Владимир Келлер - Возвращение чародея
Метеоролог: «Круговорот воды в природе составляет главный процесс в биосфере Земли».
Наконец, физико-химик: «Заметьте, какое большое поверхностное натяжение свойственно воде! Благодаря ему вода в капиллярах, то есть в тонких трубках, может подниматься на несколько метров. Вместе с огромной способностью растворять в себе соли это свойство капиллярности воды делает возможным земледелие: поднимающаяся из почвы вода снабжает питательными растворами всю растительность, в том числе и самые высокие деревья». (Все эти примеры я взял из статьи профессора И. А. Хвостикова «Самая удивительная на Земле жидкость — вода», опубликованной в журнале «Земля и Вселенная» № 3 за 1969 г.)
Что же можно сказать о происхождении этих свойств воды? Как можно их объяснить, хотя бы в некоторых случаях приблизительно?
Ответим на вопросы, которые могли бы возникнуть у любознательного человека, узнавшего впервые о некоторых из приведенных выше мнениях.
Почему при расплавлении все твердые тела тонут в своем расплаве, а лед плавает?
Это объясняется тем, что во льду каждая молекула связана с четырьмя соседними. Находятся же все они, судя по микромасштабам, далеко одна от другой, поэтому лед сравнительно мало плотен: в нем много внутренних пустот. Когда же лед расплавляется, то часть связей, соединяющих его молекулы, разрушается, и молекулы, оторвавшиеся от соседей, устремляются в пустоты. Вода получается плотнее, и легкий, нерастаявший лед всплывает на поверхность. У других твердых тел дело обстоит иначе. Там плотность вещества при расплавлении не увеличивается, а уменьшается и, скажем, «металлические льдины» тонут в своей «металлической воде».
Почему вода — хороший растворитель?
Популярно это объяснить непросто. Ответим в самом общем смысле: это связано с молекулярным строением воды и вытекающими отсюда ярко выраженными электрическими свойствами молекул. Тело, оказавшееся в воде, очень чувствует эти свойства. На поверхности тела чрезвычайно ослабляется молекулярное притяжение. Настолько, что это притяжение уже не может сопротивляться ударам молекул друг о друга при их тепловом движении. Атомы или молекулы начинают постепенно отрываться от поверхности тела и переходить в воду. А это и есть процесс растворения.
Какова, с современной точки зрения, общая картина перемещения воды на нашей планете?
Ученые отвечают так. Миллионы лет вода постепенно переходит из недр Земли на поверхность, образуя и заполняя океаны. С поверхности водной оболочки Земли вода каждодневно испаряется, образует облака и туманы. Затем, сгустившись в дождь, снег или росу, вода опять возвращается на Землю — в почву и в океаны. Но возвращается не вся. Часть паров увлекается воздушными потоками через стратосферу в более высокие слои атмосферы, и там под действием солнечных ультрафиолетовых лучей молекулы H2O распадаются на водород и кислород. Водород, частицы которого самые легкие и быстрые, преодолевает в какой-то своей доле земное притяжение и ускользает в мировое пространство.
Выходит, что Земля наша все время «испаряется», но страшного здесь, кажется, ничего нет. Она не только испаряется: одновременно она захватывает своей атмосферой водород из плазмы так называемого солнечного ветра (о плазме смотри чуть дальше: «Четвертое состояние вещества»). Такой захваченный водород проникает в более глубокие слои атмосферы и образует там новые молекулы H2O.
Может быть, как полагают некоторые ученые, эти именно молекулы дают начало «солнечному дождю» на высотах около 100 км над уровнем моря, в слоях, где иногда появляются самые высокие облака Земли — серебристые облака.
Газообразное — третье состояние вещества
Не задумывались ли вы когда-нибудь над тем, какое состояние вещества для нас всего важнее? Почти все, кому я задавал такой вопрос, прося ответить не подумав, ответить сразу, ошибались. Потом лишь, в следующий момент спохватывались: «Газ, конечно!»
Да, безусловно, газ. Живем мы на твердом веществе, живем у жидкого (даже то, что едим, на 90 процентов состоит из воды), но всего важнее для нас третье состояние вещества, потому что мы живем в нем.
Если рыб называют морскими существами, кротов — земляными, то было бы вполне естественно применять иногда к человеку определение «существо воздушное». Воздух — наша стихия, без него нам не прожить и десяти минут.
Мы живем на дне чудесного океана, прозрачность которого, бывает, вводит в заблуждение наивных: не сразу соглашаются, что он тяжел. А он весит, как мы говорили, 5000 триллионов тонн. И он фантастически глубок, по последним данным — до 3000 километров.
Мы уже говорили о некоторых отличиях газообразных стихий от твердых тел и от жидкостей. Назовем еще одно: молекулы твердых тел и жидкостей — каждые в своей среде — вплотную прижимаются одна к другой. Совсем иное у газов. Плотность газа, находящегося под нормальным атмосферным давлением, примерно в 100 раз меньше. Это значит, что средние расстояния между молекулами газа очень велики. Чтобы столкнуться с другой молекулой, газовая молекула должна пройти расстояние, во много раз превышающее собственный размер. Частицы газа «живут» куда обособленнее частиц жидкостей и твердых тел.
Примерно 300 лет назад английский физик и химик Роберт Бойль (1627–1691) и независимо от него французский аббат Мариотт (1600–1684) открыли очень важный газовый закон, который с тех пор называется законом Бойля — Мариотта; читается он так:
Объем данной массы газа обратно пропорционален давлению, если температура постоянна.
Или в несколько иной формулировке:
Произведение давления на объем есть величина, постоянная для данной массы газа при неизменной температуре.
Закон этот нашел широчайшее применение у всех, кто так или иначе соприкасается с необходимостью рассчитывать устройства, в которых происходят изменения давлений и объемов газов, например, при проектировании двигателей внутреннего сгорания или в вакуумной технике.
Другой, не менее важный закон в области газов был сформулирован итальянским физиком Амедео Авогадро (1776–1856). Закон этот читается так:
В равных объемах любых двух газов, находящихся при одних и тех же давлении и температуре, содержится одинаковое число молекул.
Выходит, что отношение масс двух газов одинаковых объемов при одинаковых давлениях и температуре равно отношению их молекулярных весов. Законом Авогадро воспользовались, чтобы получить таблицу отношений атомных масс. Отношение масс атомов кислорода и водорода равно 16 : 1,008. И вот ученые договорились считать атомный вес кислорода в точности равным 16. В таком случае молекулярный вес кислорода (молекула кислорода состоит из двух атомов) равен 32, а вес молекулы водорода — 2,016. Они договорились также ввести новую единицу массы для каждого вещества: граммолекулу, или моль.
Граммолекулой, или молем, называется количество вещества, масса которого в граммах равна молекулярному «весу».
Выходит, например, что одна граммолекула водорода равна 2,016 грамма.
Число молекул в одной граммолекуле всегда одно и то же, независимо от вещества. Когда это число подсчитали, оказалось, что оно равно: N = 6,02·1023.
Величину N назвали «числом Авогадро».
По закону Авогадро, 1 граммолекула любого газа занимает один и тот же объем при одинаковых давлениях и температуре. При температуре 0 градусов и давлении 1 атмосфера объем граммолекулы получается равным 22,4 литра.
Плазменное — четвертое состояние вещества
Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет во второе состояние.
Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье состояние.
Ну, а если нагревать дальше? Что будет с газом, если его нагревать до 4, 5, 6 тысяч градусов?
Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.
В таком ответе не было ничего удивительного. Люди не умели тогда получать особенно высоких температур и не могли знать, что будет с веществом, допустим, при 6000 градусов. В обычных топливных печах максимальная температура достигает только 2000, а в электрических — 3000 градусов.
Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по «добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных фантазий.
