Б. Суслов - Вода
Известно, что очень крепкую серную кислоту можно свободно перевозить в стальных цистернах — корпус цистерны ею не разрушается. Но если серная кислота разбавлена водой, стальные цистерны использовать уже нельзя, так как водный раствор серной кислоты легко разъедает железо.
Вещества не взаимодействуют друг с другом, если они не растворены, — гласит старинное правило химиков.
Вода отличается ещё одним важным свойством: она сама способна соединяться с очень многими веществами, быть активным участником различных химических процессов.
Вода способна соединяться с простыми веществами как металлами, так и неметаллами.
Например, неметалл хлор даёт с водой смесь кислот: соляную и хлорноватистую. Если хлор пропускать через воду, к которой прибавлен едкий натр, то в результате реакции получается "жавелевая вода", хорошее белящее средство.
С натрием, калием и некоторыми другими металлами вода бурно взаимодействует. При этом получаются едкие щёлочи и выделяется газ водород.
Вода вступает в реакции и со многими сложными веществами. Мы здесь укажем только несколько примеров этих реакций, приводящих к образованию очень важных в химической промышленности веществ — оснований (или гидроокисей) и кислот.
Всем знакома негашёная известь. Это — соединение металла кальция с кислородом или окись кальция. Её получают накаливанием известняка и используют в качестве строительного материала. Если негашёную известь облить водой, то вода химически соединится с нею. Этот процесс называется гашением, а получающийся продукт — гашёной известью или гидроокисью кальция. Она находит широкое техническое применение.
Таким же способом — соединением окислов металлов с водой — могут быть получены и многие другие гидроокиси.
При взаимодействии воды с неметаллическими окислами получаются также необходимые для промышленности продукты — кислоты. Так, окисел азота (двуокись), растворяясь в воде, образует азотную и азотистую кислоты. Эта реакция используется в химической промышленности для получения азотной кислоты. Она же приводит к образованию аммиачной селитры из аммиака, воды и азота в воздухе во время грозы.
Не менее важна реакция между водой и трёхокисью серы: продукт этой реакции — серная кислота, имеющая применение во многих отраслях промышленности.
Во всех перечисленных здесь веществах, которые образуются при участии воды, вода входит в состав вещества как неотъемлемая часть. Это — так называемая конституционная вода. Выделить конституционную воду, не разрушая вещества, нельзя.
Но есть такие соединения веществ с водой, в которых взаимодействующие молекулы сохраняют некоторую самостоятельность. Это — так называемые кристаллогидраты. Они получаются при кристаллизации веществ из водных растворов. Частицы растворённого вещества прочно удерживают около себя молекулы воды, и эти молекулы полностью или частично входят в состав выделяющихся из раствора кристаллов.
Содержащаяся в кристаллах вода, кристаллизационная вода, находится в соединении с молекулами вещества в строго определённых количествах. Так, в кристаллах медного купороса каждая молекула купороса связывает одну, три или пять молекул воды, в кристаллах соды — десять молекул, в кристаллах азотнокислого олова — двадцать молекул воды. Поваренная соль, сахар и многие другие вещества кристаллизуются без воды. Исследования тепловых, электрических и других свойств кристаллогидратов показали, что кристаллизационная вода ведёт себя как твёрдое вещество.
Многие кристаллогидраты непрочны. Так, например, сода теряет свою кристаллизационную воду, находясь просто в воздухе: её прозрачные кристаллы мутнеют и рассыпаются в порошок. Кристаллы медного купороса теряют 80 процентов воды при нагревании до 100 градусов, а остальные 20 процентов только при 240 градусах. При этом синие кристаллы превращаются в белый порошок.
Процесс потери кристаллизационной воды называется выветриванием.
Некоторые безводные кристаллы очень жадно притягивают к себе воду, причём притягивают её в гораздо большем количестве, чем это нужно для образования соответствующего кристаллогидрата; в результате этого они расплываются. Так расплываются поташ, хлористый кальций. Эти вещества используются как поглотители влаги при высушивании различных веществ.
Нам осталось сказать ещё об одном важном для химии свойстве воды — о её способности ускорять течение различных реакций.
Многие химические реакции протекают с неизмеримо малой скоростью, но в присутствии даже ничтожных количеств определённых веществ идут в сотни и тысячи раз быстрее. Вещества, которые ускоряют течение химической реакции, но сами не входят в состав конечных продуктов реакции, называются катализаторами. К числу катализаторов относится и вода, причём каталитическое действие её весьма разносторонне.
Мы знаем, что железо на воздухе ржавеет, что гремучий газ при нагревании взрывается, плавиковая кислота разъедает стекло, натрий и фосфор быстро окисляются на воздухе, хлор активно действует на металлы… Но оказывается, что во всех этих случаях катализатором является вода. При полном отсутствии влаги скорость этих процессов ничтожна. Сухой гремучий газ, например, не взрывается даже при значительном нагревании, а железо в воздухе, лишённом воды, становится таким же устойчивым, как золото или платина.
Можно сказать, что если бы вода не обладала каталитическим действием, мы составили бы совершенно иное представление о химических свойствах окружающих нас веществ.
15. Белый и синий уголь
Каждый знает, что поднять ведро воды на второй или третий этаж нелегко. Работу, которую нужно затратить на подъём груза вертикально вверх, в физике подсчитывают так: величину действующей силы умножают на пройденный телом путь. Если ведро с водой весит 10 килограммов и его надо поднять на высоту 5 метров, то для этого должна быть затрачена работа 10 × 5 = 50 килограммометров. Здоровый человек совершит эту работу без особых затруднений. Однако, если ему придётся без отдыха совершать такую прогулку вверх и вниз раз десять, он почувствует усталость.
Работа, затрачиваемая на подъём воды, не пропадает: поднятая на определённую высоту вода заключает в себе больше энергии, чем та же вода, находящаяся внизу. При падении воды эта энергия может быть снова превращена в работу. Обратите внимание, как падающие с крыши капли дождевой воды со временем проделывают на земле или даже на каменной панели целые канавки. "Вода камень точит" — метко говорит пословица.
А какую поистине грандиозную работу совершает вода в природе! Миллионы миллионов тонн воды в виде дождя и снега падают ежегодно на землю с высоты сотен метров. И если бы мы попыталась подсчитать, сколько энергии таит в себе вся эта вода, собранная в одну тучу на высоте в 1 километр, то увидели бы, что для получения такого количества энергии необходимо сжечь миллиарды тонн нефти.
И эта энергия не пропадает бесследно для земли — с течением времени вода сильно изменяет её облик.
Вы, конечно, видели овраги, бороздящие наши равнины. Это результат действия воды. Начиная, может быть, с маленькой колеи, оставленной колесом телеги, вода медленно, но настойчиво размывает почву и прорывает в конце концов глубокий овраг.
Тонны земли уносят в моря воды рек, размывающие берега и дно.
Подземная вода роет себе дорогу в горных породах, вымывая миллионы кубических метров камня, создавая огромные пустоты в виде пещер, вызывая оползни и обвалы.
А ливни, особенно весной, в горах! В июле 1921 года город Алма-Ата испытал последствия такого ливня. У истоков реки Алмаатинки тогда ещё лежал снег. Прошёл ливень. Большой оползень запрудил русло реки выше города. Через несколько часов напор воды прорвал эту плотину, и на город ринулась лавина из воды, гальки, громадных валунов, деревьев и обломков, смытых в верховьях строений (рис. 15).
Рис. 15. Вода принесла на улицы Алма-Аты огромные камни.
Нельзя ли разрушительную силу воды превратить в силу созидающую, заставить падающую воду служить человеку?
Использовать всю энергию природной воды, конечно, не представляется возможным. Но часть её может быть поставлена на службу человеку. Это — энергия быстро текущих рек и водопадов, энергия так называемого "белого угля". Только одни наиболее крупные реки и водопады на всём земном шаре могут дать в одну секунду столько энергии, сколько получается от сжигания почти двухсот тонн нефти. Вот какое богатство представляет вода, текущая с возвышенностей суши к морю! И это богатство неистощимо, оно непрерывно восполняется. Но чтобы воспользоваться им, человек должен был научиться управлять по своему желанию огромными массами воды: направлять бурные потоки в определённые русла и заставлять падающую воду совершать полезную работу. Прошли века упорного труда, прежде чем человеку удалось подчинить своей воле водную стихию.
