Przechłodzona Woda Destylowana: Właściwości i Zastosowania
- Szczegóły
Woda, pomimo swojej prostej budowy, jest bardzo skomplikowaną cieczą. Jest także jedną z najbardziej badanych substancji, która zaskakuje swoimi właściwościami - jak do tej pory nie poznano do końca. Woda jest podstawowym rozpuszczalnikiem substancji i pełni kluczową rolę w życiu każdego organizmu, w niej następują różne procesy chemiczne i biochemiczne.
Czym jest Przechłodzona Woda?
Ciecz przechłodzona to substancja, która istnieje w stanie ciekłym pomimo temperatury niższej od jej normalnego punktu krzepnięcia. W normalnych warunkach, gdy ciecz osiąga temperaturę zamarzania, rozpoczyna się proces krystalizacji wokół tzw. zarodków krystalizacji, prowadząc do powstania struktury krystalicznej ciała stałego. Stan cieczy przechłodzonej jest metastabilny, co oznacza, że jest stabilny przy małych zaburzeniach, ale niestabilny przy większych.
W przeciwieństwie do zwykłej wody, która zmienia stan skupienia z ciekłego na stały przy 0°C, woda destylowana może pozostać w stanie ciekłym znacznie poniżej tej temperatury. Woda destylowana może utrzymać stan ciekły nawet do -46°C. Warto zauważyć, że gdy przechłodzona woda destylowana zostanie zanieczyszczona lub wstrząśnięta, jej temperatura gwałtownie wzrośnie do 0°C i woda natychmiast zamarznie.
Nukleacja
Możemy wyróżnić kilka rodzajów nukleacji. Po pierwsze, istnieje nukleacja homogeniczna, zwana również spontaniczną. W tym przypadku zarodki powstają samoczynnie w czystej substancji w wyniku fluktuacji gęstości. Kolejnym rodzajem jest heterogeniczna nukleacja indukowana. Nukleacja to także proces, w którym dochodzi do tworzenia i gromadzenia się dyslokacji, pęknięć oraz małych cząstek w już istniejącym materiale.
Badania nad Przechłodzoną Wodą
Przechłodzona woda to tak naprawdę dwie ciecze w jednej - wykazali naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Wykonali oni szczegółowe badania wody, która zachowuje stan ciekły znacznie poniżej temperatury zamarzania. Odkrycie pozwala wyjaśnić niektóre dziwne właściwości, jakie wykazuje woda w niezwykle niskich temperaturach, jakie panują w przestrzeni kosmicznej czy na krawędziach atmosfery. Dotychczas istniały różne teorie na ten temat, a naukowcy spierali się co do niezwykłych właściwości przechłodzonej wody. Teraz otrzymali pierwsze eksperymentalnie potwierdzone dane odnośnie jej struktury.
Przeczytaj także: Gdzie kupić wodę destylowaną?
Wykazaliśmy, że ciekła woda w ekstremalnie niskich temperaturach jest nie tylko dość stabilna, ale istnieje też w dwóch stanach strukturalnych. Odkrycie to pozwala na rozstrzygnięcie sporu dotyczącego tego, czy mocno przechłodzona woda zawsze krystalizuje przed osiągnięciem stanu równowagi. Odpowiedź brzmi: nie, mówi Greg Kimmel z PNNL.
Bruce Kay i Greg Kimmel z PNNL od 25 lat badają niezwykłe właściwości wody. Wykazały one, że w mocno przechłodzonej wodzie dochodzi do kondensacji w gęstą podobną do płynu strukturę. Istnieje ona równocześnie z mniej gęstą strukturą, w której wiązania bardziej przypominają te spotykane w wodzie. Proporcja gęstej struktury gwałtownie obniża się wraz ze spadkiem temperatury z -28 do -83 stopni Celsjusza. Naukowcy wykorzystali spektroskopię w podczerwieni do obserwowania molekuł wody i wykonania obrazowania na różnych etapach badań.
Zastosowania Przechłodzonej Wody
Badania pozwalają lepiej zrozumieć zjawisko krupy śnieżnej, która czasem opada na ziemię. Tworzy się ona gdy płatki śniegu stykają się w górnych partiach atmosfery z przechłodzoną wodą. Ciekła woda a górnych partiach atmosfery jest silnie przechłodzona. Gdy dochodzi do jej kontaktu z płatkiem śniegu, gwałtownie zamarza i w odpowiednich warunkach opada na ziemię. Dzięki pracy amerykańskich uczonych można będzie lepiej zrozumieć, jak ciekła woda może istnieć na bardzo zimnych planetach.
Praca Kaya i Kimmela znajdzie też praktyczne zastosowanie. Pomaga ona bowiem lepiej zrozumieć np. zachowanie molekuł wody otaczających proteiny, co pomoże w pracach nad nowymi lekami. Woda otaczająca indywidualne proteiny nie ma zbyt dużo miejsca. Nasze badania mogą pomóc w zrozumieniu, jak woda zachowuje się w tak ciasnych środowiskach, mówi Kringle.
Plazma Niskotemperaturowa a Woda
Badania nad zastosowaniem plazmy niskotemperaturowej obejmują coraz większe obszary. W wyniku tych badań powstają różne rozwiązania technologiczne. Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez plazmę jest częściowo absorbowane przez wodę. Plazma, która powstaje w rozpatrywanym przypadku jest izolowana od wody szkłem kwarcowym. Rozwiązanie to zapewnia braku zanieczyszczeń związanych z gazami szczątkowymi oraz z elektrodami.
Przeczytaj także: Zalety wody destylowanej w obróbce EDM
Mechanizm działania plazmy na wodę nie został do końca poznany. Najłatwiej zaobserwować biologiczne aspekty takie jak przyspieszenie wzrostu roślin, mikroorganizmów, przeciwnowotworowe, czy fizykochemiczne tworzenie emulsji, zmianę rozpuszczalności, a także degradacje związków. W wyniku szeregu badań postulowane jest kilka hipotez, które tłumaczyły by obserwowane zjawiska (zmianę stałej dielektrycznej, zmianę na widmach Ramana, IR etc..) oraz pobudzanie hodowli zwierząt, roślin, czy właściwości przeciwnowotworowe.
Hipotezy Mechanizmu Oddziaływania Plazmy z Wodą
- Rozpad klastrów wody: Hipoteza opiera się na rozpadzie w układzie dużych klastrów wody. Działanie promieniowania wysokiej energii pochodzącej od plazmy mogłyby wpływać na te równowagi.
- Hydraty tlenu: Hipoteza przedstawiona przez prof. Tomasika i jest oparta na tlenie. Zakłada tworzenie odpowiednich hydratów-klatratów gazów - w szczególności tlenu oraz przejścia tlenu w stan singletowy pod wpływem energii plazmy.
- Efekt Mpemby: Trzecią hipotezą stawianą jest mechanizm podobny do wytłumaczenia efektu Mpemby. W odniesieniu do tych badań wprowadzenie dodatkowego promieniowania elektromagnetycznego, skutkuje zaburzeniem - osłabieniem silnych wiązań wodorowych.
- Rodniki: Czwartą hipotezą jest występowanie oraz zachodzenie procesów związanych z rodnikami. Źródło plazmy cechuje się promieniowaniem wysokoenergetycznym (maximum powyżej 200nm) możemy przypuszczać, że w roztworze zachodzą powstawanie rodników - reaktywnych form tlenu (ROS) jak i reaktywnych form azotu (RNS).
- Rozbicie zalążków krystalizacji: Piątą hipotezą stawianą jest rozbicie wszelkich zalążków krystalizacji substancji w wodzie, poprawienie solwatacji. Dostarczenie energii powoduje łatwiejsze rozpuszczanie substancji i tworzenie emulsji.
- Wpływ pola magnetycznego: Szósta hipoteza, którą można wysnuć na podstawie obserwacji, że naświetlanie wody ultraczystej nie daje takich samych efektów co wody wodociągowej, jest wpływ pola magnetycznego i promieniowania elektromagnetycznego na paramagnetyki zawarte w wodzie - głównie jony metali.
Właściwości Wody
Woda ma anormalnie wysoką temperaturę wrzenia, wysoką temperaturę krytyczną. Faza stała istnieje w wielu stabilnych (i metastabilnych) formach krystalicznych i amorficznych, w szerszym zakresie niż dla większości materiałów. Przewodnictwo cieplne, Moduł Kirchhoffa i prędkość poprzecznej fali dźwięku w lodzie maleją ze wzrostem ciśnienia.
Przechłodzona woda ma dwie fazy i drugi punkt krytyczny przy -91°C. Gorąca woda może szybciej zamarzać niż chłodna, efekt Mpemby. Objętość wody kurczy się przy topnieniu lodu. Zwiększone ciśnienie obniża temperaturę topnienia lodu. Do temperatury 3,984°C woda zwiększa swoją gęstość i w tej temperaturze osiąga ona maksimum. Woda ma nadzwyczaj niski współczynnik ściśliwości, który maleje ze wzrostem temperatury aż do 46,5°C. Prędkość dźwięku w wodzie rośnie z temperaturą aż do 74°C.
Chemiluminescencja Katalizowana Kompleksem Miedzi
Chemiluminescencję definiuje się jako zjawisko emisji promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego lub zbliżonego, będące efektem zachodzenia specyficznych reakcji chemicznych. Wiele substancji wykazuje zdolność do chemiluminescencji, między innymi występująca naturalnie lucyferyna robaczków świętojańskich Lampyris noctiluca, biała odmiana alotropowa fosforu, tlen w stanie singletowym, lofina, polifenole i inne. Stosunkowo wydajnym chemiluminoforem jest zastosowany w doświadczeniu luminol.
W zasadowym roztworze luminol występuje w postaci dwuujemnego anionu. Ma tu miejsce zjawisko nazywane tautomerią keto-enolową lub enolizacją. Objawia się to tym, że wspomniany anion występuje w dwóch różnych formach nieróżniących się składem, a jedynie budową. W dalszych etapach reakcji bierze udział forma enolowa. W środowisku zasadowym luminol zostaje utleniony przez nadtlenek wodoru w obecności katalizatora do cyklicznego nadtlenku. Związek taki, m.in. z racji występowania w jego strukturze mostka nadtlenkowego, jest nietrwały i w warunkach reakcji ulega rozpadowi na cząsteczkę wolnego azotu N2 i 3-aminoftalan. Co ważne, ten ostatni początkowo istnieje w stanie wzbudzonym, o wysokiej energii. Sytuacja taka jest oczywiście niestabilna i w krótkim czasie 3-aminoftalan przechodzi do stanu podstawowego, a nadwyżka energii zostaje oddana do środowiska w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Jest to właśnie obserwowane w doświadczeniu niebieskie światło.
Przeczytaj także: Usuwanie kamienia z Kamix
Rolę katalizatorów reakcji utleniania luminolu mogą pełnić rozpuszczalne w środowisku alkalicznym związki kompleksowe, np. żelaza(III), kobaltu(II) i miedzi(II). W opisywanym doświadczeniu korzystamy oczywiście z tej ostatniej możliwości. W reakcji metalicznej miedzi z wodnym roztworem amoniaku powstaje rozpuszczalny kompleks tetraaminamiedzi(II) [Cu(NH3)4]2+, który katalizuje reakcję, co objawia się widoczną chemiluminescencją.
Dosyć ważną funkcję w doświadczeniu pełni też wersenian disodowy. Jon wersenianowy wykazuje bardzo dużą zdolność do tworzenia z wieloma metalami związków kompleksowych, w których organiczny ligand łączy się z jonem metalu za pomocą więcej niż jednego wiązania koordynacyjnego.
tags: #przechłodzona #woda #destylowana #zastosowania
