Введение к работе
Актуальность темы исследования. Неравновесная граница раздела фаз
раствор-воздух характеризуется многими необычными физико-химическими
свойствами. В частности, экспериментально обнаружена и к настоящему
времени хорошо изучена так называемая холодная пленка океана - тонкий
поверхностный слой (ТПС) на границе раздела океан-атмосфера,
характеризующийся пониженной температурой и повышенной соленостью по
сравнению с объемной фазой морской воды. Многочисленные теоретические
модели с разной степенью точности описывают распределение температуры и
солености в ТПС, однако ни одна из них не объясняет наблюдаемых эффектов
фракционирования ионов: в неравновесных условиях ТПС обогащается
ионами калия и кальция по сравнению с объемной фазой раствора, в то время
как модели предсказывают обеднение ТПС этими ионами.
При экспериментальном исследовании распределения энантиомеров
аминокислот и Сахаров в ТПС ранее были получены данные об относительном
обогащении ТПС одним из энантиомеров этих хиральных соединений. Однако
в одних экспериментах была слишком велика ошибка измерений, в других
нельзя было определить, какой именно энантиомер накапливается в ТПС.
Ответы на вопросы о механизмах фракционирования веществ в ТПС и
величине эффектов имеют принципиальное значение для развития гипотезы о
происхождении предшественников клеток в ходе геохимической эволюции на
границе раздела океан-атмосфера. В частности, они позволят решить проблему
возникновения ионной и хиральной асимметрии живых клеток. Кроме того,
они необходимы для прогнозирования распространения антропогенных
загрязнений в различных экосистемах, поскольку процессы тепломассообмена
между океаном и атмосферой носят глобальный характер. Последнее имеет
существенное значение для развития системы экологической безопасности, в
которой появляется новый аспект - хиральная безопасность, связанная с
антропогенным загрязнением биосферы несвойственными ей хиральными
соединениями - продуктами и отходами ] аз^п^Іьт^о<^46ЛІЙІпРомьшіленности.
С. Петербург О/)/"»
08 wfvdC/fc 1
Отсутствие мониторинга и системы прогнозирования распространения и эффектов хиральных загрязнений может привести к новому экологическому кризису с непредсказуемыми последствиями.
Цель я задачи работы. Целью данной работы было экспериментальное и теоретическое изучение распределения ионов Na+ и К+ и хиральных органических молекул в ТПС растворов в модельных системах.
В ходе работы были поставлены следующие задачи.
Разработка лабораторной экспериментальной установки для отбора проб тонкого поверхностного слоя раствора при различных термодинамических условиях на границе раздела раствор-воздух.
Исследование перераспределения энантиомеров аминокислот между ТПС и объемной фазой раствора и влияния на него ионов К+ и Na+.
Построение феноменологической модели обогащения ТПС тяжелыми ионами.
Модернизация установки для исследования электрической устойчивости поверхности раствора в сильных неоднородных электрических полях.
Исследование зависимости электрической устойчивости поверхности раствора от его ионного состава
Научная новизна работы. Разработана новая экспериментальная методика сбора образцов ТПС с помощью пенообразования.
Впервые экспериментально показано, что фракционирование стереоизомеров хирального соединения - лейцина - в ТПС коррелирует с фракционированием ионов калия по отношению к ионам натрия.
Впервые экспериментально исследована зависимость устойчивости границы раздела фаз раствор-воздух в сильном неоднородном электрическом поле от концентрации раствора. Обнаружено существенное отклонение характеристик пробоя от закона Пашена.
Впервые экспериментально показано, что устойчивость границы раздела
фаз раствор-воздух зависит не только от ионной силы раствора, но и от состава. При этом эффекты ионов натрия и калия имеют антибатный характер.
Предложена феноменологическая модель процессов в ТПС, позволяющая качественно описать фракционирование ионов.
Практическая ценность работы. Разработанные экспериментальные подходы и методики могут быть использованы для анализа фракционирования веществ в натурных условиях при определении характеристик распространения антропогенных загрязнений. Методики сбора образцов ТПС с помощью пенообразования, а также исследования электрической устойчивости поверхности раздела раствор-воздух могут быть использованы в экологических исследованиях для мониторинга загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами и хиральными соединениями.
Основные положения, выносимые на защиту
-
В тонком поверхностном слое (ТПС) раствора на границе раздела с воздухом в неравновесных условиях происходят процессы, приводящие к перераспределению ионов и энантиомеров хиральных соединений между этим слоем и объемной фазой раствора.
-
Перераспределение энантиомеров хиральных соединений между ТПС и объемной фазой раствора зависит от ионного состава раствора.
3. Устойчивость границы раздела фаз раствор-воздух в сильном
неоднородном электрическом поле зависит не только от ионной силы раствора,
но и от его ионного состава.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследования были представлены на следующих конференциях: V ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ, Москва, 12-14 декабря 2005 г. Ломоносовские чтения, подсекция №4, 17.04.2006,. Физический ф-т МГУ, Москва.
По результатам диссертации опубликовано 3 печатные роботы, 1 статья принята к печати.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 123 страницах и содержит 34 рисунков и 7 таблиц, список литературы содержит 116 библиографических ссылок.
