Диссертация (Новый метод исследования инфракрасных спектров фазовых состояний водных систем при различных температурах), страница 2

Создание метода различения инфракрасных спектров водных образцовпри близких значениях температуры и концентрации примесных веществ.Основная гипотеза исследования: Изменение температуры водных средс шагом не менее 2ºС приводит к достоверно различимым характеристикам ихинфракрасных спектров.Объектамиявляютсяисследованияобразцыдистиллированной,водопроводной, легкой воды, а также водных растворов хлоридов щелочныхметаллов при разных концентрациях.Предметом исследования являются температурные и концентрационныезависимости инфракрасных спектров дистиллированной, водопроводной,легкой воды, а также водных растворов хлоридов щелочных металлов.Теоретическую и методическую основу диссертации составляютранние и новейшие работы по исследованию структуры и свойств воды, а такжеводных растворов, в том числе методами колебательной спектроскопии, работыпо методам обработки и различения ИК-спектров, принципы инфракраснойФурье-спектроскопии, модернизированная в настоящей работе установка дляполучения ИК-спектров жидких образцов при разных температурах на основеИК-Фурье спектрометра «MIDAC M4000», а также, созданный на основерасчета начальных моментов, метод различения ИК-спектров водных образцов,подвергшихся воздействию низкоинтенсивных факторов.Научная новизна исследования заключается в том, что в диссертации:1.

Впервые воплощена схема изменения и контроля температуры жидкихобразцов в диапазоне от -12 до 80ºС с точностью ±0,5ºС непосредственно вотсеке ИК-Фурье спектрометра «MIDAC M4000». Изначально спектрометр непозволяет исследовать область отрицательных температур, его штатныйтермостатпозволяетизменятьтемпературус точностью ±1°С.7откомнатнойдо100°С2. Впервые проведено различение и анализ инфракрасных спектровводных образцов с помощью разработанного метода расчета начальныхмоментов.Существующиенасегодняшнийденьметодыобработкиспектральных данных не позволяют выявить различие в водных образцах принизкоинтенсивных воздействиях. Созданный метод позволяет различать иисследовать ИК-спектры образцов при близких значениях температуры (сразницей не менее 2ºС) и концентрации примесей (с разницей не менее0,0001 M).3.

Введена новая характеристика сравнения спектров – «Степеньразличия», рассчитываемая по различиям в моментах сравниваемых спектров.4. С помощью разработанного программного комплекса впервыеопределены наиболее чувствительные частотные области ИК-спектра ктемпературам -5, -3, 0, 25°С дистиллированной воды.Теоретическая значимость. Полученные с помощью разработанного вдиссертации метода результаты исследования ИК-спектров дистиллированнойводы с шагом по температуре 2-3ºС в области отрицательных температурпозволяют судить об усилении водородных связей при понижении температурыводы.Результатыисследованиятемпературныхиконцентрационныхзависимостей ИК-спектров водных растворов хлоридов щелочных металлов вобласти положительных и отрицательных температур, а также спектровпостепенного замерзания растворов некоторых хлоридов щелочных металловдо их полной кристаллизации указывают на усиление водородных связей припонижении температуры и уменьшении концентрации данных растворов, атакже на структурную перестройку при изменении фазового состоянияраствора.ПрактическаяМодернизированнаязначимость.помощьюcразработанного термостатирующего блока экспериментальная установка набазе инфракрасного Фурье спектрометра «MIDAC M4000» для получения ИКспектровжидкихобразцовпозволяетполучатьспектрывобластиположительных и отрицательных температур (от -12 до 80ºС) с высокой8точностью измерения температуры (±0,5ºС), что особенно важно дляисследования свойств образцов при изменении температуры на единицыградусов.

Разработанный в диссертации метод различения и анализа ИКспектров жидких образцов на основе расчета начальных моментов обладаетбольшой практической значимостью, т.к. он позволяет различить образцы,подвергшиесявлияниюнизкоинтенсивныхвоздействий,например,концентрации примесей (не менее 0,0001 M). Метод может быть применен втех случаях, когда необходимо проверить чистоту воды, исключить наличиепримесей, например, в медицине и фармацевтике, т.к.

для приготовлениярастворов для инъекций, лекарств в жидкой форме в качестве растворителяиспользуется исключительно дистиллированная вода. Метод может бытьиспользован также на химическом производстве, поскольку для определенияконцентрации выпускаемого водорастворимого вещества при проведенииколичественного анализа допустимо применение только дистиллированнойводы.

Отличение дистиллированной воды от воды, содержащей примеси, имеетпрактическое применение в эксплуатации автомобилей. Дистиллированнаявода используется для разбавления кислоты в их аккумуляторных батареях.Основные положения, выносимые на защиту:1. Усовершенствование экспериментальной установки для получения ИКспектров жидких образцов с помощью разработанного термостатирующегоблока, позволившего на ИК-Фурье спектрометре «MIDAC M4000» получатьспектры в температурном диапазоне от -12 до 80ºС с точностью ±0,5°С.2. МетоднаосноверасчетаначальныхмоментовИК-спектров,позволивший различить две выборки спектров образцов дистиллированнойводы при близких значениях температуры (с разницей не менее 2°С).3.

Новая расчетная величина сравнения спектров – «Степень различия»,которая определяется по отличию моментов сравниваемых спектров ипредставляет собой обобщенную характеристику различия их соответствующихинтенсивностей.9Установленная4.корреляциявеличиндоверительногоинтервала(коэффициент доверия α=0,95) средней интенсивности полосы поглощениявалентных колебаний для дистиллированной воды при -3, -5 и 25°С и легкойводы при 25°С (коэффициент корреляции не менее 0,91).Выявленные5.наиболеечувствительныепоинтенсивностиктемпературам -5, -3, 0, 25°С дистиллированной воды частотные диапазоныспектров: 1600-1612 см-1 для полосы поглощения деформационного колебания,2333-2420 см-1 для полосы поглощения составного колебания (либрационное идеформационное колебания), 3451-3573 см-1 для полосы поглощения валентныхколебаний.6.

Экспериментально установленное смещение полосы поглощениявалентныхколебанийкристаллизованногорастворахлоридарубидияконцентрации 0,1 М при полном замерзании раствора (при температуре -12°С)к меньшим частотам (3248 см-1) и появление у данной полосы дополнительногоплеча при бóльших частотах (3371 см-1).ЛичныйвкладАвторомсоискателя.проведенамодернизацияэкспериментальной установки для получения ИК-спектров жидких образцов спомощьюразработкиспециальноготермостатирующегоблока.Всяэкспериментальная часть работы и обработка полученных результатоввыполнялисьавтором.Диссертантсамостоятельноразработалметодразличения инфракрасных спектров водных образцов на основе расчетаначальных моментов. Совместно с научным руководителем осуществлялисьанализ и интерпретация полученных результатов.Апробация результатов исследования.

Основные результаты и выводыдиссертационной работы докладывались на следующих конференциях:1. Научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладныеаспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ»,11 октября, Москва, 2011 г.102. XXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2014», 7-11 апреля,Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова, 2014 г.3. XIII Международная научно-техническая конференция «ОптическиеМетоды исследования потоков», 29 июня – 3 июля, Москва,Национальный Исследовательский Университет МЭИ, 2015 г.Основныерезультатыдиссертацииотраженывследующихпубликациях:1.

Хахалин А.В., Королёва А.В., Шалабаева В.Т., Ширшов Я.Н.Исследование эволюции структуры сетки водородных связей водныхкластеров при температурах 1 и 300 К. // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. −2012. −№ 4. −С. 47-53.2. Хахалин А.В., Королёва А.В. Термостатирование конденсированныхобразцов в спектрометре при использовании методики нарушенногополного внутреннего отражения. // Приборы и Техника Эксперимента.−2013. −№ 6. −С. 110-113.3.ХахалинА.В.,КоролёваА.В.Исследованиетемпературнойзависимости спектров переохлажденной воды в средней ИК-области.// Вестник Московского Университета.

Серия 3. Физика. Астрономия.−2014. −№ 1. −С. 61-66.4. Хахалин А.В., Королёва А.В., Хамидуллина Р.Ф. Метод различенияжидких образцов с помощью расчета начальных моментов по ихинфракрасным спектрам. // Вестник Московского Университета.Серия 3. Физика. Астрономия. −2015. −№ 5. −С. 68-74.5. Хахалин А.В., Королёва А.В., Ширшов Я.Н.