Skip to Content

Влияние терагерцового электромагнитного излучения на частоте поглощения молекулярного кислорода на автоколебательную реакцию Бриггса-Раушера

ID: 2012-06-2076-A-1559
Оригинальная статья
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Резюме

В работе приведено описание влияния электромагнитного излучения на частотах характерных для максимальной интенсивности поглощения и излучения атмосферного кислорода на процесс протекания автоколебательной химической реакции Бриггса-Раушера. Показано, что излучение приводит к пролонгации времени автоколебательного режима более чем на 20% по сравнению с необлученной колбой вследствие интенсификации процесса выделения кислорода.

Ключевые слова

автоколебательные процессы, реакция Бриггса-Раушера, терагерцовый диапазон

Введение

Одним из предполагаемых механизмов действия терагерцового (ТГц) излучения на физические среды является механизм изменения реакционной способности веществ (в частности, газов-метаболитов) [1-4]. Например, в работе [4] авторы исследовали образование реактивных форм кислорода при воздействии электромагнитного излучения (ЭМИ) на частотах спектра поглощения и излучения кислорода. В работе было показано, что селективное воздействие на этих частотах изменяет коэффициент диффузии газа.

Известно, что в терагерцовом диапазоне лежат спектры многих важных органических молекул, включая белки и ДНК, а также фононные резонансы кристаллических решеток, что позволяет развивать новые методы спектроскопии биологических и полупроводниковых образцов [5]. С помощью терагерцового излучения уже показана возможность управления химическими реакциями [6] и манипулировать электронными состояниями в квантовых ямах [7]. Все это свидетельствует о возможности эффективного управления реакционной способностью, и, в конечном счете, характером автоколебательного процесса в химических системах.

В работах [8,9] в качестве объекта исследования влияния ЭМИ рассматривался автоколебательный режим химической реакции. Было показано, что селективное воздействие ЭМИ на частотах в диапазоне 40-60 ГГц изменяет характер протекания автоколебательных химических реакций. Авторы обнаружили уменьшение длины концентрационных волн и связали это с ускорением реакции и, в частности, с ускорением процесса восстановления окисленной формы катализатора. Однако следует заметить, что мощность используемого генератора составляла 6-8 мВт, и в ходе эксперимента мог регистрироваться эффект теплового воздействия излучения на реактивную среду. Для выявления механизма действия ТГц волн на физические среды и химические реакции желательно исключить влияние тепловых эффектов.

Атмосферный кислород имеет несколько зон поглощения электромагнитного излучения [3], одна из них, например, на частоте 129 ГГц. Можно предположить, что эффект влияния электромагнитного излучения на характер протекания химической реакции будет больше, если частота воздействия будет находиться в области максимума интенсивности излучения и поглощения. Кроме того, существует теория, объясняющая влияние ТГц на физические среды и биологические объекты, в основе которой находится именно опосредованное влияние ЭМИ на газы метаболиты, стартовые молекулы и т.п. на частотах, характерных для максимальной интенсивности поглощения и излучения.

Был проведен анализ известных автоколебательных режимов с выбором в качестве основного критерия потребности химического процесса реакции в кислороде О2. Выбор был остановлен на реакции Бриггса - Раушера, основанной на проявлении двойственной роли H2O2 (перекись водорода) как окислителя и восстановителя [10].

В 1972 году Бриггс и Раушер (Briggs T.S., Rauscher W.C.) впервые сообщили о новом химическом осцилляторе, названном «иодными часами». Основными стадиями автоколебательного режима реакции Бриггса-Раушера являются:

1) IO3+H2O2+H+→ HIO2+O2+H2O,

2) IO3-+HIO2+H+ ←→ 2IO2+H2O,

3) HIO2+H2O2 →  HIO+O2+H2O,

4) IO2+Mn2++ H2O ←→ HIO2+Mn(OH)2+,

5) 2HIO+H2O2→ 2I-+4O2+4H+,

6) 4Mn(OH)2++ I-+2H+ ←→ I+4Mn2++ H2O,

7) HIO+ I-+H ←→ I2+ H2O,

8) 2HIO2→ IO3-+HIO+H+,

9) RH ←→ enol,

10) HIO + enol →RI + H2O,

11) I2 + enol→  RI + I-+ H+.

Видно, что молекулярный кислород присутствует в реакции в основном в соединении с водородом (перекись водорода H2O2). Известно, что молекулы перекиси водорода сильно полярны [10], что приводит к возникновению водородных связей между ними. H2O2 — неустойчивое соединение, которое легко разлагается на компоненты:

2H2O2 → 2H2O + O2.

Следует отметить, что перекись водорода относится к реактивным формам кислорода благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне. Все это позволяет предположить ключевую роль кислорода в реакции Бриггса-Раушера.

Также необходимо отметить, что третья и пятая стадия реакции имеют продуктом молекулярный кислород О2, который может кавитировать и адсорбироваться на стенках химической посуды.

Цель

Целью работы явилось исследование влияния электромагнитного излучения на характер протекания атоколебательной химической реакции Бриггса-Раушера на частотах, характерных для максимальной интенсивности поглощения и излучения атмосферного кислорода.

Материал и методы

Для воспроизведения химической реакции Бриггса-Раушера подготавливались три раствора [11]:

1) 100 мл раствора 30 % перекиси водорода в мерной колбе, доведенного по объёму до 250 мл дистиллированной водой;

2) 1,1 мл концентрированной H2SO4, смешанной с 50 мл воды, растворенной в этом растворе 3,52 г йодноватой кислоты, доведенной до 250 мл дистиллированной водой;

3) растворенного при нагреве в 20 мл дистиллированной воды 0,08 г крахмала, 3,9 г малоновой кислоты (CH2(COOH)2) и 0,85 г сульфата марганца (II), после охлаждения доведенного добавлением дистиллированной воды в мерную колбу до объёма 100 мл.

После приготовления растворов их смешали в одной химической посуде и разделили в 2 одинаковые колбы по 20 мл, для точного разделения объемов использовали автоматические пипетки.

Для регистрации изменений в характере протекания реакции использовали схему экспериментальной установки, показанную на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Равно разделенный раствор реакции помещали в две колбы 1а (облученная) и 1б (контрольная), которые были разделены электромагнитным экраном 2 рис.1. С помощью видеокамеры 3 Sony HDR-220E производили видеорегистрацию в оптическом диапазоне хода автоколебательной реакции. Данные в режиме реального времени поступали через порт USB в компьютер 4, где с помощью программной обработки производили запись видеокадров, обработку и вывод результатов. Перед анализом серии видеокадров проводили калибровку баланса белого цвета каждого кадра. Затем при помощи программ для обработки фотографий проводили определение суммарного вклада R,G и B компонент цвета для среды реакции.

Колбу 1а облучали с использованием генератора на диоде Ганна 5 электромагнитных колебаний, работающего на частотах первой зоны поглощения атмосферного кислорода (129 ГГц). Мощность генератора составляла 100 мкВт, при помощи рупора 6 был сформирован пучок электромагнитных волн, полностью охватывающих исследуемую среду. Плотность мощности в области нахождения колбы с раствором составляла 0,012 мВт/см2. Режим генерации – непрерывный.

Поскольку реакция Бриггса-Раушера сопровождается выделением кислорода, то окончание автоколебательного режима в нашем случае наступало уже через 180 секунд. В связи с этим экспериментальный материал представлял собой серию видеофайлов по 180 секунд, содержащих по 6300 видеокадров протекания автоколебательной химической реакции.

Результаты

В ходе обработки полученных данных особое внимание было уделено ряду аспектов и артефактов: 1) количество адсорбированных пузырей; 2) диаметр адсорбированных пузырей в растворе; 3) время окончании реакции (полное затемнение раствора и отсутствие автоколебаний); 4) изменение характера автоколебательного режима (интенсивность затемнения раствора, период колебаний). На рисунке 2 представлены результаты для облученной колбы и необлученной.

Обсуждение

На рисунке 2 (а) представлена динамика диаметра пузырей, адсорбированных на стенке стеклянной колбы из раствора реакции. Из рисунка видно, что при наличии облучения диаметр пузырей возрастает к окончанию автоколебательного режима в два раза. Это, в свою очередь, может свидетельствовать об изменении реакционной способности кислорода и увеличении его диффузионной способности. В конечном счете, это приводит к интенсификации кавитации кислорода в среде реакции, его адсорбции на стенках, слипанию пузырей.

Рис.2. (а) Зависимость диаметра воздушных пузырей от времени

(б) Зависимость количества пузырей на передней стенке колбы от времени

На рисунке 2 (б) представлена зависимость количества пузырей от времени. Видно, что количество пузырей становится меньше к концу автоколебательного режима, вследствие их объединения.

Однако в случае облученной колбы пузыри сохраняются на более длительном промежутке времени, кроме того, зависимость имеет выраженное смещение максимума в сторону большего времени по сравнению с необлученной. Эффект пролонгации времени реакции более четко наблюдается при анализе характера колебаний реакции в случае облучения, рис. 3.

Рис.3. Зависимость суммарного вклада R,G и B компонент среды реакции (ось ординат в относительных единицах) от времени (секунды) для облученной (кривая 129ГГц) и контрольной колбы (кривая К). Кривые усреднения выделенные жирно

Заключение

Из результатов, приведенных на рисунке 3, видно, что время окончания реакции, в случае воздействия электромагнитным излучением, увеличивается на 1 минуту (>20%) по сравнению с необлученной колбой. Возможным механизмом, объясняющим такое поведение, является увеличение числа молекул растворенного кислорода в среде реакции, способного к химическому взаимодействию [4,3]. Наиболее вероятно, что кислород в среде появляется при разрушении водородных связей перекиси водорода на 3 и 5 стадиях реакции Бриггса-Раушера. В пользу этого говорит и тот факт, что после того как раствор полностью стал непрозрачным (отсутствие автоколебательного режима) на поверхности облученной колбы продолжался процесс кавитации. Следует отметить, что воздействие электромагнитного излучения с момента начала появления осцилляций или с момента соединения трех растворов реакции не приводило к изменению эффекта пролонгации.

Таким образом, показано, что внешнее воздействие электромагнитного излучения на частоте линии спектра поглощения атмосферного кислорода на автоколебательную реакцию Бриггса-Раушера приводит к пролонгации времени реакции вследствие интенсификации процесса выделения кислорода. В конечном счете, это может являться основой для создания теории, объясняющей механизм опосредованного воздействия низкоинтенсивного ТГц излучения на биообъекты.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-1382.2012.4

Литература

  1. Усанов Д.А., Майбородин А.В., Рытик А.П. и др. Воздействие излучения терагерцового диапазона частот на функциональное состояние дафнии // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2005. № 8. с. 54.
  2. Бецкий О.В., Кислов В.В., Лебедева Н.Н. Миллиметровые волны и живые системы.– М.: Сайнс-Пресс, 2004. 272 с.
  3. Бецкий О.В., Майбородин А.В., Тупикин В.Д. и др. Биофизические эффекты волн терагерцового диапазона и перспективы развития новых направления в биомедицинской технологии: «Терагерцовая терапия» и «Терагерцовая диагностика» // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003. № 12. С.3.
  4. Поцелуева М.М., Пустовидко А.В., Евдотиенко Ю.В. и др. Образование реактивных форм кислорода в водных растворах под действием электромагнитного излучения КВЧ-диапазона // Доклады академии наук. 1998. т.359. №3. с.415.
  5. Huber R. et al. // Nature. 2001. №414, p.286.
  6. Dudovich N. et al. // Nature. 2002. №418, p.512.
  7. Cole B.E. et al., Nature, 2001, №410, p.60.
  8. Коваленко А.С., Тихонова Л.П. Сложные колебательные режимы и их эволюция в реакции Белоусова-Жаботинского // Ж. физ. химии. 1989. Т.63. №1. С.71.
  9. Коваленко А.С., Тихонова Л.П., Яцимирский К.Б. Влияние молекулярного кислорода на концентрационные автоколебания и автоволны в реакциях Белоусова-Жаботинского // Теор. и экспер. химия. 1988. Т.24. №6. С.661.
  10. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия — М.: Высшая школа, 2001, 560с.
  11. Briggs T.S., Rauscher W.C. An oscillating iodine clock. J. Chem. Educ., 1973, V.50, №7, P.496

Таблицы

Рисунки

<p> Рис. 1. Схема экспериментальной установки</p>
<p> Рис.2. (а) Зависимость диаметра воздушных пузырей от времени (б) Зависимость количества пузырей на передней стенке колбы от времени</p>
<p> Рис.3. Зависимость суммарного вклада R,G и B компонент среды реакции (ось ординат в относительных единицах) от времени (секунды) для облученной (кривая 129ГГц) и контрольной колбы (кривая К). Кривые усреднения выделены жирно</p>
5
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 голос)



Оптимальный хостинг для Drupal, Wordpress, Joomla, Битрикс и других CMS, быстрые и надежные сервера, круглосуточная техподдержка Яндекс.Метрика