Порівняльний аналіз температурної залежності адіабатичних термодинамічних коефіцієнтів для H2O, H2O2, Ar у стані рідини
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.2.99Ключові слова:
вода, аргон, перекис водню, адiабатичний коефiцiєнт стисливостi, швидкiсть звуку, водневi зв’язкиАнотація
Проведено порiвняння температурних залежностей адiабатичних термодинамiчних коефiцiєнтiв води, у якiй за певних умов утворюється сiтка водневих зв’язкiв, з вiдповiдними залежностями для перекису водню, в якому iснують водневi зв’язки, але сiтка водневих зв’язкiв не утворюється, та з аргоном, в якому водневi зв’язки взагалi вiдсутнi. Особливi температурнi залежностi адiабатичних термодинамiчних коефiцiєнтiв води, на нашу думку, пов’язанi з iснуванням у водi за певних умов сiтки водневих зв’язкiв, якi утворюються двома динамiчними структурами (LWD та HDW фази), що зумовлює iєрархiю аномальних властивостей води у широкому iнтервалi температур. Крiм того, показано, що сiтка водневих зв’язкiв суттєво впливає на характер температурних залежностей швидкостi поширення звуку, яка пов’язана iз адiабатичним коефiцiєнтом стисливостi рiдини.
Посилання
1. L.G.M. Pettersson. A two-state picture of water and the funnel of life. In: Modern Problems of the Physics of Liquid Systems. PLMMP 2018. Edited by L. Bulavin, L. Xu (Springer, 2019), p. 3.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-21755-6_1
2. M. F. Chaplin. Structure and properties of water in its various states. In: Encyclopedia of Water: Science, Technology, and Society. Edited by P.A. Maurice (Wiley, 2019), p. 1.
https://doi.org/10.1002/9781119300762.wsts0002
3. A. Oleinikova, L. Bulavin, V. Pipich. Critical anomaly of shear viscosity in a mixture with an ionic impurity. Chem. Phys. Lett. 278, 121 (1997).
https://doi.org/10.1016/S0009-2614(97)00945-7
4. V.F. Korolovych, A. Erwin, A. Stryutsky, H. Lee, W.T. Heller, V.V. Shevchenko, L.A. Bulavin, V.V. Tsukruk. Thermally responsive hyperbranched poly(ionic liquid)s. Assemb. Phase Transform. Macromol. 51, 4923 (2018).
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b00845
5. I. Safarik, J. Prochazkova, M.A. Schroer, V.M. Garamus, P. Kopcansky; M. Timko, M. Rajnak, M. Karpets, O.I. Ivankov, M.V. Avdeev, V.I. Petrenko, L. Bulavin, K. Pospiskova. Cotton textile/iron oxide nanozyme composites with peroxidase-like activity: Preparation, characterization, and application. ACS Appl. Mater. Interfac. 13, 23627 (2021).
https://doi.org/10.1021/acsami.1c02154
6. L.A. Bulavin, V.F. Chekhun, A.A. Vasilkevich, V.I. Kovalchuk, V.T. Krotenko, V.I. Slisenko, V.P. Trindyak, K.A. Chalyy, S.D. Galyant. Neutron investigations of self-diffusion of water molecules in plasmatic membranes. J. Phys. Stud. 8, 334 (2004).
https://doi.org/10.30970/jps.08.334
7. K.A. Chalyy, L.A. Bulavin, V.F. Chekhun, A.V. Chalyi, Y.V. Tsekhmister, L.M. Chernenko. Fundamentals and medical applications of neutron and light spectroscopy of confined liquids. IFMBE Proc. 25, N 13, 197 (2009).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-03895-2_57
8. J.R. Errington, P.G. Debenedetti. Relationship between structural order and the anomalies of liquid water. Nature 409, 318 (2001).
https://doi.org/10.1038/35053024
9. G. Venktaramana, E. Rajagopal, N. Manohara Murthy. Studies on the effect of chlorides of magnesium, calcium, strontium and barium on the temperature of the sound velocity maximum of water. J. Mol. Liq. 123, 68 (2006).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2005.02.008
10. L.N. Dzhavadov, V.V. Brazhkin, Y.D. Fomin, V.N. Ryzhov, E.N. Tsiok. Experimental study of water thermodynamics up to 1.2 GPa and 473 K. J. Chem. Phys. 152, 154501 (2020).
https://doi.org/10.1063/5.0002720
11. R.C. Dougherty, L.N. Howard. Equilibrium structural model of liquid water: Evidence from heat capacity, spectra, density, and other properties. J. Chem. Phys. 109, 7379 (1998).
https://doi.org/10.1063/1.477344
12. P. Gallo, K. Amann-Winkel, Ch.A. Angell, M.A. Anisimov, F. Caupin, Ch. Chakravarty, E. Lascaris, T. Loerting, A.Z. Panagiotopoulos, J. Russo, J.A. Sellberg, H.E. Stanley, H. Tanaka, C. Vega, L. Xu, L.G.M. Pettersson. Water: A tale of two liquids. Chem. Rev. 116, 7463 (2016).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00750
13. L.A. Bulavin , E.G. Rudnikov. Temperature and pressure effect on the thermodynamics coefficient (∂V/∂T)P of water. Ukr. J. Phys. 68, 122 (2023).
https://doi.org/10.15407/ujpe68.2.122
14. L.A. Bulavin, E.G. Rudnikov. The influence of the temperature and chemical potential on the thermodynamic coefficient − (∂V/∂P)T of water. Ukr. J. Phys. 68, 390 (2023).
https://doi.org/10.15407/ujpe68.6.390
15. V. Holten, M.A. Anisimov. Entropy-driven liquid-liquid separation in supercooled water. Sci. Rep. 2, 713 (2012).
https://doi.org/10.1038/srep00713
16. V. Holten, J.C. Palmer, P.H. Poole, P.G. Debenedetti, M.A. Anisimov. Two-state thermodynamics of the ST2 model for supercooled water. J. Chem. Phys. 140, 104502 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4867287
17. L.D. Landau, E.M. Lifshitz. Statistical Physics. Course of Theoretical Physics. Vol. 5 (Elsevier, 1980).
18. L.A. Bulavin, T.V. Lokotosh, N.P. Malomuzh. Role of the collective selfdiffusion in water and other liquids. J. Mol. Liq. 137, 1 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2007.05.003
19. P.A. Gigu'ere, Hung Chen. Hydrogen bonding in hydrogen peroxide and water. A Raman study of the liquid state. J. Raman Spectrosc. 15, 199 (1984).
https://doi.org/10.1002/jrs.1250150313
20. I.I. Novikov. Thermodynamic similarity and prediction of the properties and characteristics of substances and processes. J. Eng. Phys. Fundam. Thermodyn. 53, 1227 (1987).
https://doi.org/10.1007/BF00871080
21. H.W. Xiang. The Corresponding-States Principle and Its Practice. Thermodynamic, Transport and Surface Properties of Fluids (Elsevier Science, 2005) [ISBN: 0444520627].
https://doi.org/10.1016/B978-044452062-3/50005-1
22. A. Saul, W. Wagner. A fundamental equation for water covering the range from the melting line to 1273 K at pressures up to 25000 MPa. J. Phys. Chem. Ref. Data 18, 1537 (1989).
https://doi.org/10.1063/1.555836
23. W. Wagner, A. Pruss. The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use. J. Phys. Chem. Ref. Data 31, 387 (2002).
https://doi.org/10.1063/1.1461829
24. O. Kunz, R. Klimeck, W. Wagner, M. Jaeschke. The GERG-2004 Wide-Range Equation of State for Natural Gases and Other Mixtures (Fortschritt-Berichte VDI, 2007).
25. O. Maass, P.G. Hiebert. The properties of pure hydrogen peroxide. V. Vapor pressure. J. Am. Chem. Soc. 46, 2693 (1924).
https://doi.org/10.1021/ja01677a012
26. A.C. Cuthbertson, G.L. Matheson, O. Maass. The freezing point and density of pure hydrogen peroxide. J. Am. Chem. Soc. 50, 1120 (1928).
https://doi.org/10.1021/ja01391a504
27. E.D. Nikitin, P.A. Pavlov, A.P. Popov, H.E. Nikitina. Critical properties of hydrogen peroxide determined from direct measurements. J. Chem. Thermodyn. 27, 945 (1995).
https://doi.org/10.1006/jcht.1995.0100
28. B.A. Younglove. Thermophysical properties of fluids. I. Argon, ethylene, parahydrogen, nitrogen, nitrogen trifluoride, and oxygen. J. Phys. Chem. Ref. Data 11, 1 (1982) [ISBN: 088318415X].
29. R.B. Stewart, R.T. Jacobsen. Thermodynamic properties of argon from the triple point to 1200 K at pressures to 1000 MPa. J. Phys. Chem. Ref. Data 18, 639 (1989).
https://doi.org/10.1063/1.555829
30. Ch. Tegeler, R. Span, W. Wagner. A new equation of state for argon covering the fluid region for temperatures from the melting line to 700 K at pressures up to 1000 MPa. J. Phys. Chem. Ref. Data 28, 779 (1999).
https://doi.org/10.1063/1.556037
31. C. Yaws. Thermophysical Properties of Chemicals and Hydrocarbons. Second Edition (Gulf Professional Publishing, 2014).
32. M.Z. Southard, D.W. Green. Perry's Chemical Engineers' Handbook (Mcgraw-Hill Education, 2019).
33. SRD69 Database, Thermophysical Properties of Fluid Systems, Peter Linstrom (2017), NIST Chemistry WebBook - SRD 69 (National Institute of Standards and Technology, 2017); accessed 2023-04-20, https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid.
34. MiniRefprop Database, NIST. https://trc.nist.gov/refprop/MINIREF/MINIREF.HTM.
35. I.H. Bell, J. Wronski, S. Quoilin, V. Lemort. Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp. Ind. Eng. Chem. Res. 53, 2498 (2014).
https://doi.org/10.1021/ie4033999
36. Refprop Database, NIST. https://www.nist.gov/programs-projects/reference-fluid-thermodynamic-andtransport-properties-database-refprop.
37. ThermodataEngine Database, NIST. https://trc.nist.gov/tde.html.
38. WTT Database, NIST. https://wtt-pro.nist.gov/wtt-pro/.
39. MOL-Instincts Database, ChemEssen. https://www.molinstincts.com/(0001-iyf6; 0001-ixac).
40. ChemRTP Database, ChemEssen. http://www.chemrtp.com/ (XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N; MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N).
41. J. Teixeira, M.-C. Bellissent-Funel, S.-H. Chen, J. Dianoux. Experimental determination of the nature of diffusive motions of water molecules at low temperatures. Phys. Rev. A 31, 1913 (1985).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.31.1913
42. J. Teixeira, J.-M. Zanotti, M.-C. Bellissent-Funel, S.-H. Chen. Water in confined geometries. Physica B 234-236, 370 (1997).
https://doi.org/10.1016/S0921-4526(96)00991-X
43. J. Russo, H. Tanaka. Understanding water's anomalies with locally favoured structures. Nat. Commun. 5, 3556 (2014).
https://doi.org/10.1038/ncomms4556
44. A. Nilsson, L.G.M. Pettersson. The structural origin of anomalous properties of liquid water. Nat. Commun. 6 (1), 8998 (2015).
https://doi.org/10.1038/ncomms9998
45. R. Shi, H. Tanaka. Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. J. Am. Chem. Soc. 142, 2868 (2020).
https://doi.org/10.1021/jacs.9b11211
46. A. Kholmanskiy, N. Zaytseva. Physically adequate approximations for abnormal temperature dependences of water characteristics. J. Mol. Liq. 275, 741 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.11.059
47. A Kholmanskiy. Hydrogen bonds and dynamics of liquid water and alcohols. J. Mol. Liq. 325, 115237 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.115237
48. T. Seki, K.-Y. Chiang, C.-C. Yu, X. Yu, M. Okuno, J. Hunger, Y. Nagata, M. Bonn. The bending mode of water: A powerful probe for hydrogen bond structure of aqueous systems. J. Phys. Chem. Lett. 11, 8459 (2020).
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01259
49. H. Zhao, Y. Tan, L. Zhang, R. Zhang, M. Shalaby, C. Zhang, Y. Zhao, X.-Ch. Zhang. Ultrafast hydrogen bond dynamics of liquid water revealed by terahertz-induced transient birefringence. Light Sci. Appl. 9, 136 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00370-z
50. J. Yang, R. Dettori, J.P.F. Nunes, N.H. List, E. Biasin, M. Centurion, Zh. Chen, A.A. Cordones, D.P. Deponte, T.F. Heinz, M.E. Kozina, K. Ledbetter, M.-Fu Lin, A.M. Lindenberg, M. Mo, A. Nilsson, X. Shen, T.J.A. Wolf, D. Donadio, K.J. Gaffney, T.J. Martinez, X. Wang. Direct
observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03793-9
51. Z.A. Piskulich, D. Laage, W.H. Thompson. Activation energies and the extended jump model: How temperature affects reorientation and hydrogen-bond exchange dynamics in water. J. Chem. Phys. 153, 074110 (2020).
https://doi.org/10.1063/5.0020015
52. Y. Marcus. Volumes of aqueous hydrogen and hydroxide ions at 0 to 200 ∘C. J. Chem. Phys. 137, 154501 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.4758071
53. N.P. Malomuzh, O. Khorolskyi. Structure and properties of the hydroxonium ion. Chem. Phys. Lett. 858, 141743 (2025).
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2024.141743
54. L.A. Bulavin, E.G. Rudnikov, A.V. Chalyi. Thermodynamic anomalies of water near its singular temperature of 42 ∘C. J. Mol. Liq. 389, 122849 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122849
55. L.A. Bulavin, A.I. Fisenko, N.P. Malomuzh. Surprising properties of the kinematic shear viscosity of water. Chem. Phys. Lett. 453, 183 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.01.028
56. M.M. Lazarenko, O.M. Alekseev, S.G. Nedilko, A.O. Sobchuk, V.I. Kovalchuk, S.V. Gryn, V.P. Scherbatskyi, S.Yu. Tkachev, D.A. Andrusenko, E.G. Rudnikov, A.V. Brytan, K.S. Yablochkova, E.A. Lysenkov, R.V. Dinzhos, S. Thomas, T. Rose Abraham. Impact of the alkali metals ions on the dielectric relaxation and phase transitions in water solutions of the hydroxypropylcellulose. In: Nanoelectronics, Nanooptics, Nanochemistry and Nanobiotechnology, and Their Applications. NANO 2022 (Springer, 2022), p. 37.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-42708-4_3
57. L.A. Bulavin, N.P. Malomuzh, O.V. Khorolskyi. Temperature and concentration dependences of pH in aqueous NaCl solutions with dissolved atmospheric CO2. Ukr. J. Phys. 67, 833 (2022).
58. O. Khorolskyi, A. Kryvoruchko. Non-trivial behavior of the acid-base balance of pure water near the temperature of its dynamic phase transition. Ukr. J. Phys. 66, 972 (2021).
https://doi.org/10.15407/ujpe66.11.972
59. N.K. Alphonse, S.R. Dillon, R.C. Dougherty, D.K. Galligan, L.N. Howard. Direct Raman evidence for a weak continuous phase transition in liquid water. J. Phys. Chem. A 110, 7577 (2006).
https://doi.org/10.1021/jp062009e
60. Chun-Yang Yu, Zhong-Zhi Yang. A systemic investigation of hydrogen peroxide clusters (H2O2)n (n = 1-6) and liquid-state hydrogen peroxide: Based on atom-bond electronegativity equalization method fused into molecular mechanics and molecular dynamics. J. Phys. Chem. A 115, 2615 (2011).
https://doi.org/10.1021/jp111284t
61. C. Parida, S. Chowdhuri. Effects of hydrogen peroxide on the hydrogen bonding structure and dynamics of water and its influence on the aqueous solvation of insulin monomer. J. Phys. Chem. B 127, 10814 (2023).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c05107
62. S.C. Abrahams, R.L. Collin, W.N. Lipscomb. The crystal structure of hydrogen peroxide. Acta Cryst. 4, 15 (1951).
https://doi.org/10.1107/S0365110X51000039
63. M. Seidl, A. Fayter, J.N. Stern, K. Amann-Winkel, M. Bauer, T. Loerting. High-performance dilatometry under extreme conditions. Proc. 6th Zwick Academia Day (2015) (Zwick GmbH & Co. KG, 2015).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
