Диссертация (Новый метод исследования инфракрасных спектров фазовых состояний водных систем при различных температурах)

Московский государственный университет имени М.В.ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиКОРОЛЁВА АЛЕКСАНДРА ВАЛЕРЬЕВНАНОВЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОВФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХТЕМПЕРАТУРАХ01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физ.–мат. наукХахалин А.В.Москва – 2016 г.ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................

4ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НАФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ВОДЫ .......................................... 13§1 Свойства и структура воды при отрицательных температурах................... 13§2 Структура водных растворов солей при отрицательных температурах ..... 35ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИРАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ........................................................................... 50§1 Экспериментальные методы исследования водных систем в различныхфазовых состояниях...............................................................................................

50§2 Методы анализа и обработки ИК-спектров водных систем......................... 59ГЛАВА 3. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙУСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОВ И РАЗРАБОТКАМЕТОДА ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ ........................................................................... 65§1 Усовершенствование экспериментальной установки для получения ИКспектров жидких образцов.................................................................................... 65§2 Разработка метода различения и анализа ИК-спектров водных систем..... 72ГЛАВА 4.

ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА ДЛЯРАЗЛИЧЕНИЯ И АНАЛИЗА ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОВ ФАЗОВЫХСОСТОЯНИЙ ВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ... 86§1 Различение ИК-спектров образцов дистиллированной воды приотрицательных температурах ...............................................................................

86§2 Сравнение ИК-спектров различных по химическому составу образцовводы при положительных температурах........................................................... 102§3 Различение ИК-спектров водных растворов хлоридов щелочных металловпри положительных и отрицательных температурах ...................................... 1202ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 136СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 139ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................... 1483ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Метод инфракрасной Фурье спектроскопииявляется чувствительным и неразрушающим структуру образца методомисследования воды.

Однако, современные методы обработки ИК-спектров(такие каквыделениечастоты максимального поглощения в полосе,определение ее полуширины, расчет интегральной интенсивности спектра,разложение полос поглощения на составляющие, анализ разностных спектров)не позволяют выявить изменения в спектрах водных образцов при повышенииили понижении температуры на единицы градусов [1], малых измененияхконцентраций химических примесей или после воздействия на них другихнизкоинтенсивных физико-химических факторов.

Между тем, влияние такихвоздействий способно привести к структурным изменениям в водных образцахи оказать влияние на их физические свойства. Например, плотность водысильно изменяется даже при небольшом варьировании температуры. При 4ºСнаблюдается максимум плотности воды. Она уменьшается при понижениитемпературы ниже 4ºС и при повышении температуры выше 4ºС. Высокаяплотностьжидкойводыобусловленасцепляющейприродойсетки,образованной водородными связями, с которой каждая молекула воды способнаобразовать 4 водородные связи (Н-связи) [2]. Вопреки ожиданиям, расстояниемежду молекулами уменьшается по мере уменьшения плотности воды припонижении температуры переохлажденной воды [3-5].ИК-спектрыводныхобразцов,подвергшихсянизкоинтенсивнымвоздействиям, характеризуются тем, что их частоты и интенсивности полоспоглощения отличаются настолько незначительно, что эти изменения не могутбыть выявлены существующими методами обработки спектров.

При этом, даженезначительные отличия в спектре воды при таких воздействиях указывают наизменения ее свойств и структуры. Вследствие этого, становится актуальнойразработка метода различения ИК-спектров водных образцов, подвергшихсянизкоинтенсивным воздействиям, т.к. на сегодняшний день подобных методов4обработки спектров не существует. Достоверное различение водных образцовможет быть необходимым как в научных целях, так и в промышленности,медицине и т.д.Чувствительность свойств водных сред к изменениям температуры наединицы градусов приводит к необходимости создавать экспериментальныеустановки, позволяющие исследовать температурные зависимости свойствводных сред с высокой точностью термостатирования образца и измерения еготемпературы.Однимизактуальныхобъектовисследованияприразличныхтемпературах являются водные растворы солей.

Галогениды щелочныхметаллов содержатся в водах океанов и морей, организмах животных ичеловека, играя важную роль. Исследование водных растворов солей спомощью колебательной спектроскопии и других методов позволяет получитьинформацию об изменениях, происходящих в растворе при измененииконцентрации, состава и его температуры [6-38].В настоящее время, существует большое количество работ, посвященныхизучению спектров воды и ее растворов при отрицательных температурах [1,39-60].

Интерес к исследованию области переохлаждения воды обусловлен тем,что в этом температурном диапазоне вода проявляет большое количествоаномальных свойств. Изучение воды и растворов солей щелочных металлов притемпературах ниже нуля является важным для криобиологии. Известно, чтонекоторые виды животных, рыб могут существовать при отрицательныхтемпературах, кристаллизация жидкостей в их организмах не происходит [61].Необходимо исследовать процессы, происходящие в них, в том числеизменения, происходящие в структуре воды и водных растворах, содержащихсяв их организмах. Результаты исследования водных систем при температурахниже 0ºС могут быть полезными для криоконсервации клеток, тканей иэмбрионов для длительного хранения в медицинских целях.Особый интерес представляет исследование ИК-спектров переходаводных растворов солей щелочных металлов в твердое состояние при их5полном замерзании, т.к.

к настоящему времени они изучены не полностью.Замерзаниерастворовпроисходитособымобразом,сопровождаетсяструктурными перестройками в них. Процесс замерзания водных растворовсолей щелочных металлов изучался для полосы поглощения валентныхколебаний для ограниченного набора концентраций [9, 22, 28, 62-64]. Однако,исследование изменений, происходящих в других областях спектра призамерзании раствора, также может дать важные сведения о структурныхперестройках в нем.Важность достоверного различения ИК-спектров водных образцов,подвергшихся низкоинтенсивным воздействиям, отсутствие соответствующихметодов обработки спектров, необходимость проведения эмпирическихисследований водных систем с высокой точностью измерения температуры вобласти как положительных, так и отрицательных около нулевых температур, атакже недостаток исследований структурных изменений в водных раствораххлоридовщелочныхметалловобуславливаютактуальностьтематикиисследования.Цель работы –– усовершенствование экспериментальной установки на базе инфракрасногоФурье спектрометра «MIDAC M4000» для возможности получения ИКспектров в области отрицательных температур.– разработка метода сравнения и анализа инфракрасных спектров водныхсистем, различающихся по температуре не менее, чем на 2ºС.Задачи исследования.1.

Модернизация экспериментальной установки на основе ИК-Фурьеспектрометра «MIDAC M4000» для получения ИК-спектров жидких образцовприположительныхиотрицательныхтемпературахсточностьюихтермостатирования ±0,5ºС.2. Получение ИК-спектров водных образцов (дистиллированной воды,легкой воды и водных растворов хлоридов щелочных металлов) при близких6значениях температуры и концентрации примесей и анализ полученныхспектров на предмет поиска признаков их различия.3.