Б. Суслов - Вода
Рис. 3. Расположение атомов в молекуле воды.
Читатель может спросить: почему атомы в молекуле воды расположены в виде треугольника, а не по прямой линии — в середине атом кислорода, а по краям атомы водорода?
Объяснить это можно так. Всякое тело в природе стремится занять наиболее устойчивое положение. Мяч, брошенный на гладкую крышу, не останется лежать на её покатой поверхности и под действием силы тяжести обязательно скатится вниз. Если мы привяжем к нитке какой-нибудь грузик и будем держать нитку за свободный конец, грузик натянет нить и расположится точно по отвесной линии. Отведём грузик немного в сторону и отпустим, — грузик не останется в новом неустойчивом состоянии и под действием силы тяжести быстро вернётся к своему первоначальному положению. Так и в молекуле воды. Атомы соединены в ней друг с другом силами, которые называют силами химического сродства. Величина и направление действия этих сил таковы, что молекула воды является устойчивой именно тогда, когда атомы образуют треугольник. Всякая другая „постройка“ из атомов оказывается менее устойчивой. И если по каким-либо причинам расположение „атомов“ изменится, то по устранении этой причины атомы вновь образуют такой же треугольник.
Нужно сказать, что силы, удерживающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики. Необходима очень большая энергия, чтобы связь между атомами „разорвалась“. Мы можем нагреть воду до 1400 градусов, и из миллиона молекул воды при этой температуре только около ста молекул окажутся разложенными на водород и кислород. Даже при 3092 градусах разрушается только 13 процентов всех молекул воды.
Любая вода, откуда бы она ни была взята, — из Северного Ледовитого океана, из глубокой шахты Донбасса, была заключена в снежинке или сверкала ранним утром в капельке росы на цветке, — любая вода состоят из одинаково построенных молекул. Однако взаимное расположение отдельных молекул друг относительно друга в жидкой воде, снежинке или в паре из парового котла оказывается неодинаковым.
Пары воды, нагретые градусов до трёхсот, при атмосферном давлении подобны обычным газам: в них расстояния между молекулами достаточно велики, так что каждая отдельная молекула может существовать более или менее самостоятельно, не испытывая существенного взаимодействия со стороны своих соседей, за исключением, конечно, тех случаев, когда молекулы в результате беспорядочного теплового движения сталкиваются друг с другом.
В снежинке или кусочке льда молекулы сближены и закреплены в определённых местах кристаллической решётки; движения молекул в большинстве своём ограничиваются колебанием около некоторых средних положений.
А как располагаются молекулы в жидкой воде?
В науке до сих пор ещё нет строгой, твёрдо установленной теории, касающейся строения жидкостей, в частности воды. Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром. Изучение строения воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей дало возможность считать, что при температурах, близких к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы и „упаковываются“ в пространство приблизительно так, как в кристаллах, а при температурах, близких к точке кипения воды, при нормальном давлении, они располагаются более свободно, беспорядочно. Однако „каркас“, составленный в жидкой воде из отдельных молекул, должен быть очень гибким. Иначе трудно было бы объяснить подвижность воды, способность её быть „рабочим телом“, приводящим в движение тяжёлое колесо турбины, и переносчиком различных питательных веществ по тончайшим сосудам живых организмов.
По-видимому, и в водяном паре при невысоких температурах часть молекул воды объединена или, как говорят, ассоциирована.
Вода — самая распространённая в природе жидкость. Мы так привыкли к воде, к её разнообразным проявлениям, что она нам кажется самой обыкновенной жидкостью. Многие свойства воды положены в основу нашей измерительной системы. Температуру таяния льда мы считаем за нуль градусов, а температуру кипения за сто градусов (по принятой теперь почти всюду шкале Цельсия). Массу воды в объёме одного кубического сантиметра мы принимаем за меру массы — один грамм. Количество тепла, которое поглощает один грамм воды при нагревании на один градус, мы называем единицей теплоты — калорией. Многие измерительные приборы физиков и химиков градуируются по воде, и величины, измеренные для других веществ, обычно сравниваются с числами, полученными для воды. Но если мы внимательно присмотримся к поведению воды в различных условиях и сравним его с поведением большинства других жидкостей, то обнаружим, что наша „обыкновенная“ жидкость ведёт себя очень странно, если этими словами можно выразить своеобразный характер воды, резко отличающий её от всех других жидкостей.
Теперь мы и расскажем о некоторых самых важных и интересных свойствах воды и её отступлениях от общих „правил“ поведения жидкостей.
4. Как замерзает пруд
Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче. Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим полям и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь ещё уцелевший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или борозду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет замёрзнуть, и ветер по-прежнему рябит его серую гладь. Но вот уже замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холодную неприветливую землю. Идёт зима.
Тонкая корка льда, образовавшегося сначала у берегов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрачным стеклом льда. Ударили морозы, и лёд стал толстым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна? Обитатели водоёмов должны быть благодарны за это одной из особенностей воды. В чём же заключается эта особенность?
Известно, что кузнец сначала нагревает железную шину, а затем надевает её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина сделается короче и плотно обожмёт обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, нагревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если налить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.
Из этих примеров ясно, что при нагревании тела расширяются; при охлаждении они сжимаются. Это справедливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, — ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.
Подобное движение происходит и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?
Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах — выше или ниже 4 градусов — вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.
В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия — это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.
Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним по-прежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.
Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой температуре одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как увидим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет. Лёгкий слой воды с температурой в нуль градусов отделяет ото льда более глубокие слои тёплой воды.
