§5. Структурная температура и растворимость солей

Рассмотрим влияние ионов основных солей морской воды на ее структурные свойства. При взаимодействии ионов с молекулами воды образуется гидратная оболочка (рис.2). Она состоит из внутреннего и внешнего слоев, окруженных обычной (объемной) водой. Во внутреннем слое молекулы воды менее подвижны, чем в чистой воде. Следующий слой (слой В), находящийся между "кристаллизационной" и объемной водой, считается максимально разупорядоченным. Предполагается, что специфические свойства водных растворов обусловлены поведением этого промежуточного слоя.

Различный характер гидратации подтверждается методом ядерного магнитного резонанса. Так, с помощью этого метода изучено влияние основных солей морской воды на ее структурные особенности. По мнению авторов [7], соли NaCl, МgSO₄, MgCl₂, MgCl₂, CaCl₂, NaHCO₃ и NaBr упрочняют структуру воды, а соль KCl, наоборот, разупрочняет ее. Приращение времени спин-решеточной релаксации (Т₁) на моль растворенного вещества для солей NaCl, МgSO₄, MgCl₂, CaCl₂, KCl, NaHCO₃ и NaBr соответственно равно –0.13;–2.56, –1.37, –0.37, +0.37, –0.72 и –0.10 с. Время спин-решеточной релаксации чистой воды при 21С равно 3,17 с [7]. Значения времени ядерной спин-решеточной релаксации чистой воды в зависимости от температуры приведены в табл. 4.

Таблица 4

Время ядерной спин-решеточной релаксации воды т1 при 21 с

t, С	Т1, с		t, С	Т1, с
	[8]	[9]		[8]	[9]
0	1.59	1.672	55	6.78	
5	1.88		60	7.19	7.19
10	2.20	2.34	65	7.36	
15	2.55		70	7.91	
20	2.95	3.11	75	8.49	
25	3.37		80	9.10	9.79
30	3.82	3.99	85	9.70	
35	4.30		90	10.30	
40	4.76	4.96	95	10.95	
45	5.27		100	11.55	12.70
50	5.77				

Сравнение величин Т₁, наблюдающихся при растворении солей, с данными табл. 4 показывает, что соли, уменьшающие время Т₁ (Т₁ < 0), соответственно уменьшают и подвижность молекул воды, так как они действуют на воду так же, как и уменьшение температуры воды; введение соли KCl действует на воду так же, как и увеличение температуры, т. е. соль KCl увеличивает подвижность молекул воды.

Суммарный эффект воздействия температуры и солей выражается понятием "структурная температура" раствора, введенным Берналом и Фаулером. Физический смысл этого термина состоит в том, что при определенной температуре раствора структура воды в нем (по какому-нибудь свойству) будет аналогична структуре чистой воды. Величина структурной температуры морской воды зависит от суммарного эффекта гидратации растворенных ионов. Уменьшение времени спин-решеточной релаксации прямо пропорционально солености воды (рис. 3) [7]. Из рисунка следует, что переход от дистиллированной воды к морской с соленостью 35 ‰ при 21 С приводит к уменьшению времени Т₁ на (0.170.19) с, т. е. Т₁ = –(0.170.19) с.

Рис. 3. Зависимость времени спин-решеточной релаксации от солености морской воды

Как видно из табл. 4, увеличение температуры дистиллированной воды от 15 до 25 С приводит к увеличению времени спин-решеточной релаксации от 2.55 до 3.37 с (среднее значение Т₁/t для приведенного интервала равно +0.082 с/К). Разделив величину уменьшения Т₁ = –(0.170.19) с на +0.082 с/К, получим t = –(2.072.32) К. Следовательно, увеличение солености от 0 до 35 ‰ равнозначно уменьшению температуры дистиллированной воды примерно на 2. Это означает, что структурная температура морской воды при S = 35 ‰ около 2 . Данное значение структурной температуры совпадает с понижением температуры замерзания морской воды при солености 35 ‰. Следовательно, изменения температуры замерзания, растворимости в морской воде неполярных газов и времени спин-решеточной релаксации взаимосвязаны, т. е. имеют общий механизм. Это означает, что методом ядерного магнитного резонанса можно определять растворимость и температуру замерзания растворов.