淺析淺川效應的產生機理

摘 要：1976年，日本人淺川勇吉發現淺川效應，即水在高壓電場的作用下，蒸發速度會顯著加快，而撤去電場后，其蒸發速度反而比正常情況下還慢，同時還伴隨著水的表面張力變化等奇特現象。自發現以來，人們一直沒有提出合理的理論來解釋這一現象。為此提出了“水分子間氫鍵的破壞與重組”的觀點，根據該觀點，淺川效應的各種現象能得到很好的解釋，具有普適性和科學合理性。

關鍵詞：淺川效應 氫鍵 表面張力 極性分子

中圖分類號：TQ028文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0072-02

1 淺川效應簡介1

把水放在幾千伏的高壓電場中，電場能夠顯著地促進水的蒸發，這種現象被人們稱作淺川效應。與自然狀態正常蒸發相比，水在電場作用下的蒸發速度有時可達自然狀態下的10倍。特別令人不可思議的是，如果把在電場中加速蒸發過的水撤出電場，讓它自然蒸發，蒸發速度并不恢復到自然狀態，而是比普通水在相同狀態下的蒸發速度還要慢。我們做這樣一個實驗，在燒杯中加入150ml水，離水面21mm處安放一個小球狀的高壓電極，高壓電源的另一電極接地；在燒杯下面墊一塊金屬，并用導線接地（如圖1）。應注意的是一定要將水置于高壓電極和接地電極產生的電場中，不要放在高壓電源電極間的電場。

中。實驗結果表明：5Kv的交流電場處理水時，蒸發速度比普通水在自然子為極性分子。水分子間由于氫鍵的作用，不是以單個H2O存在的，而是彼此可以結合為大的水分子團。液態的水是無數個由36～37個水分子組成的水分子聚團（簇）構成的。在自然情況下，這些水分子聚團大小方向千差萬別。因為水分子中的共用電子對偏向于氧原子，所以氧原子帶部分負電荷，氫原子帶部分正電荷。假設外加足夠大且方向向上的電場時，電場能在物料中產生兩種作用力。

為非均勻電場對物料內部水分子的牽引作用力，

式中為物料的介電常數，為空氣的介電常數，和分別為物料中和空氣中的電場強度。在這種情況下，氫原子受到向上的電場力，氧原子受到向下的電場力。強大的電場力能夠克服氫鍵的束縛，因此，每個水分子就會發生軸心轉動，這時氫原子便在氧原子上方。由于外加電場足夠大，水分子中的共用電子對受到感應電場的電場作用力，克服了氧原子對它的吸引力后就會回到負極中心與正電荷中心的重合點。這樣，水分子的極性就消失了，氫鍵也就被破壞了同時由于非均勻電場對物料表面層的作用力破壞了液體表面層的表面張力。水分子蒸發所需要的能量大大減少，水的蒸發速度大大增加。

洋蔥一起放空氣中，觀察發芽情況。4個月后，沒有處理的洋蔥生根發了芽，而經過處理的則沒生根發芽。如果把沒處理的洋蔥頭浸在電場水中。4個月后，對照組的浸于普通水中的洋蔥生根發了芽，長勢茂盛。而浸于電場水中的洋蔥雖然生了根卻不發芽。可見電場水也有抑制植物發芽的作用。那為什么會出現上述情況呢？原來，水中的分子并不是以單一分子形式存在，而是幾十個結成一個個的分子團。這些大個的分子團不利于人體及植物體的吸收，必須耗費能量將這些分子團“粉碎”成單分子才易被細胞吸收。細胞中的水和一般水不同，是有一定結構的活化水（活化水是只含5～6個水分子的小分子團，水分子團越小，活性越大），這種活化水有利于生物酶的生長6。現在用加溫的方法，隔絕空氣急劇冷卻后便可得到活化水；用電場、磁場或振動的方法也可將普通水變成活化水。經電場處理過的洋蔥放在空氣中，氫鍵會將所有的水分子連成一個整體，所以活化水的含量很低，不利于生物酶的生長，從而抑制了發芽。而把電場處理過的洋蔥頭浸于電場水中，氫鍵就不能形成，提高了活化水的含量，所以促進其發芽。

2 在表面張力不同方面

經高壓電場處理過的水，其表面張力會變大，這是為什么呢？根據本文的觀點，水的表面張力與水質有關，水中若存在雜質，雜質就會插進各水分子間，從而削弱水分子間的吸引力因此水質越純水的表面張力越大。自狀態下的蒸發速度快10倍。直流負極處理水時蒸發速度快3倍，直流正極處理的情況快1.5倍。如果把在電場中加速蒸發過的水撤去電場，放在自然狀態下蒸發，則比普通水在自然狀態下的蒸發速度要慢。而且在電場中蒸發越快的水，撤去電場后蒸發速度越慢。同時，經過處理過的水會有一系列奇特而有趣的現象，例如，其表面張力會顯著增大，而且能夠有效抑制霉菌及藻類的生長，水的溫度也會發生變化。

3 基于“氫鍵的破壞與重組”的新觀點

氫鍵的定義：在探索淺川效應機理之前，我們有必要先了解一下什么是氫鍵。氫鍵就是氫原子與電負性的原子X（X帶部分負電荷，如O、F、N等）共價結合時，共用的電子對強烈地偏向X的一邊。使氫原子帶有部分正電荷，能再與另一個電負性高而半徑較小的原子Y結合，形成X—H┅Y型的鍵。

4 對淺川效應各種現象的解釋

4.1 對蒸發速度加快方面

我們知道，由于氧原子的電負性（電負性是元素的原子在化合物中吸引電子能力的標度。元素電負性數值越大，表示其在化合物中吸引電子的能力越強）較大。氫原子的電子受氧原子的靜電吸引形成水分子間的氫鍵。同時，由于負極中心與正電荷中心不重合，整個水分1.1.2對水蒸發速度變慢方面

那為什么撤去電場后水的蒸發速度會比自然水還要慢呢？當撤去電場后，非均勻電場作用在物料表面層的力對液體表面層的表面張力的破壞消失了。同時，共用電子對受到的電場力也消失了。這時水分子中的共用電子對就會恢復到原來位置，氫鍵就會重新形成。由于所有的水分子的朝向都相同，氫鍵會將所有的水分子連成一個整體。這樣一來，水分子簇的數目就會大大減少，分子簇間的碰撞摩擦就會減少，形成單個水分子的速度就會變慢。因此，此時水的蒸發速度比自然情況下還要慢。

4.2 對霉菌生長的抑制作用方面

由實驗結果可知淺川效應對霉菌生長有抑制作用。那為什么會如此呢？本文認為經電場處理過的水中，所有的水分子都由氫鍵連成一個方向一致的整體，這樣水分子集團間的空隙就會大大減少，水中的含氧量也會減少，而大多數霉菌是需氧型的。同時，霉菌要在這樣的水中運動就必須消耗很多的能量來克服水分子間的氫鍵能。這樣一來，霉菌的生長就受到了抑制。

4.3 對不同極性處理蒸發速度不同方面

那為什么直流負極處理水時蒸發速度快3倍，而直流正極處理水時快1.5倍呢？當用直流負極處理水時，電場方向向上，水分子轉動穩定后氫原子在氧原子上面，這時與空氣接觸的原子個數比直流正極處理時要多一倍。這樣一來表面水分子從空氣中吸收能量時，前者就是后者的兩倍，蒸發速度也就是后者的兩倍，與實驗結果相符。

4.4 對農作物生長的影響方面

實驗表明：將洋蔥頭放在金屬板上并接地，在距洋蔥頭10～20mm處接一點狀電極，高壓電源另一極接地。在電場中處理3分鐘后，與沒處理的然水中含有大量的氣體固體雜質。而經高壓電場處理過的水由于水分子排列變得一致，導致水分子簇間的空隙減少，水中的氣體雜質含量大大減少，水質變純。因此，水的表面張力變大。

5 結語

長期以來，我國的產業結構都處于不合理的狀態，單位GDP能耗是日本的8倍，美國的4倍，印度與韓國的2倍，和我們發展類似的印度其能耗亦遠遠低于我們，我們應為此感到羞愧。因此，發展低碳經濟，走可持續發展的道路已經成為歷史發展的潮流。同時，科學發展觀也指出：要統籌人和自然和諧發展、統籌經濟社會發展。所以研究“淺川效應”的機理是十分必要的。同時應充分利用“淺川效應”低能耗、無污染、效率高的優勢，淘汰落后產能，為我國的經濟發展及節能減排作出應有的貢獻。

參考文獻

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