Релаксация окислительно-восстановительного потенциала жидкости

Постановка задачи

Как было показано выше, отрицательные значения ОВП воды

определяются наличием в ней восстановителя - растворённого водорода. При насыщении воды водородом значение ОВП, определяемое соотношением концентраций растворённого водорода и кислорода, устанавливается за 1 - 2 минуты.

Если бутыль с водой, насыщенной водородом, открыть, и воду вылить в стакан, то водород, растворённый в воде, должен быстро диффундировать из воды, так как в воздухе над поверхностью воды водорода нет. Значение ОВП должно быстро возрасти за 1 - 2 минуты, т.е. за то же время, за которое ОВП достиг отрицательного значения при насыщении воды водородом. Однако этого не происходит. В наших экспериментах время возрастания ОВП до положительных значений составляет от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от свойств воды. Данный раздел посвящён анализу условий, определяющих время релаксации ОВП.

Экспериментальная часть

Приготовление проб. Образцы воды разливались в стеклянные бутыли объёмом 0,5 л, жидкость наливали по горлышко. Затем из бутыли с помощью пипетки отбирали 25 мл воды, чтобы освободить место для водорода. Дальнейшую обработку проводили в разливочном полуавтомате. Сначала создавали разряжение минус 0,9 атм, чтобы практически убрать воздух, затем подавали водород из баллона. Создавали давление 4 атм и закупоривали стандартной пробкой.

Использовали следующие жидкости:

- обычная водопроводная (из водопроводно сети г. Челябинск), рН =

8,5;

- тёмное пиво;

- газированная углекислым газом вода (Бон Аква);

- 0,1% раствор крахмала в водопроводной воде;

- хорошо очищенный в заводских условиях 40% водный раствор этилового спирта;

- деионизованная вода, пропущенная через фильтр с порами размером не более 0,1 микрона.

Измерения. Измерения проводили следующим образом. Бутыль с испытываемым раствором открывали, её содержимое выливали в стакан. ОВП измеряли платиновым и хлор-серебряным электродами. В перерыве между измерениями хлор-серебряный электрод держали в 3М растворе KCl, платиновый - в 3,5 М растворе соляной кислоты. При введении электродов в жидкость показания милливольтметра сначала уменьшались, достигая минимума, затем увеличивались. На графиках приводятся либо минимальные значения ОВП во время наблюдения, либо потенциал в данный момент времени. Условия отсчёта показаний даны в пояснениях к рисункам.

Результаты экспериментов

Водопроводная вода. При откупоривании бутыли образование пузырьков в объёме жидкости не наблюдалось. Половина содержимого была вылита в сосуд, вторая половина осталась в бутыли. Когда воду наливали в стакан, выделение газа из объёма жидкости также не наблюдалось, однако на стенке стакана появились пузырьки газа (см. рис. 30, левый стакан). В бутыли, где осталась вторая половина воды, пузырьки на стенке не появились. Для сравнения на рисунке справа помещён такой же стакан, но с обычной водой. Наблюдения за водой и измерения ОВП продолжались три дня. Через сутки количество пузырьков уменьшилось, на третьи сутки они совсем исчезли. На рис. 31 приведено фото стакана с водой, насыщенной водородом также при давлении 4 атм, но из работы [13]. Видно, что там при разливе в стакан имеет место интенсивное выделение пузырьков газа в объёме воды.

Измерения ОВП в первом стакане проводились ежедневно по 5 - 6 часов. Через сутки оставшуюся в бутыли воду вылили во второй стакан. Образование пузырьков газа на стенке сосуда уже не наблюдалось. Значение ОВП в вылитой из бутыли воде оказалось +180 мВ, в то время, как в первом стакане отрицательное значение ОВП сохранялось до исчезновения пузырьков газа на стенках. Результаты измерений ОВП в первом и втором стакане приведены на рис. 32.

Пробы воды рассматривали под микроскопом. Для этого воду наливали в кювету диаметром 20 мм и высотой 10 мм. Освещение кюветы осуществлялось снизу и сбоку. Фотографии проб приведены на рис. 33. Видно, что во всех пробах в воде наблюдаются пузырьки газа диаметром 10 - 100 микрон. Эти пузырьки удерживаются и не всплывают. На рис 33г пузырьки газа прилипли к частичкам взвеси. Причиной удержания пузырьков газа в остальных случаях может быть прилипание к большим кластерам воды. Когда ОВП возрастает до положительных значений, пузырьков в жидкости не видно.

Рис. 30. Фото стаканов с испытываемыми жидкостями. Левый стакан - водопроводная вода, насыщенная водородом при давлении 4 атм после предварительного разрежения - 0,9 атм. Правый стакан - обычная вода. а) Сразу после разлива воды из откупоренной бутыли; б) на следующий день; в) через два дня; г) через три дня. Видно, что через три дня пузырьков в левом стакане не осталось.

Рис. 31. Вода, насыщенная водородом при давлении 4 атм сразу после разлива в стакан. Данные работы [13]. http://www.h4o.co.jp/e/story/index.php

Рис. 32. Измерения ОВП водопроводной воды, насыщенной водородом при давлении 4

атм. Точки относятся к измерениям в стакане, при наполнении которого появились

газовые пузырьки; треугольники - пузырьков на стенках нет.

Рис. 33. Пробы воды, насыщенной водородом. Условия наблюдения - см. текст. ОВП всех проб в пределах минус (300 - 400) мВ. Масштаб указан на каждом фото. а) Водопроводная; б) дистиллированная; в) деионизованная отфильтрованная; г) водопроводная с частичками взвеси. Пузырьки водорода удерживаются внутри воды и не всплывают.

Чистая отфильтрованная вода и 40% водный раствор этилового спирта. При открывании водки и отфильтрованной воды в бутыли наблюдается образование пузырьков. Вылитая в стакан жидкость становится белёсой от мелких пузырьков газа. Стакан выглядит так же, как на рис. 31. Пузырьки газа быстро поднимаются на поверхность и лопаются. На стенках прилипание пузырьков не наблюдается. Минимальное значение потенциала установилось за 1 минуту, затем ОВП увеличивался, и через сутки его значение стало таким же, как у исходной жидкости до насыщения водородом. Зависимость ОВП водки от времени измерений показано на рис. 34. Здесь приводятся непосредственно измеренные значения потенциала в данный момент времени. Деионизованная вода, пропущенная через фильтр с порами не более 0,1 микрона, ведёт себя также.

Рис. 34. Зависимость ОВП 40% водного раствора этилового спирта от времени измерений. ОВП получен на основе значений потенциала, непосредственно отсчитываемого милливольтметром в данный момент времени.

Раствор крахмала и газированная вода. Раствор крахмала в водопроводной воде концентрацией 0,1% заправляли водородом в стеклянной посуде при атмосферном давлении. Газированную воду Бон Аква переливали в стеклянную бутыль 0,5 л и заправляли водородом под давлением 4 атм. В обоих случаях в бутылях оставляли объём газа (водорода) 25 мл. После выдержки в закрытом состоянии в течение 30 дней каждую

бутыль открывали и жидкость разливали в два стакана.

измерения ОВП проводили по 5 - 6 часов в день, во втором - только до установления равновесия (получения минимального отсчёта ОВП), т.е. в течение 10 - 15 минут. Для обоих случаев за результат принималось минимальное значение потенциала, достигнутое во время наблюдений.

Эти данные представлены на рис. 35. Видно, что для газированной воды отрицательные значения ОВП в открытом стакане сохранялись примерно 90 часов, причём в стакане, где проводились длительные измерения, ОВП уменьшался быстрее, чем в другом стакане, где измерения проводили кратковременно. Для крахмала разница изменений ОВП для кратковременных и длительных измерений ещё более заметна. При длительных измерениях ОВП достиг положительных значений примерно через 70 часов, а при кратковременных измерениях отрицательные значения сохранялись до 450 часов. Увеличение ОВП в стакане, где платиновый электрод находился длительное время, сопровождалось уменьшением рН раствора. Значения рН измерялись в обоих стаканах в конце измерений. для газированной воды в первом стакане, где платиновый электрод находился длительное время, рН = 6,4, а во втором стакане, где измерения проводились кратковременно, рН = 7,2. Для раствора крахмала через трое суток, когда ОВП в первом стакане увеличился до положительных значений, рН = 3,5, а во втором стакане, где ОВП остался отрицательным, рН = 3,54.

Рис. 35. Зависимость от времени ОВП испытываемых жидкостей: а) 0,1% раствор

крахмала, б) газированная вода. Точки - регулярные измерения по 5 - 6 часов в день; треугольники - кратковременные измерения до установления равновесия (10 - 15 минут в день). Каждая точка - минимальные показания милливольтметра во время сеанса наблюдений.

б)

Пиво. Измерения ОВП проводили в одном стакане. После сеанса

измерений, продолжавшегося 6 - 8 часов, электроды из стакана убирали. Результаты измерений представлены на рис. 36. В этом эксперименте характерной особенностью является то, что во время измерений значения потенциала уменьшались, однако на следующий день начальное значение потенциала было намного меньше того, на котором измерения были прерваны в прошлый день.

Рис. 36. Пиво. Приводятся значения ОВП, непосредственно отсчитываемые в данный момент времени.