Самое необыкновенное вещество

Вода

I. ЧТО ТАКОЕ ВОДА?

Такой вопрос может показаться не только странным, но и немного невеж­ливым. Кто же этого может не знать? Всякий знает, что вода — это соединение водорода и кислорода. Ее всем известная формула: H2O.

Разберемся, прежде всего, в этой фор­муле.

Сколько существует различных водородов?

И. В. ПЕТРЯНОВВ природе существуют три различных водорода — три изотопа. Самый легкий — Н1. Химики часто называют его протием.

Водород в «обычной» воде почти нацело состоит из протия. Кроме него во всякой воде есть тяжелый водород — дейтерий Н2, его чаще обозначают символом D. Дейте­рия в воде очень мало. На каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия. Не следует ду­мать, что это так уж мало. В природе часто малые причины вызывают большие послед­ствия. Кроме протия и дейтерия, существу­ет еще сверхтяжелый водород Н3. Его обычно называют тритием и обозначают символом Т. Тритий радиоактивен, период его полураспада немного больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Количество трития на нашей Земле исче­зающе мало — меньше одного килограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, его можно обнаружить в любой капле воды.

Недавно ученые заподозрили, что воз­можно существование четвертого изотопа Н4 и даже пятого Н5. Они тоже должны быть радиоактивны.

Сколько существует различных кислородов?

В природе найдены три различных изо­топа кислорода. Больше всего легкого кис­лорода О16, значительно меньше тяжелого О18 и совсем мало кислорода О17. В кисло­роде воздуха, которым мы дышим, на каж­дые десять атомов О17 приходится 55 ато­мов О18 и более 26 ООО атомов изотопа О16.

Физики создали в ускорителях и реак­торах еще четыре радиоактивных изотопа кислорода: О14, О15, О19 и О20. Все они живут очень недолго и через несколько минут распадаются.

Сколько может быть различных вод?Море

Если подсчитать все возможные соеди­нения с общей формулой Н2О, то окажет­ся, что всего могут существовать сорок две разные воды. Из них тридцать одна вода будет радиоактивной, но и стабиль­ных устойчивых вод будет тоже немало — девять:

Н2O16, Н2O17, Н2O18, НDО16, НDО17,

НDO18, D2O16, D2O17, D2O18.

Если же подтвердится сообщение о том, что существуют еще два сверхтяжелых изо­топа водорода Н4 и Н5, то будут возмож­ны уже сто пять типов молекул воды.

Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воды, в нем всегда окажется смесь моле­кул, неодинаковых по изотопному составу. Конечно, вероятность образования молекул с разным изотопным составом далеко не одинакова. Молекулы с двумя или сразу с тремя редко встречающимися изотопными атомами будут так редки и их будет так мало, что, по мнению физиков, такие воды пока можно не принимать во внимание.

Что такое обыкновенная вода?

Такой воды в мире нет. Нигде нет обык­новенной воды. Она всегда необыкновен­ная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Он зависит от истории воды — от того, что с ней проис­ходило в бесконечном многообразии ее круговорота в природе.

При испарении вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды из озера. Вода из реки не похожа на морскую воду. В закрытых озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода гор­ных ручьев. В каждом источнике свой изо­топный состав воды.

Когда зимой замерзает вода в озере, изотопный состав льда меняется: в нем уменьшилось содержание тяжелого водоро­да, но зато повысилось количество тяжелого кислорода. Поэтому вода из растаявшего льда уже отличается от той воды, которая замерзла. Если воду разложить, а потом сжечь добытый из нее водород, то полу­чится снова вода, но совсем другая, пото­му что в воздухе изотопный состав кисло­рода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. (Но зато, в отли­чие от воды, изотопный состав воздуха один и тот же на всем земном шаре.) Вода в природе вечно меняется…

Что такое легкая вода?

Это та самая вода, формулу которой знают все школьники — Н2О16. Но такой воды в природе нет. Ее с огромным тру­дом приготовили ученые для точного изме­рения свойств воды, в первую очередь для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупней­ших лабораториях мира, где изучают свой­ства различных изотопных соединений.

Что такое тяжелая вода?

И этой воды в природе нет. Строго го­воря, нужно было бы называть «тяжелой» воду, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода — воду D2O18, Но такой воды нет даже в лабора­ториях. Она еще никому не нужна и неза­чем ее готовить.

В науке и ядерной технике принято ус­ловно называть «тяжелой водой» тяжело­водородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав кислорода в этой воде соответствует обыч­ному составу кислорода воздуха.

Бывает ли полутяжелая вода? Полутяже­лой водой можно назвать воду с молеку­лами НDО. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невоз­можно, потому что в воде всегда проте­кают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и не­прерывно переходят из одной молекулы в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но, в дейст­вительности, благодаря реакции обмена

Формулаона будет представлять собой смесь моле­кул с разным изотопным составом: Н2О, НDО, D2O.

Что такое «нулевая» вода?

Нулевая вода состоит из чистого легко­го водорода и кислорода воздуха. Эту воду физико-химики выбрали в качестве этало­на: у нее очень постоянный состав. Ее не так уж трудно получать и с ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: оп­ределив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия.

Кроме всех перечисленных вод, еще су­ществует тяжелокислородная вода — Н2О18. Получить ее из природной воды очень сложно и трудно. Эту воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел пригото­вить. Но тяжелокислородная вода очень нужна для исследования многих биологи­ческих и химических процессов, поэтому довольно концентрированные растворы этой воды в воде обычной получают те­перь на заводах.

Существует ли радиоактивная вода?

Да. Тритиевую воду получают искусст­венным путем, в атомных реакторах. Из-за сильной радиоактивности эта вода очень опасна и нужна пока только для научных целей.

Много ли разных вод содержится в воде?

Смотря в какой. В той, что льется из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжелой воды D2O16 около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (Н2О17 и Н2О18 вместе) почти 1800 г на тонну воды. В воде из Тихого океана тяжелой воды почти 165 г на тонну. В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжелой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокисло­родной воды столько же. Но, зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, D2O16 оказалось меньше на 7 г, а Н2О18 — на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода Т2О16 выпадает на зем­лю вместе с осадками, но очень мало, все­го лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды. В океанской воде ее еще меньше.

В чем же различие между легкой, природной и тяжелой водами&

Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Каждый из нас не сом­невается, что с водой-то он знаком хорошо. Если показать нам три стакана с обычной, тяжелой и легкой водой, то каждый даст совершенно четкий и определенный ответ: во всех трех сосудах — простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцвет­на. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти разницу между содержимым трех стака­нов. И это будет верно. Это все — вода.

Химик ответит почти так же: между ними нет почти никакой разницы. Все хими­ческие свойства трех вод почти неразличи­мы: в каждой из них натрий будет одина­ково выделять водород, каждая будет оди­наково разлагаться при электролизе, все их химические свойства будут почти совпа­дать. Это и понятно: ведь химический сос­тав вещества в трех стаканах одинаков. Это вода.

Физик не согласится. Он укажет на за­метную разницу в их физических свойст­вах: и кипят и замерзают они при различ­ных температурах, плотность у них разная, а упругость их пара тоже немного различ­на. Правда, все эти различия малы. Изме­нения в изотопном составе очень мало влияют на физические свойства вещества.

Биолог, пожалуй, станет в тупик — для него вопрос о различии между водами с разным изотопным составом еще не ре­шен. Еще совсем недавно считали, что в тяжелой воде живые существа не могут жить. Ее даже мертвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, по­степенно заменять в воде, где живут неко­торые микроорганизмы, протий на дейте­рий, то можно их приучить к тяжелой воде, и они будут в ней неплохо жить и разви­ваться. А обычная вода станет для них вредной.

Кому нужна тяжелая вода?

Всему человечеству. Мы уже подходим к порогу, за которым появится совершенно реальная угроза: ресурсов химического топлива — нефти, газа, угля хватит очень не надолго. И все надежды связаны с бу­дущим термоядерной энергетики.

Ее топливо — это тяжелая вода. Для рассказа о ней нужна отдельная большая статья. По всей вероятности, в ее конце стоял бы вопрос — на сколько времени хва­тит человечеству энергии, скрытой в воде? И ответ на него: при таком росте энерге­тики, которой мы в состоянии предвидеть, не менее чем на миллиард лет.

ІІ. СВОЙСТВА ВОДЫ

Почему вода — вода?

Этот вопрос совсем не так неразумен,, как может показаться. В самом деле, разве вода — это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан?

Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в ко­тором миллионы лет назад зародилась жизнь — это вода. Тучи, облака, туманы, не­сущие влагу всему живому на земной по­верхности, — это тоже вода. Бескрайние ле­дяные пустыни полярных областей, снего­вые покровы, застилающие почти полови­ну планеты — и это вода.

Прекрасно, невоспроизводимо беско­нечное многообразие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов, торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца… Это обычная и всегда необыкновенная симфония цвета. обязана рассеянию и поглощению солнечного спект­ра водяными парами в атмосфере. Этот великий художник природы — вода.

Великие горные цепи сложены гигант­скими толщами сотен различных горных пород, и многие из них созданы величай­шим строителем природы — водой. Непре­рывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались высочайшие горы, рассти­лаются бескрайние равнины… Их создает великий преобразователь — вода.

Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но только там, где есть вода.

Почему же одно из бесчисленных хи­мических соединений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для мироздания элементов, с молекулой всего из трех атомов — про­стая окись водорода, самая обычная во­да,— почему она играет такую роль в при­роде? Чем объясняется эта исключитель­ная роль воды?

Среди необозримого множества ве­ществ вода с ее физико-химическими свой­ствами занимает совершенно особое, иск­лючительное место. И это надо понимать буквально. Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе. Она действительно самое удивительное ве­щество на свете. Она удивительна не толь­ко многообразием изотопных форм моле­кулы и не только надеждами, которые свя­заны с ней, как с источником энергии буду­щего. Она удивительна своими самыми обычными свойствами.

Как построена одна молекула воды?

Это известно очень точно. Она построе­на вот так:

Молекула воды

Хорошо изучено и измерено взаимное расположение ядер атомов водорода и кислорода и расстояние между ними. Ока­залось, что вместе с электронными обо­лочками атомов, молекулу воды, если на нее взглянуть «сбоку», можно было бы изобразить так:

Молекула воды

А если взглянуть «сверху» со стороны атома кислорода, то так:

Молекула воды

Значит взаимное расположение зарядов в молекуле воды можно изобразить в виде тетраэдра.

Молекула воды

При таком строении взаимное притяже­ние молекул воды необычайно сильно: каждая молекула воды может образовать четыре одинаковых «водородных» связи с другими молекулами воды.

Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинако­во.

А молекула льда? Никаких особых мо­лекул льда нет. В куске льда молекулы соединены так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекула­ми. Это очень рыхлая структура, в которой остается много свободного объема. Пра­вильное кристаллическое строение льда выражается в изяществе снежинок и в кра­соте морозных узоров на замерзших окон­ных стеклах.

Как расположены молекулы воды в воде?

К сожалению, этот очень важный воп­рос изучен далеко не достаточно. Строе­ние молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лед плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся во­де. Молекулы в талой воде состоят из

Молекула воды

многих простых молекул — это агрегаты, сохраняющие свойства льда. При повыше­нии температуры часть агрегатов распадает­ся, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведет к тому, что средняя величина сложной молекулы воды в жидкой воде значительно больше, чем размеры одной молекулы воды. Такое не­обычайное молекулярное строение обус­ловливает необычные физико-химические свойства воды.

При какой температуре вода должна кипеть?

Этот вопрос, вероятно, покажется стран­ным. Вода кипит при ста градусах, — это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды вы­брана в качестве опорной точки темпера­турной шкалы и условно обозначена 100° С.

Однако вопрос поставлен иначе: при ка­кой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных ве­ществ не случайны. Они зависят от положе­ния элементов в периодической системе.

Чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть назва­на гидридом кислорода. Н2Те, Н2Se и Н2S — химические аналоги воды. Если проследить за температурами их кипения и сопоста­вить, как изменяются температуры кипения гидридов в других группах периодической системы, то можно довольно точно опреде­лить температуру кипения любого гидрида, так же как и любого другого соединения. Сам Менделеев таким способом предска­зал свойства химических соединений еще не открытых элементов.

Если определить температуру кипения гидрида кислорода по положению кислоро­да в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при восьмидесяти градусах ниже нуля… Значит, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят граду­сов выше, чем должна кипеть. Температу­ра кипения, наиболее обычное свойство воды, оказывается необычайным и удиви­тельным.

Можно представить себе; что если бы наша вода потеряла вдруг способность об­разовывать сложные, ассоциированные мо­лекулы, то она, вероятно, кипела бы при той температуре, какая ей положена в со­ответствии с периодическим законом. Океа­ны закипели бы, на Земле не осталось ни одной капли воды, а на небе никогда боль­ше не появилось ни одного облачка…

При какой температуре вода замерзает?

И этот вопрос может вызвать недоуме­ние. Каждый знает, что вода замерзает при нуле градусов. Это вторая опорная точка термометра, фиксирующая самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить, при какой температуре вода должна замерзать в соответст­вии со своей химической природой.

Морозные узоры

Оказывается, что гидрид кислорода — по его положению в таблице Менделе­ева — должен затвердевать при ста граду­сах ниже нуля…

Вода — удивительное вещество, не под­чиняющееся многим физико-химическим закономерностям, справедливым для дру­гих соединений, потому что взаимодейст­вие ее молекул необычайно велико. И тре­буется особенно интенсивное тепловое дви­жение молекул, чтобы преодолеть это до­полнительное притяжение. В этом — причи­на неожиданного и резкого повышения температур ее кипения и плавления.

Из всего сказанного следует, что тем­пература плавления и кипения гидрида кис­лорода — его аномальные свойства. Следу­ет, что в условиях нашей Земли жидкое и твердое состояние воды — также анома­лии. Нормальным должно было быть толь­ко газообразное состояние…

Невозможным жителям невозможного мира, в котором все свойства воды были бы «нормальны», пришлось бы, очевидно, сжижать воду специальными машинами, по­добно тому, как это делаем мы, получая жидкий кислород из воздуха.

Сколько существует газообразных состояний воды?

Только одно — пар.

Сколько существует жидких состояний воды?

На этот вопрос не так просто ответить. Жидкая вода обладает такими свойствами, что приходится задуматься: правилен ли простой, казалось бы не вызывающий ни­каких сомнений, ответ — одно, конечно…

Вода после плавления сначала сжимает­ся, а затем, по мере повышения темпера­туры, начинает расширяться. При +4° С у воды наибольшая плотность. Эту аномалию объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор… воды в воде.

При плавлении льда сначала образуются крупные агрегаты молекул воды. Растворя­ясь в обычной низкомолекулярной воде, они сохраняют остатки рыхлой кристалли­ческой структуры льда. Поэтому сначала плотность воды низкая. Но с повышением температуры эти большие молекулы раз­рушаются и плотность воды растет, пока не начнет преобладать обычное термическое расширение…

Если это объяснение верно, то возмож­ны несколько состояний воды, только пока никто не умеет их разделить. И неизвестно, удастся ли когда-нибудь это сделать.

Свойство воды, о котором идет речь, имеет огромное значение для жизни. В ре­ках и озерах перед наступлением зимы по­степенно охлаждающаяся вода спускается вниз, пока температура всего водоема не достигнет +4° С. А при дальнейшем охлаж­дении более холодная вода остается свер­ху и всякое перемешивание прекращается. Теперь тонкий слой холодной воды стано­вится как бы «одеялом» для всех обитате­лей подводного мира.

Что должно быть легче — вода или лед?

Лед плавает на воде и, конечно, легче ее. Но почему «конечно»? Разве это так ясно? Ведь объем всех твердых тел при плавлении увеличивается и они тонут в сво­ем собственном расплаве. А вот лед пла­вает в воде.

Значит, и это свойство воды — анома­лия, исключение и притом совершенно за­мечательное исключение.

Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормаль­ными свойствами и лед, как и полагается любому нормальному веществу, был плот­нее жидкой воды. Зимой намерзающий сверху лед тонул бы, непрерывно опуска­ясь на дно водоема. Летом лед, защищен­ный толщей холодной воды, не мог бы растаять. Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи промерзли бы нацело, превра­тившись в гигантские ледяные глыбы. Нако­нец, промерзли бы моря, а за ними и оке­аны Наш цветущий мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тон­ким слоем талой воды…

Сколько существует льдов?

В природе, на нашей Земле — один, обычный лед, самый прекрасный из мине­ралов. Никакие алмазы не могут сравнить­ся блеском и красотой со снежинками, ис­крящимися на солнце. Льдом — голубовато­зеленым камнем сложены горы, им покрыт целый материк. Лед — горная порода с не­обычными свойствами. Он твердый, но те­чет как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с вы­соких гор. Лед изменчив — он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лед необы­чайно прочен и долговечен — десятки ты­сячелетий хранит он в себе без изменений тела мамонтов, случайно погибших в лед­никовых трещинах.

ЛёдНо кроме этого льда в лабораториях открыты еще по крайней мере шесть раз­личных, не менее удивительных льдов, ко­торых нет в природе. Они существуют толь­ко при очень высоких давлениях.

Обычный лед сохраняется до давления в 2115 атмосфер, но при этом давлении плавится при — 22° С. Когда давление пре­вышает 2115 ат, образуется плотный лед — лед III. Он тяжелее воды и тонет в ней. Если понизить температуру и довести дав­ление до 3000 ат, то получится еще более плотный лед II. Давление сверх 5000 ат превращает лед в лед V — его можно на­греть почти до 0° С, и он не растает. При давлении около 20 000 ат появляется лед VI. Это буквально горячий лед — он выдерживает, не плавясь, температуру + 80° С. Лед VII, обнаруженный при дав­лении 40 000 ат, можно, пожалуй, назвать раскаленным льдом. Это самый плотный и тугоплавкий из известных льдов. Он пла­вится только при 175 градусах выше нуля. Некоторые ученые подозревают, что су­ществует еще неустойчивый лед IV, быст­ро переходящий в лед V.

Наверно, человек сумеет в будущем найти еще не один вид льда…

Что нужно, чтобы лед растаял?

Очень много тепла. Больше, чем для плавления такого же количества других ве­ществ (кроме нескольких металлов). Исклю­чительно большое значение скрытой тепло­ты плавления — 80 калорий на грамм льда — также аномальное свойство воды.

 

При замерзании воды такое же коли­чество тепла выделяется снова. Когда по­является лед, когда выпадает снег, они от­дают тепло, которое подогревает землю и воздух. Они противостоят холоду и смяг­чают переход к суровой зиме. Именно бла­годаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существуют осень и весна.

Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду?

Очень много. Больше, чем для нагрева­ния равного количества любого другого ве­щества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус необходима одна калория. Это больше чем вдвое превышает теплоем­кость любого химического соединения. И эта особенность воды имеет очень боль­шое значение не только при варке обеда на кухне.

Вода — это великий распределитель теп­ла на Земле. Нагретая Солнцем у экватора, она переносит тепло в мировом Океане ги­гантскими потоками морских течений в да­лекие полярные области, где жизнь возмож­на только благодаря этой удивительной осо­бенности воды.

Чтобы разделить молекулы воды, что­бы превратить ее в пар, нужно очень много энергии — нет ни одного вещества, у кото­рого скрытая теплота испарения была бы больше, чем у воды. Вода — лучший тепло­носитель.

Вода — гигантский движитель: подсчита­но, что Солнце испаряет на Земле за одну минуту миллиард тонн воды, и каждую минуту миллиард тонн водяного пара вме­сте с восходящими потоками нагретого воз­духа поднимается в верхние слои атмос­феры. Каждый грамм этого пара уносит с собой 537 калорий солнечной энергии…

Эта энергия неминуемо должна выде­литься снова — превращаясь в облака, от­давая тепло и нагревая воздух, водяной пар каждую минуту отдает атмосфере Земли чудовищно огромное количество энергии: 2,2 × 1018 джоулей.

Чтобы выработать эту энергию за то же время, понадобилось бы сорок миллионов электростанций мощностью по миллиону киловатт каждая…

Это та энергия, которая переносит сот­ни миллиардов тонн воды по воздуху. Это энергия ветров, бурь, ураганов и штормов. Один ураган выделяет энергию, эквива­лентную тридцати тысячам атомных бомб.

Почему в море вода соленая?

Это, пожалуй, одно из самых важных следствий одного из самых удивительных свойств воды. В ее молекуле центры поло­жительных и отрицательных зарядов силь­но смещены один относительно другого. Поэтому вода обладает исключительно вы­сочим, аномальным значением диэлектри­ческой проницаемости.

Для воды ε = 80, а для воздуха и вакуу­ма ε=1. Это значит, что два любых разно­именных заряда взаимно притягиваются друг к другу в воде с силой в 80 раз меньшей, чем в воздухе, так как по закону Кулона

Формула

Все межмолекулярные связи, опреде­ляющие прочность всех тел, зависят от взаимодействия между положительными зарядами атомных ядер и отрицательными зарядами электронов. На поверхности тела, погруженного в воду, силы, действующие между молекулами или атомами, ослабе­вают под влиянием воды почти в сотни раз.

И если оставшейся прочности связи ме­жду молекулами недостаточно, чтобы про­тивостоять тепловому движению, то моле­кулы или атомы начинают отрываться от по­верхности тела. Оно начинает растворять­ся — либо распадаясь на отдельные молеку­лы, как сахар в стакане чая, либо на заря­женные ионы, как поваренная соль.

Именно благодаря аномально высокой диэлектрической проницаемости вода — один из сильнейших растворителей. Мед­ленно и неотвратимо она разрушает даже граниты.

Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой примеси в океан. Вода из океана ис­паряется и вновь возвращается на землю, чтобы снова и снова продолжать свою веч­ную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.

Если бы вода не обладала удивитель­ным свойством — необычайно высокой ди­электрической проницаемостью — море не было бы соленым. Но это некому было бы заметить — не было бы на Земле жизни.

Распадаются ли в воде на ионы ее собственные молекулы!

Да, распадаются. Мо­лекулы воды очень проч­ны, но все же очень боль­шая их часть диссоции­рует:

Н2О= Н+ + ОН-.

Из каждого миллиарда молекул воды при обыч­ной температуре диссоци­ированы всего две моле­кулы.

Свободный протон Н+ — ядро атома водоро­да, — конечно, не может существовать в водной среде: он немедленно присоединяется к молеку­ле воды и образует ион гидроксония НзО+.

Существует ли чистая вода?

ВодаЕсли быть строгим и точным в ответах, то при­дется сказать, что нет — чистой воды пока никто не видал и не держал в руках.

В воде всегда раство­рены, наверное, сотни, а может быть и тысячи раз­личных соединений почти всех элементов периоди­ческой системы. В ней взвешены мельчайшие нерастворимые частицы пыли.

Много ученых работа­ет над решением трудной проблемы получения абсолютно чистой во­ды. Но пока еще получить такую воду не удалось никому.

Это и понятно: налитая в сосуд вода ра­створяет стекло, соприкасаясь с любым га­зом она растворяет газ…

Очень тщательно очищенная вода при­обретает совершенно необычные свойства: ее можно перегреть на десятки градусов выше точки кипения — она не закипит, ее можно очень сильно переохладить — она не замерзнет.

Какую форму имеет вода?

И этот вопрос поставлен совершенно правильно. Вода обладает собственной формой, как и любая другая жидкость. Ее форма — шар. Утверждение учебников, будто вода принимает форму сосуда, а соб­ственной не имеет — неверно. Ее собственная форма на Земле обычно искажена си­лой тяжести.

В том, что жидкости свойственна форма шара, легко убедиться, поместив ее в со­стояние невесомости. Это возможно и на Земле: сфотографируйте падающую каплю или хороший мыльный пузырь. И в том, и в другом случае действие силы тяжести исключено, и вода принимает свою собст­венную форму.

Может ли вода течь вверх?

Да, может. Это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярам сосудов дерева. Сама движется вода вверх в порах промо­кательной бумаги или в волокнах полотенца. В очень тонких трубках вода может подняться на высоту нескольких метров…

Это объясняется еще одной замечатель­ной особенностью воды — ее исключитель­но большим поверхностным натяжением. Силы межмолекулярного притяжения дей­ствуют на молекулу жидкости на ее поверх­ности только в одну сторону, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэто­му каждая молекула втягивается с поверх­ности внутрь жидкости. Возникает сила, стя­гивающая поверхность. У воды она особен­но велика: поверхностное натяжение со­ставляет 72 дины на сантиметр.

Эта сила и придает мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жид­кости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверх­ности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются. Она поднимает воду в почве, а стенки тонких пор и отверстий в ней, наоборот, хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще было бы возможно земле­делие, если бы вода не обладала этой осо­бенностью.

Все ли уже известно о воде?

Совсем немного лет назад химики были уверены, что состав воды им хорошо из­вестен. Но, однажды, одному исследовате­лю пришлось измерить плотность остатка воды после электролиза. Плотность оказа­лась на несколько стотысячных долей выше нормальной…

В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объясне­ния. И в результате стало постепенно вы­ясняться многое из того, о чем рассказано в этой статье.

А началось все с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины — плотность воды была измерена точнее на лишний десятичный знак…

Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчет не только по­вышает уверенность в знании и надежности уже добытого и известного, но и раздви­гает границы неведомого и еще непознан­ного, прокладывает к ним новые пути.

Нет предела человеческому разуму, нет предела его возможностям; и то, что мы теперь так много знаем о природе и свой­ствах поистине самого необыкновенного в мире вещества — о воде, открывает еще большие возможности. Кто может сказать, что еще будет узнано, что открыто ново­го, еще более необычайного? Умейте толь­ко видеть и удивляться.

Вода, как и все в мире, неисчерпаема.

Член-корреспондент АН СССР И. В. ПЕТРЯНОВ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>