Страница 34 из 83
Мы уже говорили, что вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус, нужна 1 калория. Это большая величина. Нагревая 1 литр воды от комнатной температуры до кипения, необходимо затратить столько энергии, сколько хватило бы для подъема собачки весом в 3 килограмма на высоту 10 тысяч метров. Вода медленно нагревается, но и столь же медленно охлаждается. Поэтому ее выгодно применять для водяного отопления зданий. Ее используют также в качестве теплоносителя в атомных реакторах.
Большая теплоемкость воды определяет в значительной мере климат планеты. Почва быстро нагревается, но и быстро отдает тепло. Вода же не транжирит летнее тепло, полученное от Солнца. В течение всей зимы океаны и моря подогревают воздух…
Вода медленно нагревается, и столь же медленно плавится лед. Чтобы превратить его в воду, надо сообщить определенное количество теплоты, называемое теплотой плавления. Теплота, необходимая для плавления 1 грамма вещества, называется удельной теплотой плавления. Для льда она равна 80 калориям, только алюминий обладает большей удельной теплотой плавления.
Как много тепла надо для того, чтобы 1 грамм воды превратить в пар? 538 калорий. Вода обладает наибольшей теплотой парообразования среди всех известных жидкостей. Энергия водяного пара вот уже много десятилетий движет паровозы и пароходы, лопатки паровых турбин.
Почему же вода так отличается от других жидкостей? Как объяснить то, что лед обладает меньшей плотностью, чем вода, что вода имеет максимум плотности, что на ее долю приходится наибольшая теплоемкость и теплота парообразования?
Аномальное поведение воды связано с особенностью ее структуры. Молекула воды несимметрична: центры «тяжестей» положительного и отрицательного заряда в ней не совпадают. Она полярна и, как магнит, обладает двумя полюсами: один — положительный заряд атомов водорода, другой — отрицательный заряд кислорода. В воде образуются так называемые водородные связи. Водород одной молекулы воды вступает в связь с кислородом другой.
Водород в воде соединен с двумя кислородами сразу: со «своим» и с «чужим». Со «своим» он связан крепче. Заметим, что в воде водородные связи гораздо прочнее, чем в других жидкостях, обладающих такой же способностью.
Следовательно, молекулы воды соединены друг с другом прочнее, чем молекулы какой-либо другой жидкости.
Ну, а как они расположены? Начнем со льда — воды в твердом состоянии. Предположим, нам дана задача расположить в ящике бильярдные шары так, чтобы их поместилось как можно меньше, и в то же время так, чтобы они образовали устойчивую структуру. Решив ее, мы обнаружим, что в нашем сосуде один шар соприкасается только с четырьмя другими. Укладка шаров здесь обладает малой плотностью: она ажурна, в ней много пустот, размеры которых несколько больше размеров шаров. Заменим теперь шары молекулами воды — перед нами структура льда. Молекулы между собой соединяются водородными связями. Потрясем сосуд — структура льда нарушится, и, конечно, в сторону уплотнения. Плавление льда — это своеобразная «встряска» его структуры.
Поскольку молекулы воды обладают довольно сильными водородными связями, ее структура — пространственная сетка ее молекул — в основном повторяет структуру льда. Это доказано рентгенографическими исследованиями. Когда лед плавится, происходит частичное заполнение пустот его структуры. Отсюда увеличение плотности и уменьшение объема.
Дальнейшее повышение температуры от 0 до +4 °C сопровождается следующими процессами: с одной стороны, молекулы воды усиливают свои колебания вокруг центра равновесия, с другой — все большее количество молекул попадает в пустоты. Получается более экономичная структура, отчего вода достигает максимума плотности. Увеличение температуры ведет к усилению колебаний молекул вокруг центра равновесия, а значит, к увеличению объема.
С заполнением структурных «пустот» молекулами воды связана большая теплоемкость жидкости. Теплота идет на разрыв водородных связей молекулы: попав в «пустоту», она освобождается от связей с другими молекулами. Этим же объясняется и большая величина теплоты парообразования: энергия здесь тратится на разрыв водородных связей.
Таким образом, аномалии свойств воды связаны со структурной ажурностью ее, с одной стороны, и прочностью водородных связей — с другой.
Может ли вода не портиться месяцами, даже в жару, если она стоит на открытом воздухе?
Известно, что две с половиной тысячи лет назад во время военных походов персидский царь Кир пользовался питьевой водой из особых серебряных сосудов — «священных». Эта вода предохраняла от болезней и не портилась годами. Да и в гораздо более поздние времена «святая» вода была предметом спекуляций у служителей религиозных культов.
Во второй половине XIX века «целебной» водой заинтересовались ученые. Немецкий биолог Негели положил 12 серебряных монет в сосуд, содержащий 12 литров воды. Через некоторое время он обнаружил, что вода получила способность убивать одноклеточные водоросли и бактерии. Причем для этого достаточно было 1 части серебра на сто миллионов частей воды.
Оказалось, что таким же свойством обладает и медь. Его назвали олигодинамическим эффектом (от греческого «олигос» — следы и «динамис» — действие).
«Серебряная вода» получила со временем широкое практическое применение в медицине и для консервирования пищевых продуктов.
Вода, зараженная бактериями дизентерии, брюшного тифа, стафилококка и стрептококка, после введения в нее полграмма серебра на литр делалась стерильной через полчаса. В медицине электролитические растворы серебра употребляются для лечения воспалений, язв желудка и двенадцатиперстной кишки.
Химики XVIII столетия считали воду элементом. Открытие водорода Кэвендишем в 1766 году и опыты по сжиганию газа дали Лавуазье повод усомниться в элементарности воды. В 1783 году Кэвендиш обнаружил, что «горючий воздух» (водород), полученный действием кислот на металлы, и одна пятая обыкновенного воздуха (то есть кислород) при сгорании дают воду. Казалось бы, все ясно, но Кэвендиша попутал флогистон. В то время в химии господствовало учение о флогистоне. Согласно этому учению, все горючие вещества содержат в себе невесомый, невидимый, неслышимый элемент флогистон. При сгорании вещество выделяет флогистон и превращается в негорючий продукт: горючее = флогистон + окалина. Восстановление окисла металла горючим углем так трактовалось флогистиками: окисел + флогистон = металл. Значит, флогистон из угля перешел в металл, а потому-де металл горит, а двуокись углерода — нет. Получив водород, Кэвендиш решил, что в его руках и находится неуловимый флогистон. А потому он и объявил, что вода есть не что иное, как «жизненный воздух» (кислород), присоединивший к себе флогистон.
Между тем во Франции А. Лавуазье разрабатывал антифлогистическую химию. Для него было ясно, что флогистона нет, но сложное ли тело вода, Лавуазье еще не мог сказать точно. Когда до него дошли вести об опыте Кэвендиша, Лавуазье торжественно повторил их при свидетелях. Получив воду сжиганием водорода, он подверг ее всевозможной проверке. Убедившись, что перед ним действительно чистая, дистиллированная вода, Лавуазье зачислил ее, в течение многих веков считавшуюся простым телом, в разряд сложных веществ. Вода состоит из «горючего воздуха» и «жизненного воздуха», из водорода и кислорода — это впервые обнародовал Лавуазье. В 1785 году он определил состав воды: по его данным, она содержала 85 процентов O2 и 15 процентов H2.