Справочник химика 21. Орто вода
Орто- и пара- молекулы воды
О существовании орто- и пара- водорода рассказывают в институтских курсах, поэтому сомнений в существовании двух сортов водорода у тех, кого это иногда касается, как правило, не возникает. Другое дело вода. С раннего детства приходится слышать о живой и мертвой разновидностях. С расширением информационного охвата приходится читать, слышать да и видеть всякое — и про заряженную воду, и про всякую другую. Но на большинство людей этот информационный прессинг действует скорее в обратную сторону, и утверждение о существовании разновидностей воды субъективно как-то хочется отнести к подмножеству телевизионных чудес.
Тем не менее – признавая существование разновидностей водорода, необходимо признать аналогичные возможности у молекулы воды. Спины двух протонов могут быть ориентированы в одном направлении, а могут – навстречу друг другу. В 80-е годы исследованиями ядерных спиновых изомеров воды начали заниматься в ФИАНе [1,2]. Было показано, что эти изомеры можно отличать по инфракрасным спектрам и спектрам ЯМР. Также оказалось, что пара- молекулы, в отличие от своих орто- аналогов не обладающие моментом количества движения, гораздо активней адсорбируются на некоторых типах поверхностей. Это, в свою очередь, позволяет создавать образцы воды, обогащенные тем или иным изомером.
Что любопытно: оказалось, что благодаря очень слабому взаимодействию ядерных спинов с окружением процессы взаимопревращения орто- и пара- молекул чрезвычайно медленные. Время орто-пара конверсии в жидкой воде составляет порядка часа, а во льду может достигать нескольких месяцев. Так что если бы сказочный Иван-царевич смог набрать орто- и пара- воду в два ведерка, то на своем Сером Волке он точно бы успел их довезти почти без изменения в тридевятое царство. А вот откуда берется такое большое время – до сих пор не совсем понятно, потому что время протон-протонного обмена между молекулами на много порядков короче.
Но – сказка сказкой, а наука занимается своим делом. Чтобы что-то изучать, в первую очередь нужен обособленный объект исследования.
Группа исследователей из Israel Institute of Technology (Technion) в Хайфе выполнила эксперимент по разделению ядерных спиновых изомеров воды [3]. В отличие от ранее проводившихся опытов с адсорбцией, они использовали идею классического эксперимента, с помощью которого когда-то был открыт спин – идею широко известного т.н. “опыта Штерна-Герлаха”. Правда, магнитный момент ядер водорода (протонов) на три порядка слабее, чем магнитный момент электронов, так что о простом повторении классиков речь не шла. К тому же сама постановка задачи – получить некоторое количество отделенного изомера – требовала иной конфигурации эксперимента.
Так же, как ранее классики, исследователи из Израиля применили градиентное магнитное поле, но сделали это поле цилиндрически симметричным, с малым градиентом в середине и большим по краям. Такое поле действовало на частицы с магнитным моментом подобно линзе и должно было собрать в “фокусе” молекулы с определенным магнитным моментом.
Правда, пришлось преодолеть еще одну трудность – молекулы слишком быстро пролетали магнитную линзу и поэтому слабо отклонялись полем. Эту проблему удалось решить, смешав в пучке молекулы воды с атомами криптон. Криптон – тяжелый газ, и в результате столкновений с его молекулами молекулы воды теряли скорость.
В итоге в “фокусе” градиентной магнитной линии, примерно в полутора метрах от нее, действительно собрались молекулы практически одного сорта. Пучок содержал 97% орто-изомера воды и всего 3% молекул в пара-состоянии.
Авторы указывают, что очевидным эффективным применением орто-воды должно быть ее использование в ЯМР экспериментах. Для наблюдения ЯМР необходимо создать преимущественную ориентацию ядерных спинов, для чего обычно приходится применять сильные магнитные поля и низкие температуры. Используя метод, близкий к тому, что описан в статье, можно получить спиново-обогащенные препараты, что позволит применять хорошо разработанные методы ЯМР-исследований там, где ранее это было недоступно.
М. Компан
1. A.A.Volkov et al., Infrared Physics 25, 369 (1985).
2. V.I.Tikhonov, A.A.Volkov, Science 296, 2363 (2002).
3. T.Kravchuk et al., Science 331, 319 (2011).
www.ewater.ru
| upasaka3 | 07:29 pm - Квантовая природа 36.6 оС (или орто и пара спин-изомеры воды)Искал про орто и пара спин-изомеры воды. Это молекулы воды у которых различается спин протона. В этой статье Квантовая природа 0-100% скачка «текучести» эритроцитов через микрокапилляр и снижения «вязкости» гемоглобина при температуре 36.5±0.5 °С Из статьи:"За прошедшие годы группа G.Artmann провела большое число различных экспериментов с целью выяснения природы этого скачка с использованием разных физических методов: ЯМР-спектроскопия, спектроскопия рассеяния, измерение дихроичности и ряд других. Однако механизм этого явления остается до конца невыясненным [2]. Самый главный вопрос: «Почему скачок происходит при температуре 36.5 °С?». При этом остался не замеченным «скачок» (от 20 до 55%) проницаемости молекул воды через оболочку эритроцитов в узком температурном диапазоне." "Мы обратили на отмеченные факты особое внимание, поскольку, на наш взгляд, они прямо указывает на роль воды в этом явлении. В первую очередь, на определяющую роль воды указывает значение температуры скачка: при этой температуре у воды, как хорошо известно, наблюдается минимум теплоемкости при постоянном давлении. Кроме этого в ранних наших работах [3] мы обнаружили скачок центра ОН полосы в спектре комбинационного рассеяния в дистиллированной воде к окрестности температуры 36-37 °С, который интерпретировали как проявление фазового перехода второго рода, отражающего перестройку структуры сетки водородных связей, т.е. структуры воды, которая является определяющим фактором в рассматриваемом явлении скачка эритроцитов." "Заметим, что до настоящего времени наблюдаемые особенности свойств водных биорастворов обсуждаются без привлечения квантовых характеристик молекул Н2О, например, их отличия по ориентации спина протона. Эти, сугубо квантовые, не имеющие классического аналога характеристики могут проявляться, как нами было установлено недавно, именно в окрестностях температур особых точек воды, например, 4, 20, 36-37 °С и др. [4]." и ниже:"Анализ спектров молекулы Н2О показал, что существует резонанс энергий вращательного перехода (331-202) и тепловой: квант hΩ[(331-202) = 215.13 см^-1 ] = kT(при t =36.6 °С) (1) " И в заключении статьи:"Таким образом, предложен и обоснован физический механизм наблюдаемого 0-100% скачка проницаемости эритроцитов через микрокапилляр при температуре 36.6 °С, который учитывает сугубо квантовые свойства молекул воды, отличающихся взаимной ориентацией спина протона. Практические следствия этого механизма иллюстрируют его вероятные проявление в живом организме. Возможно, что подобный механизм запускает процесс деления клеток, например, при температуре инкубатора 37-38 °С в изолированной системе куриного яйца или начало сокодвижения и распускания почек при t = 19-20 °С с kT, резонансной переходам 331-440 и 330-441.Надеюсь, что эти предположения будут обоснованы вами, молодыми физиками физфака МГУ. " Из другой статьи:http://www.ioffe.ru/journals/pjtf/2006/08/p20-29.pdf "Особый интерес вызывают низкочастотные спектры раствора белкаα-химотрипсин в нативной среде. Растворение белка сопровождаетсяпроявлением избирательного свойства образовывать комплексы толькос пара-изомером молекулы воды. Такая спин-селективная адсорбциядает возможность исследовать свойства мембранного белка аквапорина,ответственного за пропускание молекул воды в клетку, открытиекоторого отмечено Нобелевской премией [15]." И вот ещё интересная:"Квантовая природа детерминированных значений температур особых точек воды (-23, -6, 4, 20, 37….0С) и льда (-140, -80, -40 ……0С): орто-пара состояния спин-изомеров Н2О как бит информации (1-0)"http://www.iki.rssi.ru/seminar/20080320/abstract.htm"Физика явления. На основе полученных новых экспериментальных данных предпринята попытка обоснования факта, что значения особых точек воды и льда на шкале температур не являются случайными, а определяются квантами вращательных переходов. Установлено совпадение энергии вращательных квантов (hΩ) близко-расположенных уровней орто-пара спин-изомеров молекул Н2О с их транcляционной энергией (kT) в окрестности особых температурных точек воды и льда. Методом нелинейной четырехфотонной спектроскопии молекулярных движений в объемной воде в тера- и субтерагерцовом (СВЧ) диапазонах обнаружены узкие линии, которые соотнесены с вращательными резонансами орто-пара изомеров молекул Н2О. На основании этих данных была предложена и обоснована квантовая природа детерминированных значений температур экстремумов термодинамических параметров воды и льда как следствие резонансного взаимодействия, индуцирующего орто-пара конверсию Н2О. Показана аналогия с периодическим законом Менделеева: есть дублет орто-пара уровней- должна быть особая точка; если есть особая точка - должен быть дублет уровней." Практическое применение, как двоичная запись по спину:"Не менее интересным является использование в информационных технологиях отличия двух молекул воды по ориентации ядерных спинов. Так орто-Н2О имеет суммарный спин J =1, а пара- Н2О имеет суммарный спин J= 0. Т.е. классический пример для двоичной системы счисления, которая широко используется в информационных каналах. Здесь нам удалось сделать принципиально важное открытие (см. А.Бункин, А.А.Нурматов, С.Першин, Успехи физических наук, 176, 883-889 (2006)) - мы обнаружили наличие орто и пара молекул Н2О в жидкой воде. Кроме этого, мы установили спин-селективное взаимодействие пара- молекул с белками и молекулами ДНК, растворенными в воде" Но лично для меня это интересно как корреляция с "живой" и "мёртвой" водой (без какой либо "мистики"). Отсюда http://ikar.udm.ru/sb34-1-2.htm "А теперь представьте себе сложную установку с трубками, колбами и дорогущей спектральной лазерной лампой. Эту конструкцию соорудили специально для получения “сказочной” воды. Прежнюю работу с лазерами (кстати, тоже отдающую фантастикой) ученые оставили на потом. Сами же с головой ушли в разгадывание водяной загадки. Тихонов долго рассказывал мне о сверхзвуковых струях, магнитных моментах ядра, окиси алюминия, и прочих загадочных вещах, из чего стало ясно следующее. При определенных условиях, которые были созданы для первоначального изобретения лазера, часть воды адсорбировалась в трубке с окисью алюминия, другая осела капельками на ее стенках. Физики задумались: отчего бы это? Подвергли те и другие пары спектральному анализу и... не поверили своим глазам. В одной жидкости протоны вращались в одном направлении (это орто-частицы), в другой — в разные (пара-частицы). В обычной воде их соотношение оказалось — три к одному. — В первую очередь, — говорит Тихонов, — мы повезли нашу воду на биофак в МГУ. Нам выделили для опытов особые светящиеся бактерии, аналоги вибрионов холеры. Вот их-то и стали погружать в орто-воду. По сравнению с их достаточно бодрым состоянием в обычной воде в орто-жидкости они чувствовали себя нехорошо. Светились тускло и были вялыми. Этих опытов, конечно, недостаточно, чтобы говорить о том, что орто-вода — это и есть "мертвая вода", что она угнетает бактерии, а значит, и все живое. Это надо будет доказывать еще на сотне других опытов. Но то, что жидкости обладают противоположными свойствами, уже стало ясно." |
Водород воде пара—орто-конверсия - Справочник химика 21
Если скорость восстановления субстрата меньше, чем скорость орто-пара-конверсии водорода или обмена дейтерия с водой в отсутствие субстрата (табл. 6), то в качестве дополнительных факторов можно указать на 1) ингибирующее действие субстрата на гидрогеназу, в особенности когда субстрат является окислителем, или 2) протекание медленной реакции между фермент-гидридным промежуточным образованием и субстратом [ 3 восстановления бихромата в кислом растворе, катализируемого Сц2+ или Ag+) восстановление водородом в тяжелой воде должно сопровождаться обменом. Возможно, что в некоторых реакциях водорода (например, при гидрогенизации фума-рата), наблюдаемых в бактериальных суспензиях, содержащих гидрогеназу, кроме последнего соединения, участвуют другие ферменты, функция которых заключается в активации субстрата. [c.404]
Гидроокись железа является катализатором ортО — пара-превращений водорода [95], а также исходным веществом для синтеза ряда важных катализаторов, например конверсии окиси углерода, дегидрирования углеводородов и др. [96]. Гидроокись железа обычно получают осаждением из солей растворами гидроокисей щелочных металлов или аммиаком. При растворении в воде соли железа быстро гидролизуются. По мнению Спиро и соавт. [97], гидролиз протекает следующим образом [c.50]
По-видимому, вода играет важную роль при орто-пара-кон-версии, так же как и при реакции обмена. Так, орто-пара-кон-версии не наблюдалось в случае бактериальной суспензип Р. vulgaris) в D2O [156, 163], из чего можно заключить, что в механизм входит стадия обмена с водородом воды. Было найдено, что высушенная бактериальная пленка не активна для реакции конверсии, но активность ее восстанавливается после гидратации с другой стороны, гидратация тяжелой водой приводит лишь к очень незначительной активности для обмена На—D2O [162]. По-видимому, инактивация, вызываемая тяжелой водой, является в некоторой степени необратимой, потому что после повторного высушивания и повторной гидратации обычной водой активность бактерий в отношении орто-параконверсии восстанавливалась лишь частично. Причина этого не ясна. [c.402]
Различие враш,ательных уровней орто- и пара-модификаций одного и того же молекулярного изотопа водорода вызывает различие во вращательном слагаемом их теплоемкости. Гонзалер, Уайт и Джонстон [629] измерили теплоемкость нормального и орто-дейтерия, а также орто-пара-смесей, содержавших 18,5 и 14,5% орто-дейтерия. Для нормального дейтерия, кроме того, были проведены измерения в области 0,3—1,3° К. Исследуемый образец охлаждался посредством адиабатического размагничивания, для чего калориметр частично заполнялся железными квасцами. Исходный газообразный дейтерий, полученный электролизом из тяжелой воды, содержал около 1 % дейтероводорода. Орто-дейтерий был получен путем конверсии нормальной орто-пара-смеси в ншдком состоянии, над активированным древесным углем, при 20,4° К, в течение 24 час. Результаты измерений представлены на рис. 47 и 48. [c.175]
Гидроксильный ион катализирует орто-пара-конверсию водорода в водном растворе и обмен водорода с дейтерием в тяжелой воде. Последнюю реакцию впервые наблюдали в 1936 г. Виртц и Бонхеффер [56] ее кинетику подробно изучили Уилмарт, Дэйтон и Флюорной [57], а также Миллер и Риттенберг [58]. Кинетическое уравнение, приведенное в табл. 1, было подтверждено в интервале температур 80—190° и концентраций ОН от 10" до 1 М. Механизмы, которые рассматривались для [c.357]
Аналогичные реакции орто-пара-конверсии водорода и обмена с дейтерием, катализируемые ионами ЫНг", наблюдались в среде жидкого аммиака [61]. Кинетика этих реакций описывается теми же уравнениями, что и реакции в воде, катализируемые ио-нами ОН , а к механизму можно применить аналогичные интерпретации. Реакции, катализируемые ионами ЫНг . протекают очень быстро, причем константы скоростей при —50° в 10" раз больше, чем константы скоростей реакций, катализируемых ионами ОН при 100°. Полагая, что в обоих случаях нредэкспоненциальные факторы равны, находи.м, что энергия активации ре-акций, катализируемых ионами ЫИг", равна приблизительно 10 ккал1моль. Такая малая величина объясняется тем, что КНг" является гораздо более сильным основанием, чем ОН . Эти результаты находятся в хорошем согласии с механизмом, указывающим на участие отрицательно З аряженного иона водорода. [c.359]
Было установлено, что к числу реакций, катализируемых гидрогеназой, относятся орто-пара-конверсия водорода, обмен дейтерия с водой, восстановление водородом различных окисляю-UIHX веществ, как, например, метиленового голубого и бензил-виологена, а также выделение водорода из восстановленного виологена. Хотя полагают, что механизмы большинства из этих реакций имеют общую основу, их скорости сильно различаются для каждого данного препарата гидрогеназы и характер этого различия изменяется от образца к образцу (табл. 6). Соответственно имеется некоторая неопределенность и расхождение во мнениях относительно того, какая из этих реакций наиболее подходит для испытания активности гидрогеназы, т. е. для измерения скорости активации водорода. По-видимому, так же как и в случае других катализаторов, для этой цели следует предпочесть реакцию орто-пара-конверсии или обмена, поскольку в них не участвуют никакие другие вещества, кроме самого водорода. С другой стороны, имеется указание, что для некоторых препаратов гидрогеназы эти реакции протекают с меньшей скоростью, чем восстановление метиленового голубого [154, 157]. [c.401]
Реакции орто-пара-конверсии водорода и обмена дейтерия с водой были изучены рядом исследователей [155, 156, 159—162]. Обе реакции протекают со сравнимыми скоростями и проявляют аналогичную чувствительность к ингибиторам. Было найдено, что в области низких концентраций скорость этих реакций пропорциональна концентрации бактерий или экстракта кажущаяся энергия активации (для Р. vulgaris и Е. oli) равна 7—10 ккал/моль. По-видимому, в этой области лимитирующей стадией является химическая активация водорода гидрогеназой. При более высоких концентрациях бактерий скорость стремится к некоторому предельному уровню и кажущаяся энергия [c.401]
В дальнейшем Уилмарт с сотрудниками более подробно изучили как систему амидный ион — жидкий аммиак, так и систему ион гидроксила — вода. Уилмарт, Дэйтон и Флаурной [31] провели кинетическое исследование орто- пара-конверсии водорода и обмена Ог—НгО в системе КОН—НгО и впервые установили, что реакция катализируется гомогенно. Этот вывод был основан на следующих наблюдениях 1) в присутствии МаОН константа скорости реакции имеет такую же величину, как и в присутствии КОН 2) скорость реакции не зависит от величины [c.209]
chem21.info
Вода Байкала :: Живая вода :: Живая и мертвая вода
ЖИВАЯ И МЕРТВАЯ ВОДА
Стоит вспомнить, что написал французский летчик и писатель Антуан де Сент-Экзюпери после аварии в пустыне Сахара: "Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое. Ты не просто необходима для жизни, ты и есть жизнь. С тобой во всем существе разливается блаженство, которое не объяснить только лишь нашими пятью чувствами… Ты - величайшее в мире богатство… Можно умереть подле источника, если в нем есть примесь магния. Можно умереть в двух шагах от солончакового озера. Можно умереть, хоть и есть 2 литра росы, если в нее попали какие-то соли. Ты не терпишь примесей, не выносишь ничего чужеродного, ты божество, которое так легко спугнуть. Но ты даешь нам бесконечно простое счастье".
Последние десятилетия человечество интенсивно занимается изучением воды на молекулярном уровне. Результаты многих исследований подтверждают наличие на нашей планете живой и мертвой воды.
Байкальская вода содержит все необходимые биогенные макро и микроэлементы, имеет наиболее приемлемый для человека кальциево-гидрокарбонатный состав и максимально насыщена кислородом. Она имеет температуру около 40С. Это температура воды максимальной плотности, т.е. так называемой "талой воды".
"Талая вода" считается наиболее ценной. Птицы с юга летят на север, чтобы у кромки тающих снегов выращивать птенцов. Реликтовая вода айсбергов и ледников обеспечивает богатство планктона и гигантские размеры китов. Альпийские луга славятся своей пышной растительностью. Долгожители, как правило, живут в районах с талой водой. Секрет высокой активности талой воды сокрыт в ее структуре. Лед состоит из двенадцатигранников-додекаэдров. При нагревании льда связи рвутся, но додекаэдры сохраняются. Это и есть талая вода. Американский биохимик нобелевский лауреат А. Сент-Дьердь считал, что вода в виде льда есть матрица жизни. Обычная вода в организме должна преобразовываться. Для талой воды это не требуется. Не нужно тратить энергию. Сложная ледяная структура воды диктует размеры белковых комплексов, вид, форму ДНК и многое, что лежит в основе живого на земле.
В последние годы физики МГУ и Института общей физики РАН занимаются исследованием орто- и пара- воды. Это две составляющие обычной природной воды, различающиеся направлением спинов ядер водорода. Соотношение орто- и пара- воды в природе стабильно. Орто-вода и пара-вода обладают разными свойствами. К примеру, одна может угнетать бактерии, а другая - наоборот способствовать их размножению. В процессе длительной эволюции все живые организмы приспособились к физическим свойствам природной воды, и любое изменение свойств воды может чутко восприниматься живыми организмами и существенно влиять на их жизнедеятельность.
Обо всех загадочных свойствах байкальской воды говорить пока рано, но сказочная проблема "живой" и "мертвой" воды, несомненно, решится на озере Байкал.
Люди на всем земном шаре на протяжении тысячелетий селились на берегах рек и озер. Именно пресная речная и озерная вода была основным источником питья. Минерализованная вода была включена в питьевое водоснабжение в первую очередь в США в прошлом веке. Вода подземных горизонтов не содержала вредных микроорганизмов. Повышенные содержания микроэлементов в подземной воде стали рекламировать как полезные. Содержания кислорода в такой воде очень низкие, поэтому постепенно этот самый главный показатель качества воды исчез из необходимых характеристик. Вкусная и приятная вода должна содержать кислорода не менее 8 мг в литре. В подземных водах может быть менее 2 мг/л. В воде озера Байкал содержание кислорода 12 мг/ л.
В качестве наглядного подтверждения различия "живой" и "мертвой" воды мы предоставляем Вам блестящую работу ученого Масару Эмото (Masaru Emoto) из Японии, который проводит исследования с замороженными кристаллами воды добиваясь невероятных результатов. Вот фотографии этих кристаллов:
Эти снимки еще раз подтверждают разницу воды живой и мертвой. Любое искусственное очищение насыщает воду канцерогенными и другими остаточными веществами вредными для здоровья человека. Питьевая вода многих известных марок, как правило, производится путем искусственной очистки ключевой или водопроводной воды.
vodabaikala.narod.ru
