначала соприкасаются своими нагонными волнами, которые в первое мгновение тормозят их продвижение. В данном случае молекулы растворенного вещества ведут себя не как пассивные субъекты, хаотически бесцельно блуждающие в массе воды и двигающиеся по аналогии с броуновскими частицами в ту сторону, куда их оттолкнут молекулы воды, а как активные частицы, обладающие своим независимым механизмом движения и активно продвигающиеся в ту сторону, где их концентрация меньше .

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. 44а). 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. 44б). 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 .

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 Рис. 44. Эффект взаимного торможения дифмолекул в результате их «бесцельного» хаотического фундирующих навстречу друг другу концентрационных фронтов раствора марганца при блуждания в массе растворителя и признать, что причиодинаковых (а) и различающихся (б) градиен- ной расширения диффузионных фронтов является взатах концентрации. Линиями показаны изокон- имное соударение одноименных молекул растворенного центраты растворов вещества .

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», является глубоко ошибочным. 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 опытах, 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 .

2.1.6.3. 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 выровнять 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 .

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. 45). 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 .

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 Рис. 45. Схематическое изобра- можно представить себе образно: молекулы как бы «упираются» в жение механизма осмоса у мик- приустьевые части стенок микропор и вытягивают «канатики» расропоры полупроницаемой мем- творителя через микропоры. Растворенное вещество в этом процессе браны. Стрелками (их количесоздает тянущее усилие на растворитель, а последний является тольство прямо пропорционально ко пассивной средой по отношению к нему. Это, например, как челоконцентрации растворов) покавек в лодке отталкивается шестом от берега, создавая давление на зано направление «тянущего»

воду и заставляя ее как бы отступать от берега .

усилия, которое оказывают на По существу, путь к такому объяснению осмоса был уже в опмассу растворителя молекулы ределенной степени проложен предыдущими исследователями. Сорастворенного вещества в провершенно прав был Вант-Гофф, объясняя осмос ударами растворенцессе своего «отталкивания» от устьевых частей микропоры ных 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 .

2.1.6.4. Объяснение возникновения О-СРПС воды 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 соударения 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. 46). 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 Рис. 46. 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 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 .

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 .

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 другими 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 .

2.1.6.5. Экспериментальное подтверждение О-СРПС воды Экспериментальным подтверждением силового воздействия осмотической составляющей силы разуплотнения воды может являться приведенный выше эксперимент по диффузионному расширению двух фронтов одноименных растворенных веществ, в данном случае марганца, навстречу друг другу. Можно видеть, что эти фронты при взаимной встрече как бы сжимаются, т. е. действуют также, как два упругих резиновых шарика при взаимном их прижимании друг к другу. Интересно, что более высококонцентрированный фронт вдается в менее концентрированный фронт, точно также, как более туго надутый шарик стал бы вдаваться в слабее надутый шарик .

Здесь наблюдается полная аналогия с такими разными по упругости шариками. Но упругость шариков создается это силой давления расширяющегося газа. Значит диффузионное расширение фронтов растворенных в воде молекул также обладает определенной силой. Но здесь эта сила проявляется только в виде соответствующей деформации фронтов растворенных молекул. Иначе здесь не может происходить, так как процесс диффузии совершается в пределах определенного неизменного объема воды, молекулы которой сразу же заполняют тот объем, который оставила продвигающаяся молекула растворенного вещества. Однако сами продвигающиеся диффузионные фронты одноименных растворенных молекул проявляют при встрече с другим типичные признаки силового осмотического давления .

Следующим подтверждением О-СРПС воды является возникновение под ее действием эффекта, который я назвал микропородиффузионный каталитический эффект, сокращенно МДК эффект. Сущность его заключается в том, что в ультратонких порах (микропорах) шириной 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 О-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 .

Механизм его создания мной будет рассмотрен ниже .

Простейшим экспериментальным подтверждением МДК-эффекта является проведенный мной опыт по коррозии металла. Если поверхность железного диска, тщательно отшлифованного самым мелким абразивным порошком или полированного с целью удаления железной пыли, покрыть тон ким слоем воды и затем на нем провести бороздку лезвием бритвы или сделать вмятину острием иглы, то вокруг этих деформированных участРис. 47. Результаты эксперимента по корроков через 2–5 минут появляются симметричные ореолы зии поверхности полированной железной бурых окислов железа (рис. 47). Причем характерно, что пластины, покрытой пленкой воды. Вокруг ореол не образуется, если на поверхность металла нанебороздок и точечных вмятин в металле видны сена только легкая царапина, которая оголяет поверхноореолы бурых окислов железа, по констный слой, но не производит какой-либо заметной дефигурации совпадающих с размерами деформированных участков формации .

–  –  –

2.2. Духовные силы человека Среди духовных чувств человека я выделяю две важнейшие группы – материалистические и гуманистические. Вообще-то о чувствах человека имеется огромное количество литературы, написанных специалистами различных гуманитарных профессий. Поэтому, совершенно очевидно, что в некоторых из них эти чувства уже анализировались. Но, выделяя эти две важнейшие группы чувств, я впервые возвожу их в ранг движущих фундаментальных сил, играющих решающую роль в развитии человеческого общества, что и будет показано далее .

2.2.1. Сила материалистических чувств человека Материалистические чувства – это те, которые мобилизуют человека на создание им материальных объектов и продуктов, необходимых ему для жизни и деятельности в природной среде. Среди них важнейшими являются три – стремление к лидерству, жадность и зависть. Эти чувства имеют в некоторой степени негативный оттенок, так как они отражают эгоизм человека, который благодаря ним все старается грести лично к себе и делать все для себя. Но они есть в той или иной степени в каждом человеке и составляют часть его натуры, может быть даже важнейшую .

Стремление к лидерству, власти, верховенству над другими присуще всей живой природе. В стадах животных всегда есть вожак, которому подчиняются все остальные его члены. Журавли всегда летят клином, в острие которого летит наиболее сильный журавль. У людей стремление к лидерству начинает проявляться уже в детстве. В процессе общения друг с другом, нередко доходящего до физической борьбы и драк, выявляется наиболее сильный, на которого другие дети смотрят с уважением, и вокруг него образуется подчиняющаяся ему ватага. Взрослые люди продолжают проявлять это чувство, борясь за верховенство в производстве – за должности директоров или владельцев промышленных предприятий, банков, в политике – за руководство в политических партиях, за пост премьерминистра, президента страны и т. д. Среди ученых стремление к лидерству выражается в том, что каждый их них старается открыть что-либо новое в природе и быть лидером в этом открытии. Даже в семье, как правило, один из супругов играет лидирующую роль, а по отношению к детям они оба являются авторитетными лидерами. Это чувство еще называется основной инстинкт, так как оно, можно сказать, является движущей силой живого мира планеты .

Жадность считается нехорошим чувством, но оно также способствует развитию цивилизации .

Жадность человек проявляет в том, что его потребности являются практически неограниченными .

Сколько бы он не получил чего-либо, ему надо всегда больше и больше. Он имеет один автомобиль, ему надо второй, третий, для каждого члена семьи или еще больше для выезда на выходные, отдельно по бездорожью, да и так для коллекции. Имеет один дом, надо еще другой в более хорошем месте, лучше на берегу реки, или виллу на берегу Средиземного моря, а еще лучше целый дворец или два и больше. Имеет одну лодку, надо целый катер, а еще лучше яхту, да белоснежную, да самую большую в мире. И так до бесконечности жадность проявляется во всем, даже в еде, когда хотят попробовать кухню китайскую, японскую, итальянскую, да еще шведский стол с неограниченным потреблением всего, что стоит на столе, хотя сам является русским, для которого, как говорится, щи да каша пища наша. Жадность является движущей силой, поскольку человек за счет этого чувства делает какуюлибо работу по получению себе материальных благ бесконечно долго, сколько сможет, т. е. не сидит без дела. Это соответствует природе, так как жизнь – это движение .

Зависть есть у каждого человека, и даже выделяют ее разновидности: белая зависть и черная зависть. Она проявляется в том, что человек видит, как другой человек сделал или приобрел что-то лучше, чем он: построил красивый дом, купил дорогой автомобиль, съездил на курорт в тропические страны, выбрал в жены очень красивую женщину, имеет много денег, живет в шикарном особняке, может покупать любые товары и продукты, которые есть в магазине; и ему тоже все это хочется – он завидует ему какой-либо формой зависти. Это нормальное человеческое чувство, хотя также имеющее негативный оттенок, особенно черная зависть: сосед построил дом – лучше бы этот дом сгорел .

Зависть также является движущей силой человека, заставляя его активно действовать в жизни в сфере материального производства .

По моему мнению, именно чувство зависти сыграло решающую роль в распаде Советского Союза. Когда М.С. Горбачев начал политику гласности и открытости перед мировым сообществом, то многие советские люди, поехав за границу, увидели, что там полки магазинов изобилуют всякими продуктами и товарами, которые у нас были в огромном дефиците. Люди там получают большие зарплаты и пенсии и могут свободно путешествовать на эти деньги по всему миру. Живут там они в больших квартирах и шикарных отдельных коттеджах, а не в крохотных квартирках в пяти- или девятиэтажных однообразных домах, построенных еще во времена Н.С. Хрущева... Все советские люди, с завистью глядя на это, захотели жить также, как живут в капиталистическом обществе. Поэтому они быстро развалили социалистическое хозяйство и начали строить капитализм, причем так быстро, что для всего мира это оказалось огромной неожиданностью. Все думали, что социализм стоит крепко и сможет просуществовать, по крайней мере, еще несколько десятков лет .

К материалистическим чувствам, но уже совершенно негативного характера, относятся такие как злость и жестокость. В борьбе за лидерство они проявляются в том, что люди во время войн не щадят своих противников, порой до основания уничтожая целые города вместе со всем его населением, что хорошо известно из человеческой истории войн. Это почти неизбежное сопутствующее явление, так как идти на войну и убивать человека с добрыми чувствами невозможно. У нас в начале Великой Отечественной войны некоторые с сочувствием относились к немецким солдатам, вторгшимся на нашу землю, считая что они же простые как и мы рабочие пролетарии и крестьяне, только они одурманены фашистской пропагандой. Но когда началась война в полном масштабе, было уже не до сочувствия, началось всеобщее ожесточение. Во время гражданский войн люди, сидевшие на одной парте в школе или институте, игравшие в одном дворе, мирно жившие в одном доме, даже члены одной и той же семьи нередко оказываются по разные стороны баррикад и видят друг друга через прицел автомата, как это происходит сейчас на гражданской войне на Украине .

Поэтому, по существу, все материалистические чувства имеют в той или иной степени негативный эгоистический оттенок. Но, с другой стороны, без них нельзя было обойтись на всех этапах предыдущего развития человечества, так как необходимо было выживать в борьбе с природой, а в такой борьбе, как говорится не до сантиментов .

2.2.2. Сила гуманистических чувств человека К гуманистическим чувствам относятся любовь, дружба, доброжелательность, товарищество, доброта, симпатия друг к другу, патриотизм. В отличие от материалистических чувств эти чувства не предназначены для действий в сфере материального производства. Они служат для отдыха людей, дружеского и любовного общения между ними, когда наступает перерыв в сфере материального производства. Люди общаются между собой в дружеской беседе просто так или за бутылкой вина. На отдыхе, на курорте все люди настроены благодушно и доброжелательно друг к другу. Мужчины и женщины общаются в сфере любовных отношений. Дети дружно играют в коллективные игры. Патриотические чувства объединят людей на основе любви к своей стране, своему народу, своим близким к окружающей природе. Именно сила этих чувств поднимает людей на защиту своей родины от врагов. В частности русские солдаты шли в атаку на противника « за царя, за веру и отечество», а во время Великой Отечественной войны – «за родину, за Сталина». Эти чувства прекрасно отражены в представленной в Третьяковской галерее известной картине К. Брюллова «осада Пскова», где мать передает копье своего погибающего мужа младшему еще совсем юному сыну, благословляя его на битву .

Все эти чувства хорошо известны, поэтому нет необходимости их детально характеризовать .

Люди могут совмещать материалистические и гуманистические чувства, делая какую-либо работу в дружески объединенном коллективе, члены которого испытывают теплые дружеские чувства друг к другу и взаимопонимание. Чаще всего, конечно, так и делается. Материалистические и гуманистические чувства в каждом человеке сочетаются в разных соотношениях: в одном больше тех, в другом больше других .

Возникает вопрос, а в чем же тогда проявляется сила гуманистических чувств, если люди, обладающие ими, по существу, часто не проявляют какой либо силы для осуществления действий в сфере материального производства, жизненно необходимого для них?

По моему мнению, эта сила мобилизует людей не на борьбу друг с другом и с природой, а, наоборот, на борьбу за сохранение природы, ее экологическую чистоту, чтобы жить в согласии с ней, сохранять ее для будущих поколений. Человек добрый к окружающим людям будет также бережно относится и к окружающей его природе, ценить ее красоту и беречь ее от уничтожения людьми, у которых доминируют материалистические чувства. Экологически чистая окружающая природа, в свою очередь, будет оказывать благотворное влияние на человечество, поддерживая его гуманистические чувства и способствуя развитию в нем лучших духовных качеств. Так будет осуществляться полное взаимопонимание между природой и человеком. Поэтому гуманистические чувства – это также сила, способная поднять людей на борьбу за сохранение природы и она не менее могущественная, чем сила материалистических чувств .

Однако для того, чтобы у большинства людей на планете начали преобладать гуманистические чувства, необходимо какое то внешнее воздействие на них, которое заставило бы проявлять их в большей степени. Например, сила патриотических чувств проявляются у людей любой страны, когда на них совершено нападение со стороны другого государства. А в мирное время эти чувства вроде бы и не проявляются заметным образом .

Таким внешним воздействием на людей во всем мире, по моему мнению, будет являться начало сокращения мировых ресурсов невозобновляемых полезных ископаемых при достижении пика их добычи, как это будет показано ниже. С этим будет связано начало переустройства мировой системы и создания социалистического общества во всех странах. Только тогда и будет возможно максимальное проявление гуманистических чувств человека, которые в этом случае будут служить как мощная объединяющая людей сила, переустраивающая общество с целью поддержки выживания человечества на максимально возможное время, пока на Земле будут существовать благоприятные для жизни климатические условия. Они будут объединены одной целью – выжить всем вместе, как один из представителей животного мира на Земле. Потому что человек без металлических полезных ископаемых, нефти, газа, каменного угля – это обыкновенный туземец – житель крайнего севера или тропических джунглей, добывающих себе пропитание собственными голыми руками или вооруженный деревянными копьями и стрелами с каменными наконечниками. Такая невеселая грядущая перспектива заставит человечество объединиться на основе гуманистических чувств .

Человечество пока еще не замечает, что дамоклов меч дефицита на полезные ископаемые уже занесен над ним, и он, по мнению ряда специалистов, уже в ближайшие десятилетия начнет опускаться, отсекая от него все большую долю материалистических чувств и заставляя увеличивать роль гуманистических чувств по мере сокращения невозобновляемых ресурсов .

ГЛАВА 3. ИЗВЕСТНЫЕ ВИДЫ ПРИРОДНЫХ ДВИЖУЩИХ СИЛ

3.1. Ядерные силы Ядра атомов сложены протонами и нейтронами, которые имеют общее название – нуклоны. Они и являются собственно строительными камнями ядер. Оба нуклона имеют почти одинаковую массу (1,66 10-24 г) и размеры (4,5 10-14 см). Причем протоны имеют единицу положительного заряда, а нейтроны, как и следует из их названия, электрически нейтральны. Ядра атомов химических элементов состоят из почти равного количества протонов и нейтронов. Содержание последних становится только немного больше у ядер более тяжелых элементов. Величина заряда ядра атома каждого химического элемента равна атомному номеру, т. е. порядковому номеру в периодической таблице, и соответствует количеству в нем протонов. Масса ядра равна в основном сумме масс протонов и нейтронов, так как все остальные частицы даже все вместе имеют совершенно незначительную массу .

Поэтому массовое число ядра дается суммой числа протонов и нейтронов, а ядерный заряд – только числом протонов. Поэтому в таблице Менделеева число нейтронов просто равно разности между массовым числом и числом ядерных зарядов, т. е. порядковым номером элемента. Единица массы выражается не в граммах, а в условных единицах массы, в которых точно замеренная масса атома кислорода является стандартом и равна 16. В этих единицах, т. е. 1/16 массы ядра кислорода и выражается масса всех остальных химических элементов. Одному и тому же заряду ядра могут соответствовать элементы с несколько отличающимися массами, которые называют изотопами данного элемента .

Простейшее ядро элемента есть сам протон. Оно тождественно ядру атома водорода. Сам атом водорода сложен протоном и одним отрицательно заряженным электроном, вращающимся вокруг него по круговой орбите. Но у водорода имеется еще и изотоп – дейтерий, т. е. тяжелый водород, у которого наряду с протоном присутствует еще и нейтрон. Следующий простейший элемент под номером 2 в таблице – гелий, который характеризуется ядром с двумя протонами и двумя нейтронами .

Вокруг ядра вращаются два электрона, которые компенсируют положительный заряд двух протонов .

У гелия имеется еще несколько изотопов с одним, тремя или четырьмя нейтронами, которые являются очень неустойчивыми и в природном газе не содержатся. У элемента углерода под номером 6 имеется в ядре 6 протонов и шесть нейтронов и, соответственно 6 электронов на круговой орбите около ядра. Таким образом, прибавляя еще протоны и нейтроны можно охарактеризовать все химические элементы в таблице Менделеева .

Кроме протонов и нейтронов в ядре присутствуют еще и другие частицы. Они были обнаружены в ходе опытов с элементом с радием, который обладает естественной радиоактивностью. Пьер и Мария Кюри в экспериментах обнаружили, что радиоактивные лучи, испускаемые ядрами атомов радия, претерпевают сильные изменения при прохождении через магнитное поле. Часть луча под влиянием поля резко изменяет направление своего движения. Резерфорд повторил их опыты, используя гораздо более сильное магнитное поле (рис. 49). Оказалось, что луч разделился в поле на три части. Один луч, названный альфа-лучами, сравнительно слабо отклоняется магнитным полем. Второй луч – бета-лучи сильно отклоняются магнитным полем в виде широкого размытого пучка, причем в сторону противоположную от альфа-луча. Третий луч – гамма-лучи совершенно не отклоняются магнитным полем .

Как потом выяснилось, альфа-лучи – это поток альфа-частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов, т. е. представляет собой ядро атома гелия, у которого отщеплено два электрона, вследствие чего оно имеет положительный заряд. Скорости движения этих частиц составляют при радиоактивном распаде радия около 19 тыс. км/сек. Бета-лучи представляют собой поток электронов, скорости которых варьируют в широком диапазоне, а максимальная достигает скорости света, т. е. 300 тыс. км/сек. Гамма-лучи относятся к категории электромагнитных волн очень малой длины, двигающихся со скоростью света. Все эти виды лучей обладают разной проникающей способностью. Например, альфа-лучи поглощаются одним листом бумаги, бета-лучи – 100 листами, а гамма-лучи несколькими толстыми томами книг .

В последующее время было установлено, что из радиоактивных ядер при бета-излучении еще вылетают позитроны, т. е. частицы такой же массы как электрон, но положительно заряженные .

Это излучение сопровождается вылетом еще одной частицы – нейтрино – электрически нейтральной с очень незначительной почти нулевой массой. Причем электроны, позитроны и нейтрино, в отличие от альфа-частиц, не являются составными частями ядра, а они возникают из ядерного поля лишь в момент ядерного превращения. В целом бета-распад напоминает испускание световых квантов из атомной оболочки .

Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах обеспечивается особым родом сил, называемых ядерными, природа которых еще не выяснена окончательно, так как они кроме ядер нигде не проявляются. Важнейшим свойством этих сил является то, что они с огромной силой и только на очень коротком расстоянии притягивают протоны и нейтроны друг к другу. Эти силы принципиально отлиРис. 49. Схема опыта по разделе- чаются от электрических, т. е. кулоновских сил притяжения – отнию радиоактивных лучей маг- талкивания. Последние также действуют в ядре, осуществляя отталнитным полем. 1 – радиоактивное кивание положительно заряженных протонов друг от друга. Но это вещество; 2 – свинцовая коробочих действие реально проявляется только на относительно большом ка с тонким каналом, в которой расстоянии. На коротком же расстоянии порядка 10-13 см ядерные помещается радиоактивное вещесилы притяжения настолько велики, что они легко преодолевают ство; 3 – лучи, не отклоненные действие кулоновских сил и притягивают протоны и нейтроны друг магнитным полем (гамма-лучи);

к другу, почти не замечая действие последних. С увеличением раслучи, слабо отклоняемые магстояния ядерные силы настолько быстро убывают, что на расстоянитным полем (альфа-лучи);

5 – лучи, сильно отклоняемые нии 2–3 10-13 см они практически равны нулю .

магнитным полем (бета-лучи); Если электрические силы действуют на расстояниях, превыобласть, в которой создано шающих размеры ядра, то действие ядерных сил распространяется не магнитное поле на все частицы, находящиеся в ядре, а только на соседние. Особенность ядерных сил сказывается и на числе взаимодействующих соседей. В этом отношении они напоминают силы, определяющие химические свойства веществ. Подобно химическим силам, ядерные силы обладают своеобразной «валентностью», т. е. наиболее устойчивое образование получается при определенном числе взаимодействующих частиц. Наиболее значительные силы существуют между четверкой частиц – двумя протонами и двумя нейтронами, которые образуют наиболее устойчивую частицу – альфа-частицу и ядро наиболее устойчивого и химически нейтрального элемента – гелия. По этой причине наиболее устойчивыми ядрами являются те, у которых число протонов равно числу нейтронов .

Причину возникновения ядерных сил ученые видят в наличии в ядре еще одних частиц – пи- и мю-мезонов, масса которых во много раз больше массы электрона, а заряд может быть положительным, отрицательным или нейтральным. Сначала они были предсказаны Юкавой, а затем были обнаружены в составе космических лучей. Важнейшими из них являются пи-мезоны, называемые пионами. Положительно заряженный пи-мезон испускается также положительно заряженным протоном и он сразу же поглощается соседним нейтроном. Последний в этом случае приобретает положительный заряд и становится протоном, а бывший протон становится нейтроном. Эти частицы как бы меняются местами в результате обмена зарядом, сосредоточенным в мезоне. Аналогичная картина с отрицательным пи-мезоном, но только испускающей частицей здесь является нейтрон, а поглощающей частицей – протон. И опять-таки в результате обмена они меняются местами. Что касается нейтрального пи-мезона, то любые нуклоны независимо от их заряда могут испускать и поглощать его .

В этом обмене мезонами между протоном и нейтроном и заключается сущность возникновения сильных ядерных сил притяжения между ними. Для них весьма характерно, что их действие связано с обменом, с переменой ролей между двумя партнерами. В этом смысле они совершенно отличаются от электрических сил. Вместе с тем обнаруживается их некоторое сходство с химическими силами, у которых также имеет место обмен зарядами. Простейший пример дает ион молекулы водорода, состоящий из двух протонов, вокруг которых поочередно вращается один электрон. Этот ион является вполне устойчивым образованием, и сила связи, которая определяет его существование, возникает от того, что электрон вращается то вокруг одного, то вокруг другого протона. Здесь также сила их притяжения связана с обменом зарядов, с переходом электрона от одного протона к другому .

Однако удельная энергия связи в ядрах при мезонном обмене превышает удельную химическую энергию при обмене электронами примерно в миллион раз. Поэтому никакими химическими методами нельзя вызвать (как это пытались сделать алхимики) превращения одних химических элементов (т. е. по сути дела ядер, так как именно состав ядра определяет строение атома и его химические свойства) в другие. Это могут сделать только сами ядерные частицы .

Как было отмечено, при радиоактивном распаде радия появляются три типа лучей – альфа, бета и гамма-лучи. Уже после первого наблюдения радиоактивности Резерфордом и Содди сделано открытие, что испускание альфа- и бета-лучей связано с превращением одних химических элементов в другие. Атом, испустивший подобный луч, уже больше не является атомом первоначального элемента. Альфа-частица является ядром гелия и ее масса равна 4, а заряд 2. Если она покинет ядро, то она уносит не только свою массу, но и заряд, а потому заряд атомного ядра уменьшится на 2 единицы, а его масса – на 4 единицы. Бета-частица является отрицательно заряженным электроном. Ее масса ничтожна и практически равна нулю, а ее заряд равен 1. При испускании электрона масса ядра практически не меняется, а положительный заряд его, напротив, увеличивается благодаря потере элементарного количества отрицательного электричества. Таким образом, испускание как альфа-частицы, так и бета-частицы связано с изменение ядерного заряда. Но так как химические свойства элемента определяются величиной заряда его атомных ядер, то отсюда следует, что альфа-излучение и бетаизлучение должны сопровождаться превращением одних элементов в другие. При этом выделяется огромное количество энергии. Например, по данным Кюри, грамм радия в один час выделяет 140 малых калорий, а при распаде всего этого количество радия выделится 280 104 больших калорий. Эта энергия в 100 000 раз больше, чем энергия, выделяемая при сгорании 1 грамма водорода .

Было установлено правило, что если при распаде какого-либо радиоактивного элемента испускается альфа-лучи, то дочерний продукт, образующийся в результате такого превращения, будет представлять собой (по химическим свойствам) элемент, располагающийся в таблице Менделеева на две клетки левее родительского; если же радиоактивное вещество распадается с испусканием бета-лучей (электронов), то образующееся дочернее вещество будет по своим химическим свойствам представлять элемент, расположенный в таблице Менделеева на одну клетку правее родительского .

Некоторые радиоактивные вещества распадаясь, дают начало новым веществам, которые также обладают радиоактивными свойствами. Так известно, что из урана образуется радий, а из радия – радон, который далее также распадается на ряд последующих радиоактивных элементов, образуя целое радиоактивное семейство. Известно четыре таких семейства – урана, тория, актиния и нептуния. Каждый из элементов этих семейств обладает строго постоянным периодом полураспада, т. е. временем, когда происходит распад половины количества вещества .

В научных лабораториях было также осуществлено искусственное превращение одного атома в другой путем бомбардировки атома альфа-частицами, протонами и нейтронами. При этом ударяющаяся частица поглощается ядром и ее энергия передается всем остальным частицам ядра благодаря взаимным соударениям друг с другом (рис. 50). Ядро при этом как бы нагревается и оно может за счет избыточной энергии испустить другие частицы, изменив их количество в нем. Резерфорду в 1919 г. удалось таким образом осуществить первое искусственное превращение элемента – превращение азота в кислород. В последующем, используя различные виды ускорителей заряженных частиц, ученые смогли получить целый ряд преобразований одних химических элементов в другие. Даже стало возможным таким образом из ртути получить золото – это мечта всех алхимиков. Но получение более или менее заметного количества золота является таким дорогостоящим предприятием, что в миллионы раз дешевле его просто добывать из природных руд .

Важнейшим для человечества открытием, которое было сделано учеными при изучении атомных ядер – это явление деления ядер одного из наиболее тяжелых элементов – урана на два или несколько осколков при бомбардировке их нейтронами. При этом эти осколки разлетаются с огромной скоростью, высвобождая большое количество энергии, в первую очередь тепловой. При этом вылетают также с большой скоростью 2 или три нейтрона. Эти нейтроны в соответствующих условиях могут Рис. 50. Схема ядра с внедрившимся в него нейтроном также бомбардировать ядра урана и расщеплять их с вылетом нейтронов и так, продолжаясь дальше, создается цепная ядерная реакция с высвобождением большого количества тепловой энергии. Если эта энергия не контролируется, то происходит взрыв атомной бомбы, а если ее замедлять с помощью особых веществ, поглощающих нейтроны, то она будет выделяться постепенно и находиться под контролем, как это делается сейчас в ядерных электростанциях .

В процессе ядерных превращений можно извлекать еще и термоядерную энергию, которая проявляется в недрах звезд. Только здесь, в отличие от ядерной энергии, она высвобождается не при делении ядер, а, наоборот, при слиянии наиболее легких ядер водорода в более тяжелые ядра гелия и других элементов, когда также выделяется большое количество энергии. Но этот процесс может идти только при очень высоких температурах в миллионы градусов. Достичь такой температуры в земных условиях можно, взорвав сначала атомную бомбу, которая в свою очередь как бы поджигает водородное горючее и таким образом создается взрыв водородной бомбы. Сделать же эту реакцию контролируемой и использовать ее в термоядерных электростанциях очень трудно. Поэтому сейчас ученые ядерщики во всем мире бьются над этой проблемой, но пока только виден свет в конце тоннеля, поскольку исследования все еще находятся на экспериментальной стадии, хотя и планируется создание первой промышленной установки .

Энергия подавляющего большинства звезд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях звезды и в первую очередь Солнца. С течением времени к этим реакциям подключаются термоядерные реакции с образованием более тяжелых элементов – Ка, Са, О, Fe, Ti, хотя в целом доля элементов тяжелее гелия в звездах составляет не более нескольких процентов. При этом изменяется цвет звезды от голубого до желтого и оранжево-красного, а снижению их температуры от 30–60 тысяч градусов кельвина до 2–3,5 тысяч градусов. По спектральному количественному содержанию в звездах определяют их возраст .

Звезды начинают свою жизнь как холодное разреженное облако межзвездного газа, сжимающиеся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло и температура внутри газовой глобулы возрастает и достигает нескольких миллионов градусов. В связи с этим здесь начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, термоядерное горение продолжается на периферии гелиевого ядра. В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Ее светимость растет, внешние слои расширяются, а температура снижается – звезда становится красным гигантом .

3.2. Гравитационные силы Гравитационная сила – это сила, с которой притягиваются друг к другу тела определенной массы, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга. Исаак Ньютон в 1867 г. открыл закон всемирного тяготения, согласно которому две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эту силу каждый человек ощущает как собственный вес, или, если подбросить камень, то он падает обратно, притягиваясь к Земле. Планеты вращаются вокруг Солнца, притягиваясь к нему. Луна за счет притяжения к Земле вращается вокруг нее в виде спутника. Гравитационная сила, т. е. сила тяжести, зависит от массы и радиуса планеты. Радиус Луны меньше радиуса Земли и поэтому сила притяжения на Луне меньше, чем на Земле в 6 раз, а на Юпитере – более крупной планете чем Земля, наоборот, сила тяжести в 2,4 раза больше силы тяжести на Земле .

Причина гравитации до настоящего времени остается неясной. Существуют классическая и квантовая теории гравитации .

Современная классическая теория гравитации базируется на общей теории относительности и множестве уточняющих ее гипотез и теорий разной степени разработанности, конкурирующих между собой. В общей теории относительности гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени, т. е. интерпретируется как геометрический эффект. Причем пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой геометрии. Гравитационное поле отождествляется с тензорным метрическим полем – метрикой четырехмерного пространства-времени. Теория гравитации Эйнштейна-Катрана была разработана как расширение общей теории относительности, включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии импульса также и спина объекта. В ней вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия РиманаКатрана в результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. В теории Бранса-Дикке гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, но и дополнительного гравитационного скалярного поля .

Общепризнанной непротиворечивой квантовой теории гравитации еще не построено. При низких энергиях в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами – калибровочными бозонами со спином 2. Однако, получающаяся теория неперонормируема, и поэтому считается неудовлетворительной. В последние десятилетия разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция .

Из этих представлений, высказанных ведущими учеными – специалистами по гравитации, можно видеть, что теория гравитации еще далека от завершения, хотя казалось бы сила тяжести и все ее проявления всем хорошо известны .

3.3. Электромагнитные силы Представления об электромагнитных силах разрабатывалось целым рядом выдающихся ученых в течение многих лет (см. Григорьев, Мякишев, 1961). Впервые проявления электрических свойств материи было обнаружено еще в VI веке до нашей эры представителями ткацкой профессии, когда обратили внимание на способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать к себе различные легкие предметы, не соприкасаясь с ним. Термин янтарь по-гречески электрон, поэтому и тела, приведенные в данное состояние, стали называть наэлектризованными. Однако прошло более двух тысячелетий, прежде чем был открыт закон взаимодействия таких тел .

Открытие взаимодействия неподвижных друг относительно друга зарядов было сделано под влиянием идей Ньютона, его закона всемирного тяготения. Первым доказал сходство этих явлений английский ученый Кавендиш. Но он своих работ по электричеству не печатал и они более 100 лет пролежали в библиотеке Кембриджского университета, пока их не извлек и не опубликовал Максвелл. Но к этому времени закон взаимодействия зарядов был установлен во Франции Кулоном и с тех пор носит его имя. Кулон экспериментально установил, что сила взаимодействия неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Было установлено, что кроме притяжения двух наэлектризованных трением тел существует еще притяжение двух постоянных магнитов, которые могут как притягиваться, так и отталкиваться подобно зарядам, но отделить северный полюс от южного и получить изолированный магнитный полюс никому не удавалось. Притяжение магнитов значительно превосходит притяжение наэлектризованных тел .

Работы Гальвани и Вольта позволили создать первый источник постоянного тока, так называемый «Вольтов столб» – набор медных и свинцовых кружочков, переложенных смоченных соленой водой сукном. В 1820 году Эрстед сделал важное открытие: поместив магнитную стрелку вблизи проводника с током, он обнаружил, что она поворачивается. Причем к покоящимся зарядам магнитная стрелка оказалась совершенно равнодушной. Лишь движущиеся заряды способны воздействовать на стрелку. Значит, магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током .

Ученый Гильберт первым догадался, что земной шар является гигантским магнитом и поэтому магнитная стрелка ориентируется в его поле определенным образом. Ампер предположил, что магнетизм земли вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Он пришел к заключению, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Ампер экспериментально установил, что токи одного направления притягиваются, а противоположного направления – отталкиваются. Взаимно перпендикулярные проводники не действуют друг на друга. Он открыл закон, согласно которому сила взаимодействия движущихся зарядов прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от скоростей этих зарядов и направления их движения .

Магнитные силы существенно отличаются от электрических еще тем, что они не имеют центрального характера, как кулоновские и гравитационные. Это обнаружилось еще в опытах Эрстеда, где магнитная стрелка не притягивалась, а поворачивалась, так как магнитная сила действует на движущиеся частицы в направлении, перпендикулярном их скорости. Магнитные силы в технике приводят в движение якорь любого электромотора .

Фарадей высказал концепцию о силовых линиях и электрическом поле вокруг наэлектризованных тел и магнитов. Распределение силовых линий дает картину электрического поля вокруг зарядов. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, создав первую модель генератора электрического тока. Максвелл придал идеям Фарадея точную количественную форму в виде системы уравнений электромагнитного поля. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн .

Важнейшее значение электромагнитные силы имеют в формировании атомов химических элементов. Атом – это наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. В настоящее время общепринятой является так называемая планетарная модель атома Бора-Резерфорда .

В 1911 г. Резерфорд проделав ряд опытов, пришел к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре тяжелого положительно заряженного ядра. Однако, такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой, согласно которой электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчеты показали, что время, за которое электрон упадет на ядро совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности существования атома Нильс Бор ввел постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию. Дальнейшее исследование излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов .

Согласно современной модели атома, его ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся по каким либо определенным траекториям (неопределенность координаты электрона). Химические свойства атома определяются конфигурацией электронных оболочек и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (т. е. количеством протонов), в то время как количество нейтронов не влияет на химические свойства. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов совершенно незначительна – несколько сотых долей процента .

Следовательно, в природе электромагнитные силы наиболее существенным образом проявляются в ядрах атомов, участвуя таким образом в формировании всех веществ в нашей Вселенной и в том числе и на Земле. Другие проявления электромагнитных сил – магнитное поле Земли, грозовые разряды, электрические токи в земной коре, притяжение магнитных минералов для природы уже не так существенны, хотя в электротехнике используемой человеком их роль огромна .

3.4. Механические силы В науке механические силы, хотя о них иногда и говорят мимоходом, но специально как таковые в числе фундаментальных не выделяются. Под ними часто понимают различные виды сил – гравитационные, электромагнитные, силы трения, упругости и т. д., которые механически воздействуют на тела, заставляя их передвигаться, разламываться, испытывать трение, скольжение, упругость, вязкость. Имеются понятия механическая работа, силы в механике. Мне кажется, что необходимо специально выделить механические силы в особый род сил .

Проявление сил в виде их взаимодействия может осуществляться либо при их непосредственном соприкосновении – это так называемые силы близкодействия, либо на расстоянии с участием гравитационных и электромагнитных полей. Среди них следует обратить внимание на силы близкодействия: давление, растяжение, трение, удар, упругость, которые непосредственно вызывают деформации и разрушение тел. Способность тел к деформациям и разрушениям – фундаментальное свойство материи, так как благодаря им частицы при соприкосновении способны разрушаться и уплотняться с образованием плотной компактной массы в виде планет и звезд. На поверхности планет они разрушают плотные массы пород на мелкие частицы, которые под действием гравитации, ветра, водных потоков сносятся с возвышенных горных участков в долины, реки и моря, стремясь выровнять поверхность и этим создавая современный видимый рельеф поверхности .

Поэтому, по моему мнению, силы близкодействия следует также отнести к разряду фундаментальных, назвав их механическими силами. Хотя механика как наука рассматривает все виды сил, в том числе и действующих на расстоянии, но когда говорят «механический прибор», «механическая система», «механический агрегат», то возникает ассоциация с конкретными взаимодействующими друг с другом путем трения, давления, качения, удара, растяжения и т. д. соприкасающимися частями материальных тел. Поэтому название механические силы, как мне кажется, также может логически вписаться в эту ассоциацию .

Выделение механических сил в разряд фундаментальных вполне целесообразно, так как ниже будет показано, что они инициируют возникновение еще одного фундаментального рода сил – силы разуплотнения поверхностного слоя веществ, которая создает важнейшие свойства материи .

ЧАСТЬ II. КАК ГЛАВНЕЙШИЕ ДВИЖУЩИЕ СИЛЫ

ПРОЯВЛЯЮТСЯ В РАЗНЫХ ПРИРОДНЫХ СФЕРАХ

ГЛАВА. 1. ЯДЕРНАЯ СФЕРА

В ядерной сфере, конечно, решающее значение имеют ядерные силы, способствующие взаимному притяжению протонов и нейтронов друг к другу и формирования таким образом ядер атомов, т. е .

основы всего материального мира, как это показано выше. Но кроме этого ядерные силы проявляются в создании тепловых атомной и термоядерной энергий. Однако в создании этих видов энергий ядерные силы проявляются по разному .

В создании ядерной энергии, по моему мнению, кроме электрических сил очень важное значение имеет сила разуплотнения поверхностного слоя веществ, в первую очередь ее температурная составляющая .

В одной из моих предыдущих книг по твердым веществам (Шабалин, 2005) я при описании механизма трещинообразования просто сравнивал его с механизмом деления ядер атомов, изложенным в элементарных учебниках физики (Ландсберг и др. 2000 ).

Когда же я начал более детально читать научную литературу по ядерным процессам, то оказалось, что в науке господствующей до настоящего времени является так называемая капельно-жидкая модель деления ядер (Вильдермут и др., 1980:

Корсунский, 1956), разработанная Н. Бором и Уиллером (1939) и Я.И. Френкелем (1939) более 65 лет назад. Сущность ее сводится к аналогии ядер с заряженной жидкой каплей. Силами поверхностного натяжения капля удерживает свою сферическую форму. Заряд, имеющийся у капли, приводит к тому, что между различными частями капли, заряженными одноименно, возникают силы отталкивания .

Если этот заряд будет значителен, то силы отталкивания между двумя частями капли окажутся столь большими, что поверхностное натяжение не сможет им противостоять и капля разорвется на две части (рис. 51). Сначала у нее образуется перетяжка и затем капля разрывается на две части. Предполагается, что похожее происходит и с тяжелым ядром, которое, по мнению ученых по некоторым свойствам сходно с жидкостью. При возрастании заряда ядра действие электрических сил отталкивания начинает преобладать над действием сил притяжения. Ядро становится неустойчивым, и распадается и разваливается на две части, которые с огромной скоростью расталкиваются друг от друга электрическими силами и разгоняются до огромных скоростей – около 100 тыс. км/сек (Бор и др., 1971). Эта модель была принята потому, что она легче других поддается математическому описанию, что и сделано вышеотмеченными исследователями .

У меня сразу же возник вопрос, неужели природа так расточительна, что в соответствии с этой моделью не использует существенной части своих возможностей для разгона осколков от деления до больших скоростей? Дело в том, что когда заряженная капля начинает делиться, то пока между двумя ее половинками существует перетяжка, они еще удерживаются друг около друга поверхностными силами и не вовлекаются в процесс разгона друг от друга (рис. 51). Но центры их тяжести уже удалены друг от друга далеко за пределы действия короткодействующих Рис. 51. Схема деления ядра-капли в стягивающих ядерных сил. Это расстояние между их центрами соответствии в представлениями тяжести уже далеко превосходит начальный максимум действия Н. Бора и Я.И. Френкеля (1939). электрических сил отталкивания, который начинается сразу же после прекращения действия ядерных сил. Поэтому для действия силы электрического отталкивания капель остается только небольшая часть радиуса их действия, когда центры тяжести капель уже находятся на достаточно значительном расстоянии друг от друга .

Если же представить себе, что ядро является не жидкостью, а твердым телом, то тогда раскол и деление должно происходить вдоль узкой трещины. Значит, в этом случае по трещине ядерные силы уже разорваны и сразу же в действие приходят электрические (кулоновские) силы расталкивания двух половинок ядра и разгона их до больших скоростей, начиная с самого максимума их действия, т. е. почти на всю длину их действия. Следовательно, если ядро представить себе в виде твердого тела, то механизм деления ядер и придания осколкам огромных скоростей является несравненно более эффективным, чем для капельно-жидкой модели ядра .

Поэтому в соответствии с разработкой своих представлений о трещинообразовании в твердых телах я предлагаю новую модель деления ядер, которую можно назвать твердотельной моделью (рис. 52). Какие доводы можно привести в защиту этой модели?

1) Хотя сейчас единственной общепризнанной моделью деления ядер является капельно-жидкая модель, но никто, даже сами авторы модели, не называют образующиеся при делении половинки ядра «брызгами», а всегда называют осколками от деления. То есть уже интуитивно признается их твердотельная природа .

2) Учеными для ядер атомов было предложено несколько моделей. Они сами отмечают, что каждую из них они понимают как «совокупность упрощающих предположений, физических или математических, при помощи которых можно с некоторой степенью точности рассчитать характеристики ядерной системы. До сих пор невозможно подтвердить строгими доводами справедливость упрощающих предположений любой из предложенных моделей. О пригодности той или иной модели можно судить лишь из сопоставления ее достоинств или недостатков при описании наблюдаемых свойств ядер» (Айзенбуд и др., 1959, стр. 60). Предложены три основных модели ядра. Так называемая газовая модель исходит из предположения, что движение частиц в ядре имеет хаотический характер и волновые функции ядра имеют очень сложный вид, благодаря чему можно воспользоваться статистическим рассмотрением. В оболочечной модели, наоборот, ядра уподобляются планетарной системе, как в случае электронов в атоме, которые, двигаясь по крайней мере в первом приближении независимо друг от друга, и группируются по определенным законам в оболочки. Третья, уже упоминавшаяся капельно-жидкая модель, предложенная специально для объяснения механизма деления ядер. Значит, все эти модели довольно противоречивы и дают объяснение или позволяют математически описать какие-то отдельные явления в ядрах, не давая единой картины строения ядра. Поэтому в случае появления новых идей, лучше объясняющих явления в ядрах, их модели вполне могут быть пересмотрены и предложены новые .

3) Экспериментами установлено, что деление ядер основного источника ядерной энергии – урана 235 происходит не на две равные половинки, а на два неравных по массе осколка, массы которых группируются в двух зонах (рис. 53). Причем наиболее часто образуются осколки с массовыми числами от 90 до 100 и от 135 до 145. А на осколки равные половинкам ядра, т. е. массы 116-120 приходится их совершенно незначительная часть. С точки зрения капельно-жидкой модели это трудно объяснимо. Гораздо проще представить, что ядро существует в виде кристалла с определенными направлениями спайности и тогда понятно, что его раскол происходит вдоль каких-то определенных направлений с вполне определенными

4) неравными по величине осколками. В этом случае становится понятнее, что не каждый ударяющийся о ядро нейтрон или альфа-частица вызовет его деление, так как необходимо, чтобы этот удар был в каком-либо определенном направлении относительно этой «спайности», например, вдоль нее, чтобы ядро легче раскололось .

Рис. 52. Сравнение схем деления ядер урана в соответУчеными предполагается, что если ядра ствии с капельно-жидкой моделью (А) и в соответстлегких элементов имеют сферическую форму, вии с твердотельной моделью (В). – интервал дейстт. е. соответствующую каплевидной форме, то вия электрических (кулоновских) сил в самом начале разгона делящихся осколков до субсветовых скоростей тяжелые ядра уже не сферичны; их форма эллипдля капельно-жидкой модели;

соидальная, сигарообразная или чечевицеобразная (Престон, 1964; Ландау и др., 1955). С точки зрения твердотельной модели, которую я предлагаю, это просто объяснить, что легкие ядра как кристаллы имеют кубическую сингонию, а тяжелые ядра – это кристаллы других сингоний – тетрагональная, моноклинная, гексагональная и т. д., имеющих вытянутую форму .

6) Свидетельством того, что ядра атомов имеют не симметричную и однородную струкРис.53. Кривая распределения массовых чисел туру как у капли, а некоторые признаки асимосколков деления ядер урана 235 метричности в распределении нуклонов, является наличие у атомов такой наиболее прочной и направленной валентной связи как ковалентная. Эта связь атомов представляет собой в некотором роде стыковочные узлы на их поверхности, размещенных на определенном расстоянии друг от друга в пределах поверхности, как показано выше на примере атомов углерода, азота и кислорода. Этими узлами атомы прочно состыковываются друг с другом и образуют устойчивые молекулы жидких и твердых веществ. Причем В. Гейзенберг (1947) отмечает, что прочность этой связи сопоставима с прочностью ядерной связи между нуРис. 54. Распределение плотности в ядрах различных клонами внутри ядра. Хотя, как известно, хиэлементов мическая связь осуществляется с помощью электронной оболочки атомов, но можно предполагать, что форма электронного облака подчиняется внутренней структуре ядра, т. е. в зависимости от этой структуры, где-то электроны создают плотное облако, где-то более разряженное. Хотя электронный пояс вокруг атомов отталкивает атомы друг от друга, но в участках, где плотность электронного облака меньше и атомам легче «пробить» его при соударении друг с другом и соединиться вместе своими ядрами. Но соединиться они могут только в некоторых точках, так как облако вращающихся электронов не позволяет ядрам слиться вместе целиком, как это делают отдельные нуклоны. В этих точках, т. е. своеобразных стыковочных узлах и происходит соединение атомов в прочные молекулы. Но такое строго закономерное распределение этих стыковочных узлов на поверхности ядра возможно только если предполагать, что ядра являются твердыми телами с определенной жесткой структурой для каждого химического элемента. Капля жидкости такой структуры иметь не может .

7) Если попытаться сравнить способы взаимодействия частиц в ядрах и взаимодействие атомов в кристаллической решетке твердых тел, то между ними имеется определенные черты сходства .

Во-первых, в твердых телах атомы притягиваются друг к другу ван-дер-ваальсовыми силами, но в то же время молекулярно-кинетическая сила теплового движения атомов не позволяет им соединиться вместе и удерживает их на некотором расстоянии друг от друга. Также и в ядрах атомов, составляющие их нуклоны, т. е. протоны и нейтроны притягиваются друг к другу ядерными силами пимезонного взаимодействия, но не склеиваются вместе, а держатся в среднем на определенном расстоянии за счет их кинетического движения. Причем скорость этого движения гораздо больше, чем скорость движения атомов и приближается к световой, а количество соударения нуклонов друг с другом достигает цифры 1021 в секунду (Ферми. 1951). Отличием взаимодействия нуклонов в ядрах атомов от взаимодействия атомов в твердых веществах является только то, что кроме кинетических сил отталкивания там еще существуют и дальнодействующие электрические силы отталкивания друг от друга положительно заряженных протонов. Но ядерные силы притяжения настолько значительно их превосходят, что отталкивающий эффект электрических сил в зоне действия ядерных сил почти не заметен .

Во-вторых, в твердых веществах (так же как и в жидких) поверхностный слой является разуплотненным. Также и в ядрах атомов нуклоны образуют разуплотненный поверхностный слой толщиной 2,4 ферми (1 ферми равен 10-13 см), а во всем остальном объеме ядра плотность нуклонов, так же как и в твердом теле, является постоянной (Ферми, 1951; Ландау и др., 1955) – рис. 54. Значит, здесь также действуют поверхностные силы и, в первую очередь Т-СРПС .

8) Следует обратить внимание на тот факт, что ядерные частицы находятся в состоянии постоянного отталкивания электрическими силами. Подобными же дальнодействующими силами, но только молекулярно-кинетическими, отталкиваются атомы друг от друга в поверхностном слое жидких и твердых веществ, создавая разуплотненный слой, как показано мной выше. Б.В. Дерягиным (1986) установлено, что поверхностный слой имеет некоторые черты твердого тела, т. е. способен также подвергаться деформациям сдвига и, значит, способен образовывать подобие трещин. По моему мнению, эти свойства твердого тела ему придает Т-СРПС, которая как бы «надувает» этот слой подобно воздушному шарику, имеющему уже некоторые черты твердого тела по сравнению с ненадутым шариком. Подобно этому нуклоны в ядрах атомов, хотя они и связаны прочными ядерными силами стягивания, но в то же время они поддерживаются дальнодействующими электрическими силами в состоянии постоянного дальнодействующего отталкивания, как в состоянии надутого воздушного шарика. Поэтому, так же как и поверхностному слою жидких веществ, им должны быть присущи свойства твердого тела и деформации сдвига. Значит, даже если ядро имеет некоторые свойства жидкой капли, то механизм его деления можно рассматривать на основе твердотельной модели, как деформации сдвига .

9) Как уже выше отмечалось, ядерные силы напоминают химические силы в твердых телах, так как обладают определенной «валентностью», т. е. наиболее устойчивые образования получаются при определенном числе взаимодействующих частиц .

10) Ученые ядерщики отмечают, что при определенных энергетических состояниях «ядерное вещество напоминало бы скорее жидкость или твердое тело» (Престон, 1964: стр. 185). Значит, они не отвергают возможность твердотельного фазового состояния ядер атомов .

11) Делению подвержены также ядра легких элементов, состоящих всего лишь из нескольких нуклонов. Например, ядро лития, состоящее из 3 протонов и 4 нейтронов при ударе о него протоном делятся на две альфа-частицы, каждая из которых состоит из четырех нуклонов. Вряд ли возможно представить себе такие ядра в процессе их деления в виде капель жидкости .

Все же главным доводом в пользу твердотельной модели является то, что, как отмечалось выше, с ее помощью можно просто объяснить разгон осколков деления до громадных скоростей почти на всем интервале действия электрических сил. Это является ее главным достоинством по сравнению с капельно-жидкой моделью .

Ориентировочно можно оценить предполагаемое различие в длине разгона электрическими силами осколков по капельно-жидкой и твердотельной моделям. Если ядерные силы действуют на расстоянии равном среднему расстоянию между нуклонами, которое по Л.Д. Ландау (1955) равно примерно 1,8 ферми, радиус ядра урана равен 10 ферми (Элтон, 1962), радиус действия электрических сил условно принять в 1,5 раза больше радиуса ядра, т. е. 15 ферми, значит по твердотельной модели при образовании трещины диаметром 1,8 ферми, за пределами которого ядерные силы перестают действовать, для разгона электрическими силами остается часть радиуса их действия примерно в 13 ферми, т. е. примерно 6/7 этого радиуса. В случае капельно-жидкой модели, как это можно представить себе из рисунка 42, для разгона осколков остается только около половины, т. е. радиуса действия электрических сил, следовательно, значительно меньше. Учитывая, что действие электрических сил наиболее резко возрастает на коротких расстояниях по параболической кривой (Айзенбуд и др., 1959), то можно предполагать, что начальная величина этой силы по твердотельной модели во много раз превосходит аналогичную величину по капельно-жидкой модели на соответствующих интервалах радиуса ее действия .

В соответствии с вышесказанным ядро атома можно представить себе как твердый кристалл с укладкой в нем нуклонов в определенном пока еще неизвестном порядке. Так же, как и в твердом теле, нуклоны можно представлять себе в виде твердых шаров плотно уложенных с определенным типом кубической или гексагональной упаковки. Причем эти твердые шары не есть истинные размеры нуклона, а их радиус равен радиусу самого нуклона плюс радиус свободного пространства, которое поддерживается между ними за счет их кинетического движения и соударения, также как это наблюдается в твердых телах. Следует отметить, что сами нуклоны занимают всего лишь 2% от объема ядра, а остальной объем приходится как раз на это свободное пространство (Ландау и др., 1955). На поверхности ядра, так же как и на поверхности твердого тела, имеется разуплотненный поверхностный слой, созданный за счет скачкообразного выскакивания нуклонов, которые приобрели в результате флюктуаций избыточную кинетическую энергию. Поэтому механизм деления ядер тяжелых элементов, и в первую очередь урана, можно представить на основе твердотельной модели следующим образом .

Когда нейтрон ударяет о ядро урана, то он, захватываясь ядром и включаясь в его состав, создает в нем определенную деформацию сдвига, т. е. смещает несколько ближайших нуклонов со своих мест вдоль некоторой плоскости, как бы вдавливая их во внутрь. Значит, так же как и при образовании трещины сдвига в твердом теле, стенки этой начальной трещины начинают отталкиваться друг от друга поперек направления удара за счет кинетической энергии движения нуклонов, плотная упаковка которых нарушена в результате сдвига. При этом появляются две свободные поверхности, и нуклоны здесь начинают совершать скачки в сторону от этих поверхностей и этим еще более раздвигая стенки трещины. Это ведет к дальнейшему удлинению и саморазвитию трещины, так что она рассекает весь объем ядра на две части. Эта трещина отделяет и отодвигает половинки ядра за пределы расстояния действия ядерных сил притяжения. Причем кинетическая сила отталкивания, участвующая в образовании трещины гораздо больше ядерных сил, что видно хотя бы из того, что эта сила удерживает отдельные нуклоны в ядре на значительном расстоянии друг от друга, не позволяя им склеиваться вместе. После того, как две половинки ядра вдоль трещины оказались за пределами действия ядерных сил, сразу же начинается действие электрических сил отталкивания, которые являются гораздо более дальнодействующими, а вблизи ядра они были просто подавлены ядерными силами .

Эти силы, приобретая свободу, разгоняют осколки ядра до больших скоростей на всем интервале их действия, создавая этим огромную кинетическую энергию .

В связи с этим я хочу высказать некоторые свои соображения о превращениях массы в энергию в соответствии с известной формулой А. Эйнштейна W = mc2. Строго говоря, никакого превращения массы в энергию или энергии в массу здесь не происходит, т. е. масса никуда не исчезает, хотя энергия действительно возникает. Ее возникновение связано с тем механизмом деления ядер, который выше охарактеризован. То есть ядра при ударе о них какой-либо частицей разбиваются на осколки, которые затем разгоняются электрическими (кулоновскими) силами отталкивания до огромных субсветовых скоростей. Вот эта скорость, которую приобретают осколки, и есть то непосредственное проявление ядерной энергии, которая выделяется при ядерных превращениях. Эта большая скорость движения осколков и создает высокую температуру при ядерных взрывах, так как известно, что температура определяется в первую очередь скоростью движения частиц: чем выше скорость, тем выше температура .

Суммарная масса вещества, т. е. частиц в целом, не изменилась, просто одна частица разбилась на несколько меньших осколков. Формула Эйнштейна характеризует только то, что в природе любое вещество обладает предельно большой энергией равной mc2, т. е. той энергией, которую приобретает какаялибо частица, движущаяся со скоростью света. Выше этой скорости в природе ничто не способно двигаться. В принципе любая частица, составляющая ядра атомов может двигаться со скоростью света или близкой к ней и значит, например, в любой кастрюле или табуретке, состоящих из этих частиц, потенциально заключена эта энергия. Если бы все составляющие эти предметы частицы были способны испытывать ядерные превращения и разгоняться до световых скоростей, то тогда эти предметы выдали бы всю свою энергию, заключенную в них, создав ядерный взрыв огромной силы. Но двигаться со скоростью света могут только наиболее легкие частицы – электроны, позитроны, нейтрино. Более тяжелые частицы, например осколки ядер атомов урана, при их делении разлетаются со скоростью только 100 тыс. км/сек, т. е. в три раза меньшей скорости света. Еще меньше вероятность приобрести большие скорости для более тяжелых частиц и тем более для кастрюли и табуретки. Это известно из теории теплового движения атомов и молекул, где более тяжелые из них двигаются медленнее, чем более легкие, имея одинаковую энергию, в соответствии с законом Максвелла .

Следовательно, хотя любое вещество в природе потенциально обладает огромной энергией, но реально эту энергию высвободить, да и то только частично, удается только при делении ядер тяжелых элементов, в первую очередь урана. Это примерно также как в газе, где все молекулы хаотично двигаются со скоростью около 500 м/сек. Если всех их направить в одну сторону, то они создадут мощный поток ветра, все сметающий на своем пути. Но фактически они двигаются хаотически равновероятно во все стороны, соударяются друг с другом и эта их энергия остается скрытой для наблюдения, проявляясь только при повышении температуры, т. е. при возрастании общей скорости их движения, в виде теплового расширения .

Здесь я хочу высказать свои идеи о том, что вышеотмеченная энергия разгона половинок ядер тяжелых атомов, вероятно, и есть та сила, которая привела всю нашу Вселенную в движение от начального, вероятно когда-то существовавшего периода тепловой смерти, при котором все частицы были почти неподвижны. Можно предположить, что в этот период в космосе существовали только первичные «строительные камни» – протоны и нейтроны, и еще какие-либо устойчивые частицы, которые медленно двигались в пространстве и изредка соударялись между собой. Поскольку протоны имеют положительный заряд, а нейтроны заряда не имеют, то и соединения частиц вместе в какиелибо сгустки сначала не могло произойти. Но в некоторых участках космического пространства возникали флюктуации в движении частиц, когда они в процессе соударения начинали двигаться с более значительными скоростями. С этим может быть связано начало возникновения процессов обмена протонов и нейтронов заряженными частицами типа мезонов и начало возникновения в результате этого сил притяжения между нуклонами. Возможно, что на первом этапе силы притяжения были еще слабые, но уже достаточные, чтобы из рассеянных в пространстве нуклонов образовать их сгустки в виде достаточно плотных шариков. При взаимном соударении этих шариков, они раскалывались вдоль трещин и их половинки расталкивались друг от друга, разгоняясь до более значительных скоростей, чем двигались сами шарики. Но эти скорости были еще небольшие, поскольку и силы притяжения между нуклонами в шариках были также не велики. Но с началом возникновения такого процесса связан постепенный разгон частиц до все более и более значительных скоростей. С течением времени в миллиарды лет и в неограниченно большом объеме мирового пространства где-то эти скорости могли приближаться к скорости света. Тогда и началось образование настоящих ядер атомов и все связанные с этим ядерные процессы, в том числе и деление ядер атомов и разгон их осколков до субсветовых скоростей. Эти возникшие участки с высокоэнергичной материей постепенно расширялись, инициируя возникновение таких же высоких скоростей частиц в окружающих их пространствах, как бы поджигая содержащееся там вещество. Так в течение миллиардов лет возникало все большее количество атомов, которые группировались в виде пылевых туманностей, затем, сгущаясь, образовывали галактики, звездные системы и планеты. Вся Вселенная таким образом переходила из состояния тепловой смерти к той жизнедеятельности, которую мы наблюдаем сейчас. Может этот период и был периодом возникновения Большого взрыва, когда во Вселенной зарождались сгустки высокоэнергичного вещества, которые затем расширялись, создавая эффект разбегания галактик друг от друга? Вероятность образования таких сгустков также мала, как вероятность образования молекулы ДНК в мировом океане на поверхности Земли в начале зарождения здесь жизни. Но у природы есть огромное время и огромные пространства, которые делают эту вероятность вполне возможной, несмотря на самую ничтожно малую ее величину .

Следует отметить, что, по-видимому, именно деление ядер атомов и разгон их осколков до больших скоростей послужили тем первичным механизмом, который придал всем частицам большие скорости, а Вселенной – энергию движения и саморазвития. Никакого другого механизма ускорения движения частиц в природе нет. По существу Т-СРПС ядер атомов является капсюлем-детонатором, который разрывает ядерные связи и инициирует взрывное разделение ядерных частиц и разгон их электрическими силами до больших скоростей и этим придает энергию саморазвития Вселенной .

Термоядерная энергия, как отмечалось выше, принципиально отличается от ядерной энергии тем, что ее возникновение происходит не при делении ядер атомов, а наоборот, при слиянии малых ядер одних элементов в более крупные ядра других элементов. В недрах звезд или при взрыве водородных бомб, где такая энергия возникает, ядерные частицы – четыре протона водорода при соединении образуют более тяжелое ядро гелия, два позитрона и два нейтрона. В соответствии с формулированным мною выше молекулярно-кинетическим правилом тепловых явлений, это ядро гелия оказывается в таком случае в аномальных для той же температуры условиях кинетического движения, т. е. движется гораздо быстрее с теми скоростями, что двигались более легкие протоны. Это фиксируется как резкое повышение температуры .

ГЛАВА 2. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ СФЕРА

В атомно-молекулярной сфере главнейшие движущие силы природы по разному проявляются в двух группах этих частиц: в группе атомов и малых молекул и в группе крупных комплексных молекул размером, сопоставимым с размером коллоидных частиц и в самих коллоидных частицах .

2.1. Группа атомов и малых молекул 2.1.1. Общая характеристика К первой группе относятся отдельные атомы и молекулы, состоящие из нескольких атомов в количестве не превышающем один или два десятка атомов. В их формировании важнейшее значение имеют электромагнитные силы .

Атомы являются более крупными «строительными блоками» окружающего нас материального мира, чем ядерные частицы. Ими сложены непосредственно окружающие нас вещества, предметы, растения, живые организмы, горные породы земной коры и т. д. Атомы обладают двумя важнейшими свойствами .

Первое свойство: атомы имеют способность химически соединяться друг с другом в молекулы веществ, количество разновидностей которых неизмеримо больше, чем количество разновидностей атомов. По существу, молекулы и придают всем химическим веществам свойства, которые мы наблюдаем в окружающем мире. По современным представлениям, химическая связь является результатом движения электронов внешних (валентных) оболочек атомов в пространстве между ядрами взаимодействующих атомов. Возникновения связи обусловлено тем, что электроны, которые принадлежат двум различным атомам, становятся для них общими при сближении атомов. Главнейшими типами связи являются ковалентная, ионная, металлическая, ван-дер-ваальсова (молекулярная) и водородная. Их можно сгруппировать в два типа: ориентированные относительно друг друга на поверхности атома и не ориентированные (терминология автора) .

Типичным представителем первого типа является ковалентная связь. Для нее характерно, что на поверхности атома того или иного элемента эти связи размещены определенным образом и поэтому соединение атомов в молекулы происходит в определенных участках их поверхности. Можно образно сказать так: на поверхности имеются определенные «стыковочные узлы», к которым пристыковываются другие атомы, подобно тому как составляются модули на космических станциях «Мир» и «МКС». Причем для состыковки «узлов» необходимо, чтобы атомы еще и соударились под определенным углом и с определенной минимальной скоростью. Таких «стыковочных узлов» на поверхности каждого атома может быть несколько, например, у углерода – четыре, у кислорода – два, у азота – три (рис. 55). Причем у разных атомов пространственное расположение «узлов» на поверхности может меняться. Ковалентная связь возникает при сближении атомов, когда образуется пара электронов, которые движутся одновременно в полях обоих атомов, связывая их таким образом. Причем атомы оказываются как бы вдавленными друг в друга, что несколько уменьшает их радиус .

Некоторой разновидностью ориентированной связи является водородная связь, которая проявляется благодаря поляризации двух соседних молекул, что можно наиболее четко видеть на примере молекулы воды – Н2О. В целом эта молекула электронейтральна, т. е. имеет равное число электронов и протонов в ядре, но электроны распределены несимметрично, что придает ей полярный характер. Атомы водорода «состыкованы» с атомами кислорода ковалентными связями с одной половины ее поверхности. Поэтому в целом молекула получается несимметричной. В ней ядро атома кислорода в некоторой степени оттягивает элекРис. 55. Схема размещения коватроны от ядер атомов водорода, оставляя на них небольшой сумлентных связей на поверхности марный положительный заряд. Области с небольшим отрицаатомов углерода, азота и кислорода .

тельным зарядом располагаются вблизи атома кислорода в двух других углах воображаемого тетраэдра. Так получается дипольная молекула воды с положительным и отрицательным зарядами на двух противоположных концах, которые и способны притягивать другие атомы .

Неориентированные связи – ионная и металлическая – позволяют атомам соединяться также в определенных точках, распределенных по их поверхности равномерно и в достаточно большом количестве, так что при этом, в отличие от ковалентной связи, все равно, с какой стороны присоединяются атомы. Ионная связь возникает в результате того, что при взаимодействии атомов один из них притягивает в сферу своего ядра один или несколько электронов и становится отрицательно заряженным ионом (анионом), а другой, отдавая электроны, становится положительно заряженным ионом (катионом). Между разнозаряженными ионами появляется электростатическое взаимодействие притяжения .

Металлическая связь в наиболее чистом виде наблюдается между атомами одного и того же элемента – металла, рассматриваемого как совокупность положительно заряженных ионов – «атомных остовов», между которыми свободно перемещаются электроны в виде «электронного газа» .

Ван-дер-ваальсова связь проявляется в результате взаимодействия нейтральных молекул. При вращении электрона вокруг положительного ядра атома в каждый момент образуется диполь – «ядро–электрон». При достаточном сближении соседних атомов возникает взаимодействие между их мгновенными диполями, так называемое диполь-дипольное взаимодействие, т. е. слабые силы притяжения, называемые остаточными, или ван-дер-ваальсовыми .

Второе важнейшее свойство атомов и образованных из них молекул: они постоянно находятся в движении с большой тепловой скоростью (около 500 м/с), но меньшей, чем ядерные частицы. Причем они двигаются, соударяясь и ни на мгновение нигде не останавливаясь, даже находясь в составе твердых тел, растений и живых организмов, не говоря уже о газах и жидкостях. Непосредственным проявлением этого движения в газах или жидкостях является, например, передача в воздухе запаха растворенного газа из одной комнаты в другую или движение растворенного в воде вещества в процессе диффузии; в твердых телах – изменение температуры от более нагретых участков к менее нагретым за счет того, что двигающиеся в составе кристаллической решетки атомы передают энергию движения соседним атомам. Движение или имеет характер хаотического зигзагообразного перемещения с равной вероятностью во все стороны в газах и жидкостях при самодиффузии, или является колебательным около узлов кристаллической решетки в твердых телах, или хаотическим, но двухмерным на какой-либо поверхности, например, в биологических мембранах. Молекулы и атомы также могут вращаться вокруг своей оси – спиновое движение .

Именно это многообразие и большая скорость движения молекул и атомов позволяет им с огромной частотой соударяться друг с другом; при этом высока степень вероятности того, что произойдет их состыковка в более крупные частицы (молекулы) в зависимости от количества и расположения «стыковочных узлов», с учетом необходимости достаточно высокой концентрации атомов и молекул в определенном участке .

2.1.2. Участие в избирательной проницаемости мембран В группе атомов и малых молекул большую роль играет СРПС жидкостей и газов, включая ТСРПС и О-СРПС, благодаря которым в этих веществах создается избирательная проницаемость мембран, играющая огромную роль в природных процессах обмена веществ, особенно в растениях и живых организмах. Эта избирательная проницаемость создается следующим образом .

Разуплотненный поверхностный слой газа представляет некоторую разновидность вакуума, где молекулы совершают свободные движения не соударяясь друг с другом, а только со стенками слоя .

Такое движение веществ осуществляется по законам так называемого кнудсеновского движения или молекулярного течения газов, когда длина свободного пробега их молекул меньше размеров того сосуда, в котором он заключен .

Как ведут себя разреженные газы в пределах вакуума можно показать на примере, приведенном в учебнике молекулярной физики (Кикоин и др., 1976). Представим себе сосуд с вакуумом, разделенный пополам перегородкой, в которой имеется отверстие. Если в одну половину сосуда поместить небольшое количество молекул газа, то они будут соударяться только со стенками и с перегородкой, но между ними соударений не будет. Здесь величина их свободного пробега соответствует размерам сосуда. Через некоторое количество случайных соударений каждая из молекул совершит полет сквозь отверстие в перегородке и перейдет во вторую половину сосуда, и таким образом они будут заполнять ее до выравнивания концентрации в обеих половинах сосуда .

Если в одну часть сосуда поместить молекулы газа с разным удельным весом, то более легкие молекулы, имеющие большую скорость движения, будут чаще ударяться о перегородку. Значит, вероятность проникнуть сквозь отверстие в перегородке для них больше, и поэтому они быстрее перейдут во вторую половину сосуда. Благодаря этому соотношение молекул в первой половине сосуда изменится в сторону уменьшения концентрации более мелких молекул и увеличения концентрации более тяжелых. Следовательно, здесь в процессе так называемой молекулярной эффузии в условиях вакуума наблюдается избирательная проницаемость молекул через перегородку .

Здесь необходимо обратить внимание на то, что условия для избирательной проницаемости молекул здесь создаются в обеих половинах сосуда, а не внутри отверстия в перегородке. Этим условием является обязательное наличие вакуума, так как только тогда молекулы, свободно двигаясь и соударяясь со стенками, имеют возможность проявить свою избирательность в проникновении сквозь отверстие, и эта избирательность определяется их скоростями движения и частотой соударения со стенками и перегородкой .

Я специально акцентирую на этом внимание, потому что далее в отмеченном учебнике (и, значит, это общепринятое представление) говорится о том, что такая же избирательная проницаемость осуществляется при молекулярном течении плотных газов сквозь трубы и капилляры радиусом меньше длины свободного пробега молекулы; причем приводится формула, из которой следует, что, как и при молекулярном течении газа сквозь трубы, так и при молекулярной эффузии в условиях вакуума, количество проникающего в единицу времени газа обратно пропорционально корню квадратному из молекулярного веса газа. Отмечается, что течение плотного газа сквозь узкие трубы и капилляры является молекулярным, так как «в пределах площади отверстий молекулы не сталкиваются между собой и, следовательно, каждый компонент смеси двигается независимо друг от друга»

(с. 191). Иначе говоря, проводится полная аналогия между условиями проникновения газов сквозь отверстия в вакууме и условиями проникновения плотных газов при обычных давлениях сквозь отверстия или трубы радиусом меньше длины их свободного пробега .

Но в этих представлениях, по моему мнению, не замечается крупная ошибка. Как отмечалось выше, действительно создаются условия для селективной проницаемости газов вследствие разной скорости их теплового движения. Но это условие осуществляется не внутри отверстий в перегородке, разделяющей газы, а в пределах сосуда, в котором они заключены .

Именно там необходимо существование вакуума, чтобы осуществить селективное разделение газов .

Когда же происходит течение плотных газов сквозь трубы или капилляры радиусом менее длины свободного пробега, то для полной аналогии с молекулярной эффузией необходимо, чтобы здесь также существовал вакуум, но не внутри труб и капилляров, а также за их пределами. Только тогда возможно разделение газов. Но наличия такого вакуума в современной науке не предполагается. Значит, не замечается, что нельзя проводить аналогию между молекулярной эффузией в вакууме и молекулярным течением газов по трубам, исходя из существующих научных представлений .

И здесь все ставит на свои места представление о существовании разуплотненного поверхностного слоя. Этот слой у стенок мембран с отверстиями и есть вакуум, необходимый для разделения газовых смесей. В его пределах проявляется различие в скоростях движения молекул, и поэтому они способны селективно проникать сквозь поры мембран по законам молекулярной эффузии в вакууме .

Если плотные газы непосредственно контактировали бы со стенками проницаемых мембран, то находящиеся около отверстий быстрые и медленные молекулы попадали бы в них одновременно, никоим образом не успев проявить свои различия в скорости движения и не создав их избирательную проницаемость. Это происходило бы потому, что, насколько быстрые молекулы чаще ударялись бы о стенки, насколько же часто они ударялись бы и о более медленные (более тяжелые) молекулы, подталкивая их к стенке и заставляя ударяться об нее. Поэтому вероятность тех и других проскочить сквозь отверстия мембраны была бы одинакова и зависела только от концентрации, а не от удельного веса .

Это подобно посадке группы людей в автобус без соблюдения очереди. Если молодые энергичные люди будут садиться в автобус в общей толпе со старушками, то они и попадут внутрь автобуса в одинаковом количественном соотношении (если не будут уступать им очередь). Но если автобус остановится в 10 м от толпы, то нетрудно себе представить, что молодые люди первыми войдут в автобус, так как эти 10 м они пробегут быстрее старушек .

Но одного только различия в скоростях движения молекул в пределах разуплотненного поверхностного слоя недостаточно, чтобы избирательное разделение молекул осуществлялось достаточно длительное время. Дело в том, что в начальный момент более быстрые молекулы вблизи поверхностного слоя действительно быстрее перейдут сквозь поры мембран и этим резко уменьшат их концентрацию здесь. Но на этом их более быстрый переход может и закончиться, если сюда не будут подходить так же быстро молекулы из глубины жидкости. Поэтому здесь вступает в действие О-СРПС, т. е .

решетчато-пружинный механизм диффузионного движения молекул, который создает давление и, следовательно, подход новых молекул. Причем, как показано выше, сила давления этого механизма зависит не только от концентрации, но и от скорости движения молекул. Благодаря этому создается постоянный ускоренный подход более быстро двигающихся молекул к границе поверхностного слоя и затем их ускоренное движение через слой и сквозь микропоры мембран .

Избирательная проницаемость газовых мембран с радиусом отверстий меньше длины свободного пробега широко используется для разделения газовых смесей (Дытнерский и др., 1991) и изотопов разного веса (Кикоин и др., 1976). Это разделение возможно только при условии существования разуплотненного поверхностного слоя газов, созданного действием Т-СРПС .

В своих предыдущих работах (Шабалин, 2009) я связывал избирательную проницаемость мембран в жидких средах с действием МДК-эффекта, т. е. с осмотической составляющей СРПС. Сейчас я изменил свои представления и считаю, что она обусловлена действием одновременно температурной и осмотической составляющей СРПС, как это происходит в охарактеризованных выше газовых мембранах. В них Т-СРПС, создавая разуплотненный поверхностный слой, способствует возникновению таких же условий для молекулярного течения веществ, какие создаются в вакууме. Иначе говоря, каждая мембрана, с обеих сторон окружена разуплотненными поверхностными слоями газа, являющимися аналогом вакуума, необходимого для разделения смесей сквозь поры .

Подобное же свойственно мембранам в жидких, и в первую очередь водных, средах. Здесь вода на обеих поверхностях мембран за счет действия Т-СРПС создает разуплотненный поверхностный слой; количество молекул в его частях, прилегающих непосредственно к стенке, близко к вакууму .

Значит, здесь, так же как и для газовых мембран, создаются условия для избирательного прохождения молекул растворенных в воде веществ. Вследствие такого вакуума, каждая более быстро двигающаяся молекула имеет возможность пройти расстояние в пределах поверхностного слоя между стенкой мембраны и плотной жидкостью, например, в 2 раза быстрее. Следовательно, она будет в 2 раза чаще ударяться о стенку и для нее в 2 раза больше вероятность того, что она совершит скачок в направлении поры в мембране и далее сквозь нее на другую сторону .

Если бы разуплотненного слоя не было, то более быстро двигающиеся молекулы, соударяясь с молекулами воды и растворенных веществ у стенки мембраны, не имели бы возможности реализовать свое различие в скорости. Чем больше их скорость, тем чаще они соударялись бы с другими молекулами и тем чаще как бы подталкивали их к прохождению сквозь микропоры, не имея от этого никакого преимущества. В условиях же вакуума разуплотненного слоя, не сталкиваясь с другими молекулами, они свободно проявляют свою скорость и способны быстрее проходить сквозь микропоры мембран .

Причем общее расстояние, которое они проходят в пределах разуплотненного поверхностного слоя, не равно толщине этого слоя, а гораздо больше, так как, прежде чем молекула попадет в микропору в процессе случайных соударений со стенкой, она пройдет длинный путь .

Но как показано выше на примере газов, одного только различия в скоростях движения молекул недостаточно для избирательной проницаемости мембран в течение какого-либо определенного промежутка времени. Необходимо еще действие О-СРПС, благодаря которой «решетчато-пружинный»

механизм диффузионного движения растворенных веществ способствует созданию большей скорости движения диффузионного фронта более быстрых молекул. Поэтому последние быстрее подходят из глубины к поверхностному слою и таким образом поддерживают постоянство потока быстрых молекул, движущихся через микропоры мембраны .

Господствует точка зрения о том, что микропоры мембран в воде не пропускают одни молекулы и пропускают другие потому, что диаметры первых больше диаметра микропор, а вторых – меньше .

При этом считается, что снижению пропускной способности молекул содействует гидратация ионов, т. е. окружение их оболочкой из ориентированных дипольных молекул воды, которые образуют как бы «шубу» вокруг них, увеличивая таким образом диаметр жесткой сферы растворенных молекул .

В частности Ю.И. Дытнерским (1975, 1978, 1986), приведены убедительные данные о том, что степень гидратации ионов существенно влияет на избирательную проницаемость мембран .

Эти данные не противоречат изложенным мною представлениям. Гидратация ионов способствует увеличению и большей дифференциации веса молекул и поэтому усиливает избирательность их прохождения сквозь микропоры мембран .

В целом Т-СРПС и О-СРПС, создавая и поддерживая микропористые среды в биологических клетках растений и живых организмов и в горных породах земной коры, и избирательно пропуская сквозь них растворенные в воде атомы, ионы и малые молекулы растворенных компонентов, создает такое фундаментальное свойство материи, как избирательность обмена веществ .

2.2. Группа крупных комплексных молекул и коллоидов В более крупных молекулах и коллоидных частичках, к которым относится подавляющее большинство органических молекул, крупные комплексные полимеризованные неорганические молекулы и собственно коллоиды, кроме вышеотмеченных электромагнитных сил, также проявляется сила разуплотнения поверхностного слоя воды, обычно окружающей их, но только Т-СРПС воды и в несколько иной форме, чем в группе атомов и малых молекул. Дело в том, что около этих молекул и частичек, благодаря их большим размерам, образуется поверхностный слой воды, обладающий всеми свойствами разуплотненного поверхностного слоя, подобными тем, что присущи слою около широких поверхностей контакта воды с твердыми веществами. Поэтому здесь появляются условия для возникновения Т-СРПС воды, которая оказывает существенное влияние на взаимодействие этих молекул друг с другом. Около атомов и более мелких молекул такой слой не может образоваться .

2.2.1. Коллоидные частички Развитие представления о полимеризации молекул, в частности в геологических процессах земной коры, начиналось с представления об их коллоидной природе как относительно изометричных мельчайших частичек (размером несколько нанометров), которые удерживаются во взвешенном состоянии благодаря их отталкиванию друг от друга за счет одноименного электростатического заряда на их поверхности. В частности так их описывает Ф.В. Чухров в своей фундаментальной книге «Коллоиды в земной коре» (1955) и они характеризуются в других работах (Бетехтин, 1955; Лебедев, 1965; Левицкий, 1955). В них нет даже упоминания о коллоидах как полимерах. Такое представление связано с тем, что в этот период времени коллоидная химия развивалась главным образом в области изучения так называемых лиофобных коллоидов, в которых взвешенные частички представляют собой обломки вещества, сохраняющие структуру и фазовое состояние исходного материала (Каргин и др.,1967). Однако в дальнейшем и в первую очередь в органической химии начала развиваться теория о полимерном строении вещества (Коршак, 1965; Папков, 1974), которая затем стала применяться и для объяснения коллоидной природы неорганических веществ (Толстогузов, 1967; Неорганические полимеры, 1965), а затем она стала широко использоваться и в геологических работах (Нарсеев, 1964; Кормилицын, 1973; Минцер, 1967) .

Причиной устойчивости коллоидных в том числе и полимерных частичек до настоящего времени считается наличие на их поверхности так называемой сольватной оболочки из заряженных ионов плотно притянутых к ней (Писаренко и др. 1961). В этой оболочке за счет этих ионов создается двойной электрический слой как плоский конденсатор. В случае, если заряд этого слоя на поверхности двух частичек одноименный, то при сближении они отталкиваются друг от друга и таким образом поддерживаются в растворе во взвешенном состоянии .

На основании вышеизложенных представлении об СРПС я высказываю принципиально новое представление о причине устойчивости коллоидов. По моему мнению, соединению их вместе и выпадению в осадок препятствует Т-СРПС поверхностного слоя жидкости, который разделяет эти частички .

Как показано выше, Т-СРПС придает этому слою определенные свойства твердого тела, которые и препятствуют соединению вместе коллоидных или полимеризованныхчастичек. Этому содействует в первую очередь расклинивающее давление Дерягина, являющееся самой малой частью действия Т-СРПС и имеющее, как описано выше, не электростатическую, а молекулярно-кинетическую природу. Образование и устойчивость коллоидных частичек происходит, по моему мнению, следующим образом .

Когда в жидкости молекулы начинают соединяться, чтобы образовать частички твердого вещества, это соединение идет беспрепятственно до тех пор, пока размер частичек не достигнет той величины, когда на их поверхности способен образоваться поверхностный слой с его особыми свойствами. Вероятно, эта величина будет несколько превышать толщину самого слоя. После того как этот слой образовался и, следовательно, Т-СРПС создала в нем разуплотнение и придала ему свойства твердого тела, дальнейшее увеличение размера частиц прекращается. Поверхностный слой препятствует дальнейшему росту коллоидных частичек, так как он с силой расклинивающего давления и собственно Т-СРПС отталкивает их друг от друга. Поэтому данный размер частичек и остается в растворе господствующим, т. е. он лимитируется началом возникновения Т-СРПС в поверхностном слое .

Коллоидные частички обычно образуются из веществ с гидрофильными свойствами, т. е. относительно сильнее притягивающими к себе молекулы воды. Это связано с тем, что, как отмечалось выше, здесь, в поверхностном слое, Т-СРПС создает относительно меньшее разуплотнение молекул и, значит, слой находится в состоянии натяжения, далеком до предела этого натяжения, когда он может разорваться. Поэтому механическим силам, стремящимся сжать этот слой при сближении коллоидных частиц, необходимо приложить большие усилия, чтобы разорвать его в поперечном направлении и соединиться между собой в местах этого разрыва. Наоборот, в случае сближения гидрофобных частичек с сильно разуплотненным поверхностным слоем, последний очень близок к пределу своего разрыва. Поэтому достаточно слабого касания двух частичек, чтобы этот слой разорвался и частички слились, создав коагуляцию, или коллоидные растворы вообще бы не смогли образоваться, сразу сформировав осадок .

Но здесь оказывает влияние и непосредственно сама Т-СРПС, которая проявляется следующим образом. В тот момент, когда коллоидные частички, преодолев расклинивающее давление Дерягина, соединились между собой, они могут находиться в непрочном соединении или вновь рассоединиться .

В период раскачивания в соединенном состоянии или рассоединения между ними появляются новые участки поверхностного слоя. Значит, здесь они опять разуплотняются, расширяются и с силой температурного расширения дают толчок разделяющимся поверхностям, отрывая их друг от друга и подталкивая вдогонку, ускоряя тем самым их движение. Таким образом, Т-СРПС создает дополнительное препятствие для соединения коллоидных частичек и старается их держать на некотором расстоянии друг от друга, еще более усиливая свойство поверхностного слоя как твердого тела .

Подобным же образом происходит образование эмульсий, т. е. растворов с мельчайшими взвешенными капельками одной жидкости в другой, например, капельками масла в молоке, придающими ему соответствующую жирность и белый цвет. Образование эмульсионных капелек жидкости и их размер определяются началом действия Т-СРПС в поверхностном слое, т. е., по существу, возникновением самого этого слоя при достижении ими определенного размера, поскольку, например, одна или две молекулы не могут образовать вокруг себя такой слой .

Если величина разуплотнения поверхностного слоя слишком велика и близка к пределу его разрыва (расклинивающее давление Дерягина очень мало), то эмульсионные капельки при сближении и контакте легко разрывают этот слой и сливаются между собой. Это является началом процесса ликвации, т. е. объединения в более крупные капли. Простейший пример: возьмите тарелку с супом и понаблюдайте, как ведут себя на поверхности плавающие капли жира. Эти капли или, точнее, плоские кружочки способны плавать и контактировать друг с другом, но сливаются они не обязательно сразу при контакте, а какое-то время могут сосуществовать. Чтобы они слились, необходимо приложить некоторое усилие, допустим, подтолкнуть навстречу друг другу двумя ложками. Вот это усилие и есть сила, противодействующая их слиянию и соответствующая расклинивающему давлению Дерягина. Причиной этой силы является сила разуплотнения молекул поверхностного слоя, придавшая ему свойство твердого упругого тела .

Комплексные полимеризованные молекулы неорганических веществ, являющиеся аналогом коллоидных частичек, также образуются в результате действия Т-СРПС. Они играют большую роль в недрах земной коры при образовании месторождений полезных ископаемых и гранитоидных магматических пород, способствуя созданию механизма диффузионного флюидозамещения, как это будет показано ниже .

2.2.2. Гетерогенный и ферментный катализ крупных молекул Важную роль Т-СРПС играет в гетерогенном и ферментном катализе крупных молекул в первую очередь биологических при ферментном катализе .

Сущность гетерогенного катализа сводится к тому, что на поверхности твердых веществ химические реакции в газовой и жидкой среде осуществляются быстрее, чем внутри этих сред. Роль первой физической теории в гетерогенном катализе играло представление Фарадея о том, что причиной ускорения реакций является адсорбция, т. е. сгущение количества молекул в поверхностном слое катализатора (см. Полторак, 1968). В дальнейшем был выдвинут ряд теорий гетерогенного катализа. Наиболее широко распространена теория активных центров, развитая первоначально в работах Констебля и Тейлора в начале 19-х годов, согласно которой на поверхности катализатора вследствие ее физической (структурной) неоднородности, связанной с наличием дефектов поверхности, выступов, ребер и т. д., имеется некоторое число активных центров. Эта теория получила опытное подтверждение, когда было показано, что каталитически активна только незначительная доля поверхности катализатора, нередко не более 1%. Она стала называться теорией активных центров Тейлора, и сейчас это одно из основных представлений в катализе. Однако то, какие элементы структуры кристаллической решетки служат активными центрами, является предметом дискуссии. Тейлор первоначально считал, что роль активных центров играют валентно ненасыщенные места решетки – структурные пики. Широко распространено мнение, что каталитическими свойствами обладают только определенные кристаллографические элементы – ребра или углы кристаллов каталитически активных веществ или определенные нарушения нормальной кристаллической структуры. Некоторые исследователи считали, что каталитическими свойствами обладают все нарушения кристаллической структуры решетки, имеющие избыток свободной энергии (теория пересыщения С.З. Рогинского, 1941). Большое значение в каталитической активности придается дефектам кристаллической структуры, т. е. любым отклонениям от идеальной периодичности при упаковке атомов в кристаллической решетке (Полторак, 1968). Существуют точечные, одномерные (линейные) и двухмерные дефекты (вдоль плоскости) .

Теория промежуточных соединений, наиболее последовательно развиваемая Г.К. Боресковым (1988), предполагает, что ускорение гетерогенных реакций происходит в результате образования реактантом и катализатором поверхностных нестойких промежуточных соединений. Основная причина ускоряющего действия катализатора, по Г.К. Борескову, заключается в том, что катализатор «повышает степень компенсации энергии разрывающихся связей энергией образующихся связей» .

А.А. Баландин (1963) предложил так называемую мультиплетную теорию катализа, которая рассматривает конкретные каталитические реакции на атомно-молекулярном уровне с точки зрения конфигурации молекул и решеток твердых веществ, а также длин и энергии химических связей. Радиус действия валентно-химических связей очень мал, поэтому атомы химически взаимодействуют только при соприкосновении, т. е. при сближении на длину связи. В каталитических реакциях участвуют не молекулы целиком, а отдельные их атомы, которые должны соприкасаться (принцип контакта), при этом не обязательно одновременно. Группу таких атомов А.А. Баландин назвал индексной группой; она является аналогом функциональной группы в органической химии. По принципу контакта реагирующие атомы в определенный момент времени должны соприкасаться и с катализатором, накладываясь на его поверхность. На гранях кристаллической решетки имеются выступы, соответствующие атомам решетки, и выемки – в промежутках между выступами. Атомы, попадающие при катализе в выемки, притягиваются особенно сильно по той причине, по которой атомы вещества при его кристаллизации стремятся расположиться в наиболее плотной упаковке, так как здесь находится минимум потенциальной энергии по причине возможности взаимодействия с несколькими окружающими атомами .

В целом из этой характеристики теорий гетерогенного катализа можно видеть, что главными в них являются понятия об активных центрах как некотором углублении в теле катализатора и группе атомов реагирующей молекулы-реактанта, которая временно фиксируется внутри центра, а затем удаляется после разрыва в ней связей и образования новых. Я хочу обратить внимание на то, что важнейшим условием катализа, кроме роли каталитически активных центров, является кратковременность встраивания молекул-реактантов в эти центры и быстрое последующее удаление из них, чтобы освободить место другим молекулам. От степени задержки реактанта в активном центре зависит скорость катализа, да и вообще принципиальная возможность этого процесса. Наиболее вероятной причиной непрочности и временности связи реактанта с активным центром является тепловое движение молекул, которое стремится разорвать химические связи и оторвать молекулы с поверхности катализатора. Значит, это энергия флюктуационных колебательных отклонений атомов от узлов кристаллической решетки, которая создает Т-СРПС. Но в данном случае, вероятно, нельзя сказать, что собственно Т-СРПС участвует в удалении молекул реактанта из активного центра, так как она является силой, способной отодвинуть от поверхности твердого тела целую поверхность в процессе возникновения поверхностного разуплотненного слоя. Можно говорить, что только молекулярная составляющая Т-СРПС участвует в этом процессе .

Несколько по-иному происходит гетерогенный ферментный катализ органических молекул. Ферменты представляют собой крупные белковые молекулы, по размерам превосходящие молекулы, подвергающиеся катализу (субстрат), в сотни и тысячи раз (Диксон и др., 1982; Бергельсон, 1975; Молекулярная …, 1994). На поверхности каждой ферментной молекулы имеется только один активный центр – углубление в виде щели, где размещается субстрат. Внутренняя поверхность активного центра по форме комплементарна субстрату. Главной особенностью ферментативных реакций является то, что они протекают в составе активного комплекса, образованного в результате связывания субстрата с определенным участком молекулы фермента – активным центром, с которым субстрат обладает специфическим сродством. Это взаимодействие обычно стабилизируется образованием ряда связей между группировками молекул субстрата и определенным образом расположенными группами фермента. Взаимодействие между ферментом и субстратом может осуществляться с помощью ковалентных и водородных связей, электростатических и гидрофобных сил. Активный центр является весьма сложной структурой, которая может составлять существенную часть молекулы фермента. При реакции разные субстраты специфически связываются с расположенными поблизости участками активного центра и удерживаются в такой взаимной ориентации, которая наиболее благоприятна для их взаимодействия .

Связывание субстрата с активным центром фермента должно быть достаточно легко обратимым, так как в противном случае активный центр окажется заблокированным первой же присоединенной молекулой субстрата и каталитический цикл не сможет осуществиться. Поэтому, несмотря на значительные различия в эффективности фермент-субстратных взаимодействий в различных системах, связывание между группами фермента и группами субстрата должно быть довольно слабым. Наличие большого числа одновременно взаимодействующих групп обеспечивает достаточно высокое сродство. Для этого различные группы фермента должны быть расположены надлежащим образом, чтобы связывание их с группами субстрата могло осуществляться одновременно. Это является основой специфичности фермента, т. е. соответствия между ферментом и субстратом по типу «замок-ключ»

При ферментативной реакции происходит некоторое изменение конформации как субстрата, так и фермента, т. е. существует определенная гибкость их структур. Сама реакция осуществляется путем отделения оставшейся снаружи части субстрата с последующим удалением обеих разделившихся частей и освобождением активного центра для новых реакций .

В связи с этим возникает вопрос: почему молекулы субстрата не задерживаются длительное время внутри активного центра, а быстро удаляются из него после реакции. Необходимо обратить внимание на то, что молекулы фермента и субстрата крупные, состоят из сотен и тысяч атомов углерода, кислорода, азота и др. Ферментные реакции осуществляются в водной среде. Поэтому в контакте реагирующих молекул существует целая водная прослойка из множества молекул воды. Как мной показано выше, поверхностный слой воды, благодаря действиям Т-СРПС, приобретает некоторые свойства твердого тела, удерживающего, например, частицы коллоидов на некотором расстоянии друг от друга, не позволяя им склеиваться. Значит, такой слой существует и внутри углубления активного центра и является как бы «смазкой», не позволяющей субстрату плотно приклеиваться к ферменту. Именно он способствует тому, что после временной фиксации субстрата внутри углубления активного центра и каталитической реакции разделившийся остаток субстрата удаляется из активного центра, а не остается в нем. Действительно, какая еще сила способна это сделать, если субстрат фиксируется в активном центре достаточно прочными водородными и даже ковалентными связями, способными формировать целые молекулы. Колебания субстрата в пределах «люфта» внутри активного центра, фермента приводит в действие Т-СРПС и вызванное этим расклинивающее давление Дерягина, которые отрывают ее от поверхности после непродолжительной раскачки и способствуют удалению из центра .

В данном случае сущность ферментного катализа сводится к следующему. Существуют углубления определенной конфигурации внутри фермента и почти в точности подобные им по форме (по принципу «ключ – замок») выступы в теле молекул субстрата. В процессе хаотического блуждания и соударения последних с катализатором выступы попадают в соответствующие конформные углубления катализатора, и, таким образом, временно вся молекула субстрата фиксируется, испытывая частые соударения со стенками углубления активного центра в пределах своего «люфта». Частота соударения способствует механическому разрыву связей между частями субстрата, попавшими внутрь углубления, и частями, оказавшимися снаружи. Рассоединению связей также способствует и ТСРПС, так как поверхностный слой воды, проникая в разрывы между частями молекул, с силой расклинивает и разрывает их. Причем разрываться могут связи как между какими-то небольшими группами атомов, так и между длинными их цепями (например, белковых молекул), если в углубление попала какая-то средняя часть этой цепи. После разрыва связей образуются две новые молекулы, из которых находящаяся снаружи сразу же удаляется от фермента, так как она находится в свободном положении. Ту молекулу, которая присутствует еще внутри активного центра, Т-СРПС также заставляет удаляться, отрывая ее от стенок активного центра .

Иначе говоря, когда молекула субстрата временно приклеивается какой-либо выступающей частью в углубление фермента – его активный центр (т. е. входит как ключ в замок), то фермент как бы вырывает кусок этой молекулы или разрывает на две части единую цепочку молекулы за счет ее колебания, не синхронного с ферментом, и в результате образуются две новые молекулы .

Таким образом, в гетерогенном катализе Т-СРПС и созданный ею разуплотненный поверхностный слой играют решающую роль, способствуя быстрому удалению прореагировавших молекул из активных центров осуществляя этим непрерывный ход катализа с определенной скоростью .

ГЛАВА 3. КОСМОС В космическом пространстве главными являются гравитационные и термоядерные силы .

Образование звезд и планет начинается из холодного разряженного межзвездного газа. Вследствие неоднородного гравитационного поля в нем могут возникнуть возмущения, приводящие к локальным концентрациям массы. Такие возмущения вызывают так называемый гравитационный коллапс, когда межзвездный газ под действием гравитационных сил сжимается и принимает форму шара. При сжатии этого шара энергия гравитации переходит в тепло и температура его в центре крупных шаровых скоплений возрастает до нескольких миллионов градусов. При таких температурах начинаются термоядерные реакции, которые разогревают и поддерживают высокую температуру звезд и их свечение длительное время, делая их видимыми как звезды. Более мелкие скопления планетарных размеров за счет сжатия достигают только плавления вещества внутри них и проявления ядерных реакций радиоактивного распада тяжелых элементов на более легкие, поскольку при таких невысоких температурах термоядерные реакции невозможны .

Гравитационные силы, кроме воздействия на первичный разогрев космического вещества, также способствуют созданию механизма вращения планетных систем вокруг более крупных звезд, притягивающих их, или приданию скоплениям звездных систем вид вращающихся уплощенных галактик .

ГЛАВА 4. НЕДРА ЗЕМЛИ В недрах Земли действуют гравитационная сила, ядерные силы, механические силы и сила разуплотнения поверхностного слоя веществ .

4.1. Роль в недрах земли ядерной, гравитационной и механической сил Ядерные силы способствуют разогреванию первично холодной Земли, образовавшейся путем сгущения холодного космического вещества, до расплавленного состояния. В последующем происходило остывание и затвердевание Земли, но поддержка теплового баланса за счет распада радиоактивных элементов в минералах продолжает сохраняться все время .

Сила гравитации способствует перераспределению вещества внутри Земли по удельному весу .

За счет ее в недрах Земли формируются оболочки, различающиеся по удельному весу: металлическое железное ядро, ультраосновная мантия, базальтовый слой и самый верхний наиболее легкий гранитный слой. Гравитационные силы регулируют также высоту подъема гор и их площадь на поверхности Земли и глубину впадин в ней в зависимости от объема наиболее легкого гранитного вещества в материковых поднятиях и тяжелого основного и ультраосновного вещества в дне океанов .

Механические силы проявляются в виде образования в земной коре различного вида деформаций – тектонических разломов и складчатости горных пород, а также в виде упругих напряжений, проявляющихся в форме землетрясений. Между породами возникает трение, сопровождающееся в некоторых случаях их нагреванием .

Однако все же важнейшую роль в формировании земной коры и полезных ископаемых в ней играет сила разуплотнения веществ, включая обе ее составляющие – температурную и осмотическую. В земной коре важнейшим действующим агентом является вода, при участии которой только и возможно формирование гранитоидных горных пород, образование гидротермальных месторождений полезных ископаемых и метаморфические процессы, связанные с перекристаллизацией горных пород. В сухих условиях без воды практически в земной коре ничего не может образоваться кроме как простого плавления веществ, но даже и оно ускоряется под влиянием летучих компонентов, в первую очередь воды. Причиной такой огромной роли воды является то, что подавляющее количество процессов в земной коре происходит с участием перемещения атомов и молекул веществ сквозь микропористые среды. Если эти среды сухие, то движение вещества сквозь них невозможно, да и образование самих таких сред без воды невозможно. Только появление воды создает условия для формирования этих сред и обмена вдоль них веществ .

4.2. Роль СРПС в земной коре 4.2.1. Микропородиффузионный каталитический эффект как результат действия в земной коре О-СРПС воды Основываясь на изложенных выше представлениях об осмотической составляющей СРПС (О–СРПС), я выдвинул идею о существовании неизвестного ранее физического эффекта, названного микропородиффузионным каталитическим эффектом (МДК-эффект), играющего важную роль в земной коре. 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 .

Объяснение причин направленного движения молекул растворенных веществ 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 d 2 cos, где d – диаметр микропоры; – среднее расстояние между молекулами растворенного вещества; – угол выклинивания микропоры .

Эту величину можно вычислить из простых геометрических построений на рис.56. 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 (рис. 56). 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. 57) определяется в соответствии с теоремой Пифагора n 2 2 - d 2 2 .

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 (рис. 58) .

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. 59), 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 .

Черные 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; – угол выклинивания микропоры; – радиус вероятностного контура, равный среднему расстоянию между растворенными молекулами

–  –  –

Рис. 57. Диаграмма зависимости отно- Рис. 58. Схема механизма возникновения направленного движешений площадей частей вероятностно- ния молекул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выго контура пробега молекулы, обра- ходу из микропоры, имеющей одинаковое поперечное сечение на щенных наружу (S1) и внутрь (S2) су- всем протяжении (n – зона активного движения растворенных жающейся микропоры, от расстояния молекул к выходу из микропоры в ее устьевой части, где вероятХ) в направлении к выходу из нее. ностный контур имеет асимметричную конфигурацию; m – осТочка l (ограничивает интервал прояв- тальной объем микропоры, где диффузионный поток не способен ления микропородиффузионного эф- образоваться самостоятельно вследствие симметричности вероятфекта внутри микропоры ностного контура пробега молекулы В микропоре с субпараллельными стенками на определенном расстоянии от ее устья часть молекул отскакивает наружу микропоры и как бы уходит в объем раствора, т. е. с этого расстояния молекулы, совершая скачок вовнутрь, отскакивают от стенки под определенным углом и остаются внутри микропоры, а если те же молекулы направляются под таким же углом в сторону к выходу из нее, то вместо отскока вовнутрь они выходят за ее пределы и теряются в объеме раствора. Возникает асимметрия в движении молекул, в результате чего вблизи устья микропоры как бы создается вакуум, сразу же заполняющийся молекулами, приходящими из внутренних частей микропоры. Благодаря этому должна проявляться тенденция к движению молекул к выходу из микропоры, причем в том же интервале ее длины внутри и снаружи, как и в первом варианте объяснения .

Во втором варианте предполагается, что шарики-молекулы гораздо больше по размерам молекул или атомов, из которых соРис. 59. Второй вариант объяснения стоят стенки микропоры, так же как футбольный мяч в сравнении направленного движения молекул с песчаниками, слагающими бетонные стены спортивного зала .

раствора из микропоры для случая Можно привести простейшее экспериментальное подтверупругого отскока молекул от стеждение такого движения, в определенной степени подобное двинок: в клиновидной микропоре с жению молекул в микропорах. Возьмем трубку с конусовидным прямоугольным сечением (а), с остили цилиндрическим внутренним сечением, заполним ее шарикароугольным поперечным сечением ми для пинг-понга, и начнем трясти в направлении снизу вверх (б), в щелевидной микропоре с субтак, чтобы она при этом все время была в горизонтальном полопараллельными стенками (в) (g – жении. За короткое время из трубки с конусовидным сечением интервал, где стенки оказывают высыплются все шарики из ее расширенного конца, а из трубки с направляющее действие на молекулы) цилиндрическим сечением шарики высыпаются из обоих концов трубки. Встряхивание шариков имитирует хаотическое движение молекул. В результате соударения шариков со стенками трубки они приобретают направленное движение к выходу из трубки. Особенно наглядно это можно представить себе на примере трубки с конусовидным сечением, где хаотическое беспорядочное движение шариков в процессе соударения со стенками приобретает направленное движение в сторону расширенного конца трубки, так как каждый последующий отскок шарика происходит в направлении, все более приближающемся к выходу из микропоры (см. рис. 92). По такому же принципу осуществляется и направленное движение молекул растворенных веществ к выходу из микропор в этом варианте .

Правда, следует отметить, что это движение, по-видимому, обусловлено в значительной степени не симметричным отскоком молекул от стенки, а их диффузным отражением и направлением в сторону большей длины хаотического пробега до соударения с одноименными молекулами .

3. Третий вариант может быть предложен для обычного случая, когда размеры молекул сти сопоставимы с размерами молекул или атомов, слагающих стенку микропоры, или гораздо меньше их. Поэтому объяснение несколько иное, чем в двух предыдущих вариантах. На простейшем примере (рис. 60) видно: когда каждая молекула двигается перпендикулярно к стенке клиновидной микропоры, она обладает равной вероятностью отскочить симметрично под одинаковым углом как внутрь микропоры, так и наружу, предполагая, что поверхность атомов, слагающих стенку, является сферической. Однако, отскочив от стенки, молекула оказывается в состоянии большей вероятности направиться к противоположной стенке под таким углом, когда в обе стороны под углом, не превышающим угол, а после отскока вероятность отскочить от противоположной стенки по направлению к выходу из микропоры больше, чем внутрь, так как максимальный угол отскока в первом случае больше максимального угла во втором случае. Причем во втором случае величины поверхности шариков-молекул ки, обращенные к выходу из микропоры (мелкие шарики – пунктир), больше поверхности, обращенной внутрь микропоры (жирные сплошные линии), поэтому здесь также выше и вероятность отскока от каждой отдельной молекулы к выходу из микропоры следующий отскок от последней будет уже в правлении к выходу из микропоры, так как этот угол отскока больше, чем угол, под которым молекула будет отскакивать Рис. 60. Третий вариант объяснения вовнутрь. Это происходит потому, что в клиновидной микронаправленного движения молекул из поре противоположная стенка уже как бы повернута по клиновидной микропоры для случая правлению к выходу из микропоры, способствуя отскоку упругого отскока молекул от стенок, кулы именно в этом направлении. Значит, и в этом случае так когда размеры молекул, слагающих называемого диффузного отражения молекул от стенки будет эти стенки (большие кружки) больше проявляться тенденция их движения к выходу из микропоры в молекул растворенных веществ (маленькие кружки). Молекула направля- результате отскоков от стенок. Подобным же образом может ется к стенке под прямым углом с быть проанализировано движение молекул, отскакивающих равной вероятностью отскока под любым углом к стенке .

Содействие О-СРПС движению молекул к выходу из микропор Самые простейшие геометрические построения вероятного пути движения молекул показывают, что они внутри микропоры в результате соударений с ее стенками должны проявлять тенденцию к движению к выходу из микропор аналогичным способом, как это было показано выше на примере поведения молекул около ровных твердых стенок, где они стремятся удалиться от них в результате создания диффузного слоя. Иными словами, с особенностями теплового соударительного движения молекул связан эффект возникновения силы, которая заставляет их двигаться к выходу из микропор .

Это можно иллюстрировать рис. 61, где эта сила, действующая перпендикулярно к поверхности на каждую молекулу в клиновидной микропоре, показана стрелками. Результирующая этих сил от двух противоположных стенок микропоры направлена к выходу из нее, причем она возрастает по мере приближения молекулы к самому острию микропоры. Также и в микропоре с субпараллельными стенками результирующая сил в устьевой части микропоры направлена к выходу из нее и возрастает по мере уменьшения диаметра микропоры .

Эта сила (О-СРПС) действует только на молекулы растворенного вещества. В результате, попав случайно в микропору, они стремятся ускоренно из нее удалиться, отталкиваясь от стенок. Но внешне в виде давления на стенки микропор эта сила никак не проявляется .

Это можно подтвердить таким примером. Представим себе, что в сферическом резиновом сосуде типа воздушного шарика, заполненном жидкостью, происходит растворение вещества в центре сосуда и расширение концентрационных фронтов .

Когда эти фронты придут в соприкосновение со стенками сосуда, то в соответствии с решеточно-пружинным механизмом диффузии в первое мгновение они должны создавать давление на стенки сосуда. Казалось бы, что резиновые стенки сосуда должны поддаваться этому давлению и также расширяться. Но дело в том, что это сразу же должно привести к увеличению объема жидкости в целом и, значит, к увеличению расстояния между молекулами и ее разуплотнению, т. е. приведению в газообразное состояние. Значит, чтобы расширить сосуд, диффузионное давление молекул на стенки должно преодолеть сначала силу притяжения между молекулами в жидкости. Но, как известно, эти силы настолько огромны, что они не идут ни в какое сравнение со слабыми осмотическими силами диффузии. Поэтому диффузионный фронт не сможет реально оказать какогоРис.61. Направление О-СРПС, отталкивающей молекулы раслибо давления на стенки сосуда, расширить твора от стенок в клиновидной (а) и щелевидной (б) микроих и проявится таким образом. И только порах: F – направление действия сил, отталкивающих молесам факт создания диффузного слоя у стекулы непосредственно от стенок; F1, F2, F3, F4 – результирующие этих сил, направленные к выходу из микропоры; F’ – нок сосуда и снижение концентрации растворенных веществ в микропорах свиденаправление промежуточной результирующей сил, действующих одновременно в приустьевой части микропоры как тельствуют о существовании сил диффузивнутри, так и снаружи под разными углами, в данном слу- онного отталкивания молекул от стенок и чае – под прямым давления на них. Но в данном случае не стенки отодвигаются под влиянием осмотического давления, а сам диффузионный фронт отодвигается от стенок, реагируя на него таким образом. Кроме того, следует отметить, что, когда формирование диффузного слоя завершается, раствор приходит в состояние равновесия. Решеточно-пружиннный механизм растворенных молекул не создает в это время давления на стенки сосуда, нейтрализуясь встречным и таким же по силе давлением, которое создают на растворитель молекулы растворенного вещества, отталкивающиеся от стенок в пределах диффузного слоя .

Различия в поведении молекул растворителя и растворенных веществ в микропорах Характер движения молекул растворенных веществ отличается от поведения молекул растворителя, как показано выше, тем, что они ведут себя активно и свободно диффундируют в растворителе, который пассивно занимает те места, откуда они только что ушли, как бы смыкаясь позади них. Поэтому молекулы удаляются из микропоры, образуя внутри пониженную концентрацию, аналогично созданию диффузного слоя у ровных стенок. Причем в отличие от создания диффузного слоя, процесс формирования пониженной концентрации в микропорах не такой быстрый, так как если молекулам для удаления из диффузного слоя достаточно пройти путь по прямой составляющей, равной одному среднему расстоянию между одноименными молекулами растворенного вещества, то для удаления из микропоры, имеющей длину на много порядков больше, требуется и соответственно больше времени. Это значит, что пока будет происходить снижение концентрации растворенных молекул, на них будут действовать силы, выталкивающие их из микропоры .

Суммируя эти идеи, можно сказать следующее. Автором обнаружено неизвестное ранее кинетическое свойство молекул растворенных в жидкости веществ, которое проявляется в том, что, когда они оказываются при хаотическом тепловом движении вблизи стенки сосуда на расстоянии, меньшем среднего расстояния между ними, эти молекулы в процессе соударения со стенкой сосуда или стенками микропор стремятся с силой удалиться от стенок или к выходу из микропор, образуя таким образом слой с пониженной их концентрацией. Иначе говоря, соударение со стенками имеет эффект силы и придает молекулам направленное движение от них и к выходу из микропор. Растворенные молекулы при этом действуют как активная движущая сила, а молекулы растворителя только пассивно смыкаются .

Все это посвящено объяснению первого фактора МДК-эффекта, а именно ускорению движения молекул к выходу из микропор .

Ускорение химического взаимодействия растворенных молекул со стенками микропор как результат увеличения частоты соударения с ними каждой отдельной молекулы Для объяснения этого необходимо обратиться к теории химических реакций. Согласно закону действия масс скорость гомогенной химической реакции (V) прямо пропорциональна произведению концентраций (С1С2) реагирующих веществ V = KC1C2. Совершенно очевидно, что с повышением количества молекул (атомом, ионов и т. д.) реагирующих веществ увеличивается число их соударений и поэтому повышается вероятность образования новых молекул, т. е. фактор частоты соударений играет решающую роль в изменении скорости гомогенных химических реакций при изменении концентрации реагирующих веществ. Коэффициентом пропорциональности К в законе действия масс является константа равновесия химической реакции, которая зависит от температуры по экспоненциальному закону, т. е., если температура возрастает по арифметической прогрессии, то константа – по геометрической. На это впервые обратил внимание Я.Г. Вант-Гофф в 1884 г. (Вант-Гофф, 1984), установив названное его именем правило, согласно которому повышение температуры на каждые 10 увеличивает скорость химической реакции в 2–4 раза. Более точное выражение этого правила дал Аррениус в виде закона, отображающегося в виде формулы K = Ae- E RT, где К – константа скорости химической реакции; А – предэкспоненциальный множитель – постоянная или очень слабо изменяющаяся величина; е – основание натуральных логарифмов; Е – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура .

Физический смысл этого закона Аррениус объясняет тем, что в реакцию вступают только активные молекулы, т. е. молекулы, обладающие некоторым избытком энергии активации, поэтому константа скорости зависит от температуры по такой экспоненте .

Дальнейшее уточнение природы активированных молекул дал Д.А. Алексеев (в 1915–1924 гг.), воспользовавшись законом Максвелла-Больцмана о распределении молекул по скоростям (Карапетьянц и др., 1994). Из кривых максвелловского распределения молекул видно, что по мере увеличения скорости молекул процентная доля молекул, отвечающая соответствующей скорости, сначала резко растет, а затем после некоторого пика уменьшается, все более приближаясь к нулю (рис. 32). Наибольшей кинетической энергией обладают наиболее быстро двигающиеся молекулы в правой части графиков, и именно они являются самыми реакционно способными. Но эта доля активных молекул, которая непосредственно реагирует и составляет сущность химической реакции, является обычно незначительной, не превышая 10–15–10–20 (Карапетьянц и др., 1994). Причем принято считать, что молекулы вступают в реакции, если их энергия превышает некоторую величину, достаточную для преодоления энергетического барьера каждой молекулы. Если энергия является функцией скорости движения молекул mV 2 / 2, значит, реагировать будут только молекулы, имеющие скорость выше некоторого определенного порога, которому соответствует определенная энергия, называемая энергией активации. С повышением температуры максвелловские кривые распределения молекул по скоростям изменяют свою конфигурацию таким образом, что количество наиболее активно двигающихся молекул возрастает. Причем это возрастание по абсолютной величине может быть и незначительным, принимая во внимание, что и доля этих молекул очень низка. Но по относительной величине доля этих быстрых молекул возрастает в огромное количество раз. Например, если при температуре 100 С количество этих молекул было 10–20 % от общего количества молекул, а при температуре 300 С их число возросло до 10–15 %, то можно видеть, что их общее количество возросло на совершенно незначительную величину, т. е. осталось таким же малым, в то время как их относительное количество по сравнению с прежним увеличилось в 100 000 раз. Скорость реакции определяется соударением именно этих быстрых молекул, следовательно, во столько же раз возрастает и скорость химической реакции .

Из диаграмм на рис. 62 видно: чем больше порог скоростей молекул, т. е. чем меньше энергия активации, тем быстрее может возрастать скорость химической реакции при повышении температуры, так как при этом относительное количество быстрых реакционноспособных молекул растет наиболее стремительно .

Из этих объяснений следует, что энергия активации определяется порогом скоростей движения молекул. Причем в современной теории принято считать, что именно энергия кинетическо- Рис. 62. Диаграмма максвелловского движения молекул является одним из важнейших факторов, го распределения скоростей молеопределяющих возможность химической реакции (Кондратьев и кул в газах для различных темперадр., 1974), или, проще говоря, от силы соударениям молекул зави- тур. UE – активационный порог их сит, будут они реагировать или нет. Если скорость движения мо- скоростей, начиная с которого молекул превосходит активационный порог, значит, их энергия и лекулы становятся реакционноспосила соударения достаточны для начала химической реакции ме- собными (заштрихована доля этих молекул); Т – относительное колижду молекулами и наоборот .

чество молекул Таким образом, можно констатировать, что в современной науке признаются два фактора, влияющих на скорость химической реакции: 1) частота соударения молекул, проявляющаяся при изменении концентрации веществ, 2) скорость движения молекул в виде их кинетической энергии, проявляющаяся при изменении температуры и отраженная в константе скорости химической реакции .

Однако от скорости движения молекул зависит не только их кинетическая энергия. Этой скоростью определяется также и частота соударения молекул. Поэтому возникает вопрос: нельзя ли объяснить изменение константы скорости химической реакции также изменением частоты соударения молекул? Если этот последний фактор совершенно очевидно влияет на скорость химической реакции при изменении концентрации химических веществ, то роль энергии взаимного соударения молекул относится к разряду гипотетических величин и ее можно принимать, если нет альтернативного объяснения .

Тем не менее такое объяснение вполне может быть предложено и заключается в следующем. Если реакционноспособными являются только наиболее быстро двигающиеся молекулы со скоростями, превосходящими скорость порога активации, то, значит, они не только обладают высокой кинетической энергией, но и наиболее часто соударяются с другими молекулами. Это следует из того, что быстрые молекулы гораздо быстрее пролетают среднее расстояние между молекулами, чем остальные. Поэтому первые испытывают гораздо большее количество соударений, чем вторые, в соответствии с формулой Z U, где Z – частота соударений; U – скорость молекул; – длина свободного пробега молекул .

Это можно образно себе представить в виде простого эксперимента. Если бросать шарик сквозь круг, образуемый медленно вращающимся пропеллером, то вероятность соударения шарика с пропеллером невысока, легко можно промахнуться. Но если же пропеллер вращается с большой скоростью, достаточной для взлета самолета, то практически будет виден только сплошной вращающийся круг, в пределах которого шарик при бросании сквозь него будет почти со 100%-ной вероятностью соударяться с пропеллером. Чем быстрее вращается пропеллер, тем больше вероятность его соударения с шариком .

Более точно эта закономерность подтверждается приведенной Н.М. Эммануэлем и Д.Г.

Кнорре (1974) формулой, характеризующей вероятность соударения (Z0) заданной частоты А с заданной частицей Б, находящихся в пределах 1 см3 в течение 1 с:

Z 0 rA rБ U,

где r – радиус частиц; U – средняя относительная скорость движения частиц .

Здесь видна прямо пропорциональная зависимость между фактором вероятности соударения частиц и их относительной скоростью движения. Чем больше скорость, тем больше вероятность соударения быстрых частиц с более медленными, тем, соответственно, больше вероятность их химического взаимодействия. Но химические реакции происходят не при каждом соударении, а только если молекулы определенным образом ориентированы относительно друг друга, когда соприкасаются их реакционноспособные участки. Это так называемый стерический фактор. В частности, Б.В. Алексеев и др. (1994) отмечают, что для обработки экспериментальных данных в химической кинетике обычно используют подход, согласно которому плотность вероятности неупругого столкновения молекул, приводящего к химическому взаимодействию, «зависит только от значения относительной скорости реагирующих частиц, а влияние взаимной ориентации их учитывается стерическим фактором» (с. 381). На рис. 63 эти реакционноспособные участки условно обозначены как определенные части поверхности молекул, при условии, что они имеют форму шаров. Если вся поверхность молеРис. 63. Пары взаимодействующих молекул с кулы является реакционноспособной, то любое их соразличной величиной реакционноспособных ударение приведет к химическому превращению, и тоучастков (заштриховано) на их поверхности гда реакции идут практически мгновенно, вне зависимости от числа быстрых молекул (см. рис. 63а). Если же только незначительная часть поверхности молекул является реакционноспособной, то молекулам, чтобы прореагировать, надо испытать какоето определенное минимальное число взаимных соударений, чтобы они соприкоснулись именно этими участками (см. рис. 63в). Причем, чтобы вероятность этого была 100%-ной, необходимо бесконечно большое число соударений. Однако для заметного хода химической реакции достаточно определенного минимального количества соударений каждой пары молекул, чтобы они, например с 95%-ной вероятностью, начали реагировать. Естественно, что это минимальное число соударений испытывают в первую очередь наиболее быстро двигающиеся молекулы с определенным порогом скоростей. Если же половина поверхности молекулы реакционноспособна (см. рис. 96б), то необходимый для реакции порог скоростей будет меньше при том же условии, чтобы молекула с той же 95%-ной вероятностью могла столкнуться с другой молекулой реакционноспособными участками, т. е. в зависимости от величины последних существуют определенные пороги скоростей, начиная с которых молекулы с высокой степенью вероятность химически взаимодействуют. Эти пороги, определяясь скоростью движения молекул, по своему характеру совершенно тождественны энергетическим порогам, определяемым как энергия активации, на основании кинетической энергии движения. Но в таком случае, определяя энергию активации как таковую, следует подразумевать, что скорость химического взаимодействия молекул зависит не от нее непосредственно, а от частоты соударения молекул, имеющей свои пороги для каждой реакции. Их можно назвать порогами активации или порогами частоты соударения. Они связаны определенной зависимостью с энергией активации. Следовательно, изменение скорости химической реакции при изменении температуры, так же как и при изменении концентрации, может быть сведено к зависимости от частоты соударения молекул, но к более сложной форме этой зависимости .

Это можно выразить через формулу Аррениуса, подставив в нее вместо энергии активации формулу кинетической энергии поступательного движения молекул, заменив в ней скорость молекул на частоту их соударений, связанных прямой зависимостью .

m Z mU K Ae Ae 2T 2 RT, где U – активационный порог скоростей, т. е. минимальная скорость наиболее быстрых молекул, при которой начинается их заметное химическое взаимодействие; Z – частота соударения молекул, скорости которых соответствуют порогу частоты их соударения; m – масса молекул; – длина свободного пробега .

Иными словами, в связи с тем, что энергия активации, как и частота соударения наиболее быстрых и поэтому реакционноспособных, молекул зависит от одной и той же величины – скорости движения молекул, практически от каждой из них равноценно может зависеть изменение скорости химических реакций при изменении температуры. Если уменьшается энергия активации, также соответственно уменьшается и порог частоты соударения наиболее быстрых молекул и наоборот. Поэтому предположение Аррениуса о том, что активными являются молекулы, обладающие большей частотой соударения, может быть равноценно заменено предположением о том, что активными являются молекулы, обладающие большей частотой соударения. Однако, если последнее совершенно очевидно и доказано на примере закона действия масс, то первое предположение так и остается гипотетическим .

Необходимо отметить, что фактор частоты соударений уже присутствует в формуле Аррениуса, где входит в состав предэкспоненциального множителя А. Этот множитель характеризует вероятность соударения всех молекул в газе или растворе. Известно, что при повышении температуры, например, на 10 С средняя скорость движения всех молекул возрастает всего на 1–2%, значит, и этот множитель изменяется очень незначительно и поэтому практически считается константой. Однако если в расчет принимать среднюю скорость не всех молекул, а только наиболее быстрых (выше порога активации), т. е .

активных, то фактор частоты соударений будет весьма зависеть от температуры, существенно изменяющей количество этих молекул. Именно эти активные молекулы определяют скорость химических реакций, и по отношению с ним соотносится понятие порогов частоты соударения .

Возникает вопрос: зачем изменять смысловое понятие энергии активации, если закономерности, выраженные в виде формул, в первую очередь закон Аррениуса, не подвергаются сомнению? Для ответа на него необходимо выяснить, везде ли одинаково проявляются факторы частоты соударения молекул и их кинетические энергии движения. И здесь необходимо опять вернуться к рассмотрению теплового соударительного движения молекул в микропорах. При уменьшении диаметра микропор никакие силы не влияют на энергию их движения, так как ничто не способствует ускорению хаотического движения в интервале длины свободного пробега (или скачка) или увеличению количества наиболее быстро двигающихся молекул. Здесь следует обратить внимание на то, что рассмотренное выше ускорение движения молекул в сторону от стенки микропор к выходу предполагает именно не хаотическое, а направленное движение, которое не изменяет внутреннюю энергию воздушной массы .

Поэтому с позиции представления об энергии активации как кинетической энергии движения молекул никакого ускорения химических реакций в микропорах не должно происходить, поскольку сама эта энергия никак не меняется здесь. Однако если энергию активации понимать как порог частоты соударения молекул со стенками микропор, то картина кардинально меняется. Частота соударения молекул со стенками микропор возрастает стремительно по мере уменьшения диаметра последних .

Поэтому здесь следует ожидать соответствующего ускорения химического взаимодействия молекул растворенных веществ со стенками микропор .

Как показано выше, в первое мгновение появления раствора в микропорах, так же как и контакте с ровной стенкой сосуда, наблюдается увеличение частоты соударения молекул со стенками в результате того, что длина скачка молекулы в направлении стенки становится короче по сравнению с тем, когда этой стенки не было. Поэтому каждая молекула пробегает этот путь к ней быстрее, и количество ударов об нее больше, чем ударов в этом направлении, когда стенки не было. В щелевидных микропорах имеются две стенки, поэтому здесь должно происходить в первое мгновение двойное увеличение частоты соударения за счет ударов в обе стенки (рис. 64). В соответствии с этим выведенная выше формула вероятности частоты соударения молекулы со стенками в щелевидной микропоре будет иметь удвоенное ускорение .

После первого контакта молекул со стенками начнется ускорение самодиффузии растворителя и удаление части молекул растворенного вещества из микропоры. При этом чем меньше диаметр микропоры, тем большее количество молекул растворенного вещества покидает микропору, но тем чаще каждая из оставшихся молекул соударяется со сближающимися стенками микропоры, т. е. снижение количества молекул сопровождается соответствующим увеличением частоты их соударения о стенками за счет сокращения длины их скачков .

Кроме фактора частоты соударения, каждая из молекул испытывает возрастание числа соударений, связанное с уменьшением объема жидкости, заполняющей микропору, и увеличением удельной площади стенок микропоры, приходящейся на единицу этого объема. При этом возрастает удельная доля площади стенок, приходящаяся на каждую молекулу, так что для нее возрастает вероятность соудариться со стенкой большее количество раз, причем таким образом, что общая частота соударений всех молекул со стенками не изменяется. Иными словами, Рис. 64. Уменьшение размера шарового слоя если это происходит с газом, то общее давление газов не (радиальные линии) вероятностного контура изменяется, несмотря на увеличение частоты соударения с радиусом rk свободного пробега (скачка) каждой молекулы, поскольку пропорционально этому молекулы в микропоре по мере уменьшения уменьшается общее количество молекул в микропоре диаметра (d) последней вследствие снижения объема газа. Частота соударения в этом случае возрастает в обратно пропорциональной зависимости от объема раствора в микропоре, т .

е. от ширины (так как площадь стенок не изменяется), т. е. она увеличивается по мере сужения микропор по кривой, называемой равнобочной гиперболой .

Следовательно, в микропорах каждая молекула испытывает большую частоту соударения молекул со стенками по сравнению с соударением молекул со стенками за пределами микропор. Примерную величину различий в этой частоте соударений можно оценить на основании сравнения скоростей, с которыми молекулы сближаются со стенками в объеме жидкости и со стенками в микропоре .

В первом случае каждая молекула приходит в контакт со стенкой со скоростью диффузионного блуждания ее в объеме жидкости незначительной величиной порядка 510–6 м/с (Шабалин, 1995), а во втором – молекула сближается со стенкой в предельном случае со скоростью свободного пробега в вакууме – около 500 м/с, так как почти каждый ее скачок или свободный пробег приводит к ее соударению со стенками. Это сравнение позволяет считать, что в самых узких частях микропор частота соударения каждой молекулы может возрастать в 108 раз. Такое громадное увеличение приведет к почти мгновенной реакции молекул со стенками, так как возрастает общая длительность контакта, необходимая для осуществления химических реакций. Все это ускорит химические реакции в микропорах в целом. При этом следует учитывать, что, наряду с увеличением частоты соударения каждой молекулы со стенками, наблюдается ускоренная самодиффузия молекул растворителя, в которую будут вовлекаться и молекулы растворенного вещества, ускоряя этим обмен быстро прореагировавших молекул в микропорах с медленно реагирующими молекулами за пределами микропор .

Следует отметить, что ранее А.М. Блох (1969, 1981) предполагал, что химическая активность воды возрастает только после того, как она перемещается за пределы микропоровых пространств, переходя из диссипативного состояния в свободное. Показанное выше действие МДК-эффекта, напротив, проявляется внутри микропор, откуда выносятся растворенные компоненты .

4.2.2. Роль О-СРПС в поддержании постоянной проницаемости горных пород земной коры для осуществления метасоматических процессов, рудо- и магмообразования Существуют различные мнения о причине поддержания открытой пористости в горных породах при метасоматозе. Д.С. Коржинский (1950) отмечал, что «причины сохранения пор в горных породах недостаточно ясны. Вероятно, основное значение здесь имеет постоянное возобновление микроскопических трещинок, по которым совершается передвижение поровых растворов под воздействием тектонических напряжений и движений. Большую роль должны также играть капиллярные силы и особые явления на поверхностях соприкосновения кристаллических зерен силикатов, делающих их особенно проницаемыми для водных растворов» (с. 49). После этого высказывания он к данной проблеме не возвращался .

Ряд исследователей разрабатывали идею о существовании тонкой флюидной пленки, которая окружает растущие метасоматические кристаллы и через которую компоненты диффундируют к граням кристаллов, а также выносятся компоненты окружающей породы. Эта гипотеза была выдвинута еще в 1918–1926 гг. Линдгреном и Бодейлем. О причинах возникновения и устойчивости этой пленки питающего раствора существует две основные гипотезы. Первая из них основывается на открытом П.А. Ребиндером (1937, 1979) эффекте адсорбционного понижения прочности твердых тел при деформациях. Сущность эффекта заключается в том, что прочность твердых тел значительно понижается, если их разрушение будет сопровождаться проникновением в растущую трещину поверхностноактивных (понижающих свободную поверхностную энергию твердого тела) жидких сред, смачивающих поверхность разрушения в процессе ее образования. Возможность участия этого эффекта в геологических процессах предполагали В.Ю. Траскин и др. (1989) и Г.П. Зарайский (1989) .

Как показано мной ранее (Шабалин, 2000), действие эффекта, обусловлено температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя воды (Т-СРПС). Действительно, Т-СРПС в определенной мере способствует увеличению проницаемости пород в период тектонических подвижек при наличии водных растворов в зонах разломов. Но после завершения подвижек действие этой составляющей силы и соответственно эффекта Ребиндера прекращается, в то время как деятельность метасоматических процессов только начинается. Поэтому нельзя объяснить поддержание постоянной проницаемости пород при метасоматозе действием Т-СРПС .

Вторая гипотеза о причинах устойчивого существования межзерновой пленки водного раствора основывается на представлении о кристаллизационном давлении, создаваемом растущим метасоматическим кристаллом на вмещающую его породу. Непосредственно оно наблюдается, например, когда растущий в глине минерал выталкивает глинистые частицы на поверхность и поэтому оказывается чистым, не содержащим включений. Однако экспериментальные и теоретические данные о величине этого давления весьма противоречивы. Экспериментальные данные суммированные В. Я. Хаимовым-Мальковым, и проведенные им же эксперименты (1959) дают величину кристаллизационного давления от десятых долей г/см2 до 20 кг/см2. Причем такое различие наблюдается в проведенных разными исследователями экспериментах на одних и тех же веществах. На основании теоретических соображений некоторые исследователи оценивают эту величину в 100 атм (Остапенко, 1984), или 600 атм (Поспелов, 1973), или даже 1370 атм (Ланда, 1979) .

Для доказательства большой силы кристаллизационного давления обычно приводится пример роста линз льда в почве, создающего так называемое морозное пучение грунтов, способное разрушать дороги, строения, бетонные опоры мостов и т. д. Но необходимо иметь в виду, что большая сила давления, проявляется здесь не в кристаллизационном росте льда, а в уникальной способности жидкой фазы (воды) переходить в твердую фазу (лед) с увеличением объема, чего в горных породах земной коры с силикатными минералами не наблюдается. Мной ранее показано (Шабалин, 2001), что морозное пучение обусловлено действием Т-СРПС в процессе перехода пленочной воды в лед при условии увеличения объема последнего как новой фазы, но не в процессе кристаллизационного давления. Поэтому в целом представление о большой силе кристаллизационного роста минералов так и остается пока чисто теоретическим, не имеющим однозначного экспериментального обоснования .

Сторонники идеи о кристаллизационном давлении считают, что оно способствует завоеванию растущими метасоматическими кристаллами пространства путем растворения и (или) раздвижения матрицы через постоянно существующую граничную флюидную питающую пленку. По мнению одних исследователей, это давление приводит к увеличению химического потенциала минералов матрицы и переходу их компонентов во флюидную пленку на контакте кристалла и матрицы с дальнейшим выносом за пределы этого контакта. Одновременно увеличивается и химический потенциал растущего кристалла. Поэтому устанавливается стационарное значение кристаллизационного давления, которое поддерживает определенную толщину флюидной пленки (Остапенко, 1984, Ланда, 1979). По мнению других, свойства флюидной пленки и, следовательно, условия питания растущих кристаллов определяются зависимостью поверхностного натяжения этой пленки от различных параметров: толщины этой пленки, являющейся функцией кристаллизационного давления на нее, температуры кристаллизации, концентрации вещества и т. д. (Хаимов-Мальков, 1959). Некоторые исследователи считают кристаллизационное давление дополнительным фактором, способствующим проникновению жидкости между раздвигающимися зернами металлов (Перцев и др., 1974) и горных пород (Поспелов и др., 1965) .

А.А. Беус (1961) объясняет существование граничной флюидной пленки между растущим кристаллом и матрицей распадом в ее пределах привносимых из внешнего раствора ацидокомплексных соединений с выделением здесь анионов сильных кислот. Последние активно разъедают минералы матрицы, тогда как катионы, содержавшиеся в этих же комплексных соединениях, при распаде последних наращивают растущие кристаллы .

Д.П. Григорьев и др. (1975) считают возможным участие в формировании питающей флюидной пленки как кристаллизационного давления, так и реакции с высвобождением анионов сильных кислот .

Я считаю, что во всех этих представлениях имеется существенный недостаток. Дело в том, что кристаллизационное давление и появление сильных кислот во флюидной граничной пленке действует одновременно как на растущий кристалл, так и на вмещающую его породу. Поэтому на то и другое оба этих явления должны действовать не дифференцированно, а одинаково. Иными словами, если повышение кристаллизационного давления способствует растворению вмещающей породы, то оно должно способствовать в той же степени и замедлению роста кристалла или даже его растворению, так как рост и растворение – это обратимые процессы. Значит, кристаллизационное давление, едва начав действовать, сразу же вызовет противодействие того же самого кристалла, который его создал, т. е. это давление должно прекратиться, так и не начавшись. То же должно происходить и при повышении кислотности и химический агрессивности раствора в пленке. Поэтому оба этих фактора не могут одновременно способствовать росту кристаллов и растворению матрицы, а значит, они не могут иметь какого-либо существенного значения и в поддержании постоянной толщины тонкой флюидной пленки, т. е. в поддержании проницаемости пород в течение метасоматических процессов .

Основываясь на представлении об СРПС, я предлагаю принципиально новое объяснение причины поддержания микропор открытыми при метасоматозе. Главным фактором в этом процессе является осмотическая составляющая СРПС (О-СРПС), проявляющаяся в виде МДК-эффекта .

МДК-эффект способствует ускорению движения всех растворенных молекул по мере сужения микропоры, когда ее диаметр становится меньше среднего расстояния между молекулами. При метасоматозе в тонкой флюидной пограничной пленке между растущим кристаллом и вмещающей породой – разновидности микропоры – имеются растворенные компоненты как привносимые извне, так и растворяемые здесь же из вмещающей породы. Все они одновременно с одинаковой силой будут стремиться удалиться за пределы этой пленки в более широкие ее участки, если толщина этой пленки будет уменьшаться по каким-либо причинам: или вследствие ее сжатия горным давлением, или в результате ускоренного роста метасоматического кристалла и замедленного растворения вмещающей породы. Значит, в этом случае растворение минералов вмещающей породы будет ускоряться, так как будет уменьшаться концентрация растворенных компонентов. При этом рост метасоматического кристалла будет замедляться, так как уменьшится привнос новых веществ извне для его образования .

Чем меньше толщина флюидной пленки, тем больше ускорятся эти процессы в соответствии с действием МДК-эффекта и, значит, тем быстрее стенки будут стремиться к расширению, противодействуя сжимающим их силам .

Наконец, действие МДК-эффекта достигнет такой величины, что вызванная им скорость расширения стенок флюидной пленки превысит скорость действия факторов, уменьшающих толщину флюидной пленки, т. е. горного давления или физико-химических факторов, ведущих к закупорке пленки осаждающимися компонентами. Начиная с этого момента толщина пленки вновь начинает уменьшаться до определенного стабильного размера, когда действие сжимающих ее факторов выравнивается с действием расширяющих .

Кроме того, особенностью МДК-эффекта, как было показано выше, является ускорение химических реакций в микропорах за счет увеличения частоты соударения каждой из молекул со стенками микропор. Иначе говоря, каждая молекула за счет более частого соударения со станками флюидных пленок стремится быстрее встроиться в кристаллическую решетку растущего кристалла. Причем это делают молекулы как привнесенные извне, так и растворенные из вмещающей породы. В результате этого быстрее растет кристалл и быстрее растворяется противоположная стенка вмещающей породы во флюидной пленке, ускоряя метасоматические процессы по преобразованию одной породы в другую .

Следует отметить, что действие этого эффекта принципиально отличается от действия кристаллизационного давления или действия сильных кислот во флюидной пленке тем, что он зависит от толщины пленки и сам активно формирует эту толщину в то время как кристаллизационное давление, в понимании предложивших это понятие исследователей, создается ростом кристалла и содействует этим растворению вмещающей породы. Неясно, чем в их представлениях вызвано такое соответствие роста кристалла и растворения вмещающей породы, чтобы толщина межзерновой пленки оставалась все время постоянной .

Все вышеописанное касалось только механизма поддержания микропористости в участке метасоматического роста конкретного кристалла. Известно, что метасоматоз происходит в пределах тектонических зон и непосредственно инициируется ими. В этих зонах появляется неравномерная пористость и трещиноватость, вызванная механическими деформациями пород. Именно такая зона благоприятна для действия МДК-эффекта, так как здесь возникают трещинные пустоты для «складирования» в них вещества, растворенного при метасоматических процессах в ходе поддержания там тонких пленочных флюидопроводников на границе зерен растущих минералов. Если бы не было трещинных пустот и пористость была бы одинакова повсюду, то МДК-эффекту некуда было бы перемещать избыточные химические компоненты из межзерновых пленок и его действие остановилось бы, не создав метасоматоза .

В отличие от термоосмоса, при котором сама вода перемещается в пределах поверхностного слоя (Дударев и др., 1982), МДК-эффект диффузионным способом движет растворенные химические компоненты .

Таким образом, МДК-эффект, созданный за счет действия О-СРПС, способствует поддержанию постоянной проницаемости пород и определенной толщины межзерновых флюидных пленок в течение всего хода метасоматических процессов. Он инициируется за счет механических сил при тектонических подвижках, создающих трещинные пустоты куда «складируются» все избыточные компоненты химических реакций при метасоматозе и выравнивании толщины и удлинении пленочных флюидопроводников .

4.2.3. Создание под действием О-СРПС и Т-СРПС механизма диффузионного флюидозамещения в земной коре Я определяю механизм диффузионного флюидозамещения как процесс зарождения прожилково-жильных минеральных образований в деформированных растворонасыщенных породах с диффузионным перемещением химических компонентов из зон сжатия в зоны растяжения при существенной роли О-СРПС в виде МДК-эффекта, метасоматоза и коллоидных или полимеризованных растворов .

Выделяются два типа диффузионного флюидозамещения 1) магматическим расплавом, 2) высококонцентрированным гелеобразным (магмоподобным) флюидом существенно кварцевого, карбонатного, сульфидного, окисно-рудного, флюоритового и тому подобного состава после его затвердевания, относимого обычно к продуктам гидротермальной деятельности или диагенеза. Первый тип образуется на больших глубинах в области высоких температур и давлений, а второй – ближе к поверхности земли, где формируются рудные месторождения и происходят диагенетические преобразования осадочных пород .

Как известно, все разновидности жильных гидротермально-метасоматических месторождений и магматические породы приурочены к тектоническим зонам дробления и рассланцевания в земной коре, где создаются системы трещин и пор ультратонких размеров в зонах сжатия и системы с более широкими трещинами в зонах растяжения. Наличие этих систем трещин способствует активизации МДК-эффекта, благодаря которому в первую очередь создается саморегулирующаяся система поддержания минимального уровня пористости, необходимого для протекания метасоматоза .

При этом происходит ускорение диффузии компонентов из ультратонких пор в сторону более высокопроницаемых зон с большей шириной трещин. Микропоры и микротрещины не только поддерживают, благодаря МДК-эффекту, свою проницаемость для диффузии компонентов, но и сами активно удлиняются на своем острие, где МДК-эффект проявляется в максимальной степени, так как здесь самая узкая часть микропор. Тем самым процесс растворения–отложения, т. е. метасоматоза, начавшись с тонкой тектонической трещины, далее развивается самостоятельно, охватывая все большие объемы горных пород. Никакое горное давление не способно сжать и перекрыть эти каналы, так как чем сильнее оно пытается это сделать, тем быстрее действует МДК-эффект, расширяя их .

Наиболее благоприятными путями его развития, в первую очередь, являются определенные структурные элементы горных пород – контакты зерен минералов, трещинки спайности в них, новообразованные тектонические трещины. Если трещины сильно сближены, то при замещении также корродируются и разделяющие их перегородки, и фронт метасоматоза в целом достаточно ровный и плавный .

Однако деятельности одного МДК-эффекта недостаточно для осуществления залечивания «ран»

в толще земной коры, нанесенных тектоническими подвижками. Если выносимые в трещины химические компоненты будут быстро повышать свою концентрацию и, достигнув пересыщения раствора, сразу осаждаться на стенках трещин в виде минеральных слоев, то они практически сразу же перекроют все подводящие каналы метасоматоза и он быстро прекратится, едва успев начаться. Но есть единственная возможность для его продолжения: если вынесенные химические компоненты будут образовывать коллоидные или полимеризованные частицы. Это связано с тем, что с появлением этих частиц становится возможным образование высококонцентрированного гелеобразного флюида за пределами микропор. Этот флюид не препятствует деятельности МДК-эффекта вплоть до того, как будут достигнуты его общая высокая концентрация и вязкость, поскольку сам раствор, в котором взвешены коллоидные частички, имеет сравнительно невысокую концентрацию за счет постоянного образования этих частиц из отдельных молекул растворенных в нем веществ. Тем самым постоянно поддерживается способность раствора принимать компоненты, выносимые из микропор, до почти полного исчезновения этого раствора, вытесняемого коллоидными частицами .

Такими же свойствами, как коллоидные частицы, обладают и полимерные частицы в полимеризованных растворах. Если первые устойчивы только в условиях сравнительно невысоких температур образования гидротермально-метасоматических месторождений, то вторые способны образовываться при больших температурах и давлениях земных глубин в зонах магмообразования, и поэтому здесь они играют такую же роль, как и коллоидные частицы .

Образование в процессе метасоматоза коллоидных и полимеризованных частиц способствует доведению флюида в трещинных пустотах до высокой концентрации, при которой завершается активная фаза метасоматического процесса, так как в условиях большой вязкости диффузионная подвижность компонентов снижается до минимального уровня .

Переход разбавленного раствора в высококонцентрированный флюид подтвержден геологическими исследованиями (Бетехтин, 1955; Чухров, 1955; Иванкин, 1970) на примере рудных жильных гидротермально-метасоматических месторождений. В частности А.Г. Бетехтин считал, что перенос компонентов в гидротермальных растворах осуществляется в ионной растворимой форме, но в зоне рудообразования они преобразуются в коллоидные растворы в результате уменьшения давления, понижения температуры и химических реакций с компонентами вмещающих пород, выделяющихся в процессе метасоматоза. Подобным же образом по этому вопросу высказывались В.И. Смирнов (1982) и С.С. Смирнов (1955). В. Линдгрен (1934) придавал весьма значительную роль коллоидным растворам при гидротермальном рудообразовании. Г.Н. Щерба (1968) отмечал, что при грейзенообразовании вынесенные из пород компоненты вместе с привнесенными компонентами гидротермальных растворов создавали комплексные соединения, которые полимеризовались, а в открытых трещинах этот процесс полимеризации нарастал лавинообразно с переходом растворов в гидрогелевые растворы .

Причиной такого внимания к растворам коллоидов или комплексных сединений является то, что растворимость обычных рудных минералов в форме простых ионов является чрезвычайно низкой и уже давно признана недостаточной для процесса переноса рудных компонентов при рудообразовании (Барнс, 1982) .

Следует обратить внимание, что образование коллоидных растворов в условиях свободных пространств широко проявляется в поверхностных условиях. Осадочные месторождения железа, марганца и алюминия формируются из коллоидных растворов и суспензий в прибрежной зоне озер и морей (Чухров, 1955; Смирнов, 1982). Здесь таким же образом осаждается огромное количество кремнезема .

В корах выветривания коллоидные процессы также играют существенную роль в перегруппировке минерального вещества. В речных водах весьма существенная часть железа и кремнезема переносится в коллоидной форме .

После формирования высококонцентрированного флюида происходит его кристаллизация с образованием сульфидов, окисно-рудных минералов, кварца, карбонатов, флюорита и т. д. в зонах рудообразования. Процессы обычной объемной диффузии и инфильтрации способствуют в основном выравниванию концентрации элементов во флюидах, но не служат главной причиной их образования .

Как показано выше, формирование частиц коллоидных размеров обусловлено действием температурной составляющей СРПС, которая, образуя поверхностную пленку с некоторыми свойствами твердого тела, определяет их размер и препятствует слипанию и выпадению в осадок. Следовательно, в формировании механизма диффузионного флюидозамещения участвует как осмотическая составляющая СРПС (О–СРПС), так и температурная (Т–СРПС) .



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |



Похожие работы:

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗ А ССР КАНАТЫ СТАЛЬНЫЕ ЗАКРЫТЫЕ ПОДЪЕМНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОСТ 1 0 5 0 5 7 6 Издание официальное I БЗ 6 ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ Москва строительство дачного дома Редактор А. Л. Владимиров. Технический редактор О. И. Никитина Корректор А. С. Черноусоея С даю в паб. 01.0".93. Пола, в net. 17.0993. У...»

«1. Состав исполнителей Электромеханик 2. Условия производства работ 2.1. Настоящая технико-нормировочная карта распространяется на все типы электропитающих установок постов ЭЦ и ДЦ.2.2. Проверка правильности чередования фаз производится уполномоченным работником электрос...»

«АВТОМЕТРИЯ. 2018. Т. 54, № 1 31 УДК 535.4 + 51-74 ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ ФРЕНЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ВОЛНОВОГО ФРОНТА В. И. Бобринев, М. Л. Галкин, М. С. Ковалев, П. И. Малинина, С. Б. Одиноков Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5 E-m...»

«Моделирование плавности хода грузовых многоосных автомобилей к.т.н. Кончак В.С., к.т.н. Петько В.И., к.т.н. Харитончик С.В., Колесникович А.Н., Лазакович С.П., Хитриков С.В., Николаев Ю.И. Объединенный ин...»

«"Ученые заметки ТОГУ" Том 6, № 1, 2015 ISSN 2079-8490 Электронное научное издание "Ученые заметки ТОГУ" 2015, Том 6, № 1, С. 229 – 232 Свидетельство Эл № ФС 77-39676 от 05.05.2010 http://pnu.edu.ru/ru/ejournal/about/ ejournal@pnu.edu.ru УДК 338.242.2 © 2015 г. Т. И. Иващенко,...»

«р/с) ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ" (ОАО "РЖД") РАСПОРЯЖЕНИЕ 3 июля 2012 1316Р " " Москва Na Обутверждении Положения об оперативном руководстве вхозяйстве автоматики и телемеханики В целях обеспечения оперативного руководства эксплуатационной работой вхозяйстве автоматики ителемеханики вусловиях реформирования:...»

«РУКОВОДС ТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРТАТИВНАЯ BLUETOOTH АУДИОСИСТЕМА SUPRA BTS-600 РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СОДЕРЖАНИЕ Меры предосторожности и безопасности Комплектация Описание модели Питание прибора Основные операции Безопасная утилизация Технические характеристики УВАЖАЕМЫЙ ПОК...»

«Шевцов Константин Павлович ПАМЯТЬ И ПРИВЫЧКА В ФИЛОСОФИИ ДЭВИДА ЮМА Философия Юма традиционно определяется как скептицизм, однако вместе с тем она заявляется самим Юмом как проект построения новой науки о человек...»

«® НАУЧНО–ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ "РЭЛСИБ" ДАТЧИКИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ и ТЕМПЕРАТУРЫ ДВТ–03.RS.Р Руководство по эксплуатации По вопросам продаж и поддержки обращайтесь: Нижний Новгород (831)429-08-12 Смоленск (4812)29-41-54 Архангельск (8182)63-90-72 Калининград (4012)72-03-81 Но...»

«ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 01.04.01 – Приборы и методы с. 2 из 15 экспериментальной физики 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1 Настоящая основная образовательная программа послевузовского профессионального образования (далее – ООП ППО), реализуе...»

«Z1000SX Мотоцикл РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Справочная информация БЕЗОПАСНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Данная информация облегчит поиск необходимого Вам ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МОТОЦИКЛОМ раздела. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕГУЛИРОВКА ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАПИСИ О ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВ...»

«ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ РОССИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ВНЕДРЕНЧЕСКИЙ ЦЕНТР ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ (ГОСГИСЦЕНТР) СТАНДАРТ ОТРАСЛИ ОСТ-68-3.8-03 КАРТЫ ЦИФРОВЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ "ИРКУТСКИЙ ТЕХНИКУМ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА" (ГБПОУ ИО ИТАС) УТВЕРЖДАЮ Директор ГБПОУ ИО ИТАС _/Б.А. Михайлов/ Приказ № 267 от "19" июня 2018 г.ОСНОВНАЯ ПРОГРАММА ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ...»

«17 Электронное научное издание "Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление" том 12 № 1 (30), 2016, ст. 2 www.rypravlenie.ru УДК 620.92 СИСТЕМНЫЙ МОНИТОРИНГ ГОМЕОСТАЗА АНТРОПОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ Бутцев Владимир Степанович, доктор физико-математических наук, почет...»

«АДРЕСНАЯ СИСТЕМА ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ, УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРОТУШЕНИЕМ, ДЫМОУДАЛЕНИЕМ, ИНЖЕНЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ И ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЕЙ АСПС01-13-1310 Блок сигнализации и управления БСУ-3 (универсальный) СВТ29.42.000-03ПС ТУ4371-029-54349271-2005 ПАСПОРТ c ВЕРСИИ 1.00/1.30 ОП002 г. Гатчина 2009г...»

«МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ Кому: ООО Катуар Девелопмент наименование застройщика (фамилия, имя, отчество – для граждан, полное наименование организации – для юридических лиц) Московская область, Мытищи, poluyanovap@ferrostroy.ru почтовый индекс и адрес, адрес электронно...»

«Shturmann Vision 7000 HD Руководство пользователя Введение 3 Благодарим за покупку видеорегистратора Shturmann Vision 7000 HD. Надеемся, что наш видеорегистратор станет отличным помощником в пути. Перед использованием видеорегистратора внимательно ознакомьтесь с настоящим руководством пользоват...»

«Министерство образования и науки РФ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Национальный исследовательский университет Ю.И. Ефимычев, О.В. Трофимов КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СТРАТЕГИИ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Монография Нижний Новгород Издательство Нижегородского...»

«МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ( СОЮЗДОРНИИ) МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ ЗЕМЛЯНОГО ПО ЛОТНА НА ПО ДХО ДАХ К М О...»

«ГОСТ 23118-99 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ КОНСТРУКЦИИ СТАЛЬНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ Общие технические условия BUILDING STEEL STRUCTURES General specifications ОКС 91.080.10 Дата введения 2001-01...»

«УДК 338.43:631.5 (575.3) НАБИЕВА ЗАРРИНА ТОЛИБОВНА ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСАКЦИОННЫМИ ИЗДЕРЖКАМИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ (на материалах зернового хозяйства Республики Таджикистан) Специальность 08.00.05 – Э...»

«1 рассматривать как своего рода защитные реакции. Результаты работы расширяют представления о путях повышения устойчивости растительных клеток к стрессовым механическим воздействиям, что в перспективе может иметь...»

«Перевод ООО "Планета Хобби" © http://www.planetahobby.ru Регулятор скорости для бесколлекторных/бездатчиковых моторов.КОМПАНИЯ не несет гарантийных обязательств в случаях: 1. Наличия механических повреждений изделия от аварий, ударов, падений, соприкосновения движущихся деталей с посторо...»

«ЗАО "РАДИУС Автоматика" Утвержден БПВА.436645.020 РЭ-ЛУ Блок питания комбинированный "Орион-БПМ" Руководство по эксплуатации БПВА.436645.020 РЭ Москва СОДЕРЖАНИЕ Стр. 1 Описание и работа 1.1 Назначение изде...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.