Файл: Кудельский, А. Новеллы о воде.pdf

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

Взяли вы в руки эту книгу и, небось, думаете: «О воде. Интересно, что о ней можно еще напи­ сать? И без того все известно: и что вода — чудо природы, и что ее мало, и что беречь ее надо и экономить. Вот бы о кибернетике что-нибудь...»

которая вокруг нас, которую каждый знает (или думает, что знает), как свои пять пальцев. И все же автор решился. Смелости ему придало то об­ стоятельство, что он в какой-то мере специалист. Конечно, особенно автор не заблуждался, усво­ ив однажды, что там, где это касается воды,— все специалисты.

Вскоре перед ним во весь рост встал во­ прос, как писать. Многим импонируют книги, на­ сыщенные цифровым и справочным материалом. Но если пойти по этому пути, то где уверенность, что вновь созданный труд не будет тут же втис­ нут на вашу книжную полку где-то между посо­ бием по вязанию и путеводителем по Малым Ан­ тильским островам и будет так же часто чи­ таться. В то же время в наш век всеобщей математизации и уважения к цифрам — как без них? Ведь часто только благодаря им мы верим и самому автору и его книге: уж циф­ ры-то соврать не дадут! Впрочем, не верьте, цифры тоже врут. Было же, архиепископ Иероним, проштудировав Библию, "возвестил миру, что Земля и все сущее на ней сотворены за 3941 год до начала современного летосчисле­ ния. С ним не согласился Феофил Антиохский и увеличил этот срок до 5515 лет. Исследования­ ми же блаженного Августина мир наш «поста­

вопросах датирования мироздания придерживался ир­ ландский архиепископ Джеймс Ашер, вычисливший в 1654 году по материалам священного писания, что мир

в 4004-м, но 23 октября, в 9 часов утра. Вот так-то, с циф­ рами...

Теперь о содержании книги. Помните, есть такая ле­ генда, дошедшая до нас из далекого прошлого, о том, как один восточный владыка пожелал узнать все о народах, населяющих мир. Пять лет писали для него мудрецы все­ мирную историю, а на шестой перед глазами изумлен­ ного властелина предстал длинный-предлинный караван верблюдов. И каждый верблюд был нагружен десятками фолиантов, в которых рассказывалось о странах и на­ родах. Понял просвещенный владыка, что до конца жизни не прочитать ему и десятой части написанного, и повелел мудрецам изложить только самое-самое главное. Через день мудрейший из мудрецов преподнес ему маленький ларец сандалового дерева, в котором лежал клочок пер­ гамента с одной-единственной фразой: «Они рождались, жили и умирали».

Этим принципом пересказа необъятного материала воспользовался и автор, познакомив читателя с рождени­ ем, жизнью и смертью воды. Попутно он коснулся ее строения, загадок талой воды, затронул вопросы роста подснежников и бессмертия человека, образования океа­ нов и материков. Совсем немного автор рассказал о таинственной мостовой на глубине шести тысяч метров, о температуре воздуха, ожидаемой в 4300 году, о стран­ ных вулканах и воде из камня. Автору доставляло удо­ вольствие сравнивать, сколько пьет бабочка и человек, тушканчик и многомиллионный город. И узнать, что есть город, в котором утоляют жажду морской водой...

От первой до последней страницы этой книги путь совсем короткий, и автор.хорошо понимает, как мало он успел рассказать. Но он старался рассказывать как мож­ но интереснее и ему — автору—очень хотелось, чтобы эта книга вам понравилась. Ему было бы приятно думать, что вы из нее узнали что-то новое и это новое позволит вам разглядеть в воде — самой обыкновенной воде — то чудо, благодаря которому жив человек.

1. ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ

Представим себе на минуту совершенно фанта­ стическую ситуацию: в качестве пропуска на концерт знаменитого артиста достаточно про­ изнести формулу любого химического соедине­ ния. Одни произнесли бы формулу хлорофор­ ма, другие — серной кислоты, третьи... Боль­ шинство же из нас сообщили бы формулу воды — едва ли не первую химическую фор­ мулу, которую узнает каждый.

НгО. Два атома водорода и атом кислорода. Однако далеко не все могли бы вспомнить, что формула эта не совсем точна и соответ­ ствует лишь молекулярному весу водяного па­ ра. И совсем немногие из присутствующих на этом воображаемом концерте вспомнили бы, что... Впрочем, по порядку.

Итак, два атома водорода и один кислорода составляют молекулу воды. В жидкой воде молекулы ассоциированы, т. е. сгруппированы в своеобразные, похожие на пчелиные рои, однако существуют и одиночные (мономер­ ные) молекулы. В каждом из таких роев может содержаться от 2—8 до 12—150 молекул воды, причем чем выше температура воды, тем мень­ ше размеры роев. С одиночными молекулами рои находятся в равновесии, они растут за их счет, а распадаясь, пополняют число мономе­ ров. Живут такие рои совсем мало, что-то око­ ло одной десятимиллиардной секунды, затем разрушаются и нарождаются вновь. За это свойство физики назвали их «мерцающими роями».

Все мы хорошо знаем, что любое тело из тех, что нас окружают,— это пространство с

там и сям разбросанными частицами — ионами, атома­ ми и молекулами. Удерживаются эти частицы рядом друг с другом электрическими и гравитационными силами. И если расположению ионов, атомов или молекул свойст­ венна какая-либо закономерность, мы говорим о сущест­ вовании кристаллической структуры.

Еще каких-нибудь сто лет назад все, в том числе уче­ ные, видели весьма четкую грань между кристаллом и жидкостью. В наши дни эта грань утратила свою былую определенность. Более того, даже в газе сейчас обнару­ жены слабые черты упорядоченности.

Вода — кристалл? Что может быть неожиданнее! Давно известно, что молекулы воды отличаются вы­

сокой полярностью и своеобразным расположением ато­ мов. Каждая из них имеет четыре полюса электрических зарядов: два положительных, два отрицательных. Распо­ ложены электрические полюса по вершинам тетраэдра, центр которого совпадает с центром молекул водьг. В скобках заметим, что тетраэдр — это фигура, ограни­ ченная четырьмя равносторонними треугольниками. При­ мер из обихода — бумажные пакеты с молоком.

Каждая молекула воды в «мерцающих роях» окру­ жена четырьмя другими молекулами, среда одиночных молекул отличается более плотной упаковкой тетраэдрических пакетов — восемь окружают один. Когда ученые, изучавшие воду, направили своего «пациента» в рентгенкабинет, оказалось, что «рыхлая» структура свойственна льду. По аналогии с минералом тридимитом она бы­ ла названа «тридимитной». При повышении темпера­ туры от 0 до-4 градусов в тридимитной структуре проис­ ходят пакетные перестроения. Плотность воды возра­ стает.

Новое «разрыхление» воды наблюдается выше 4 гра­ дусов и объясняется формированием структуры, назван­ ной по аналогии со структурой одного из наиболее часто встречающихся минералов «кварцевой».

Итак, вода с тетраэдрически координированной ре­ шеткой, несколько схожей с кристаллической решеткой тридимита, существует при температуре ниже 4 градусов, вода со структурой, напоминающей структуру кзарца,— в интервале температур от 4 до 200 градусов.

Две структурные разновидности воды — и это все? Оказывается, нет. При дальнейшем нагревании воды в

условиях высоких давлений «кварцевая» структура трансформируется в структуру с еще более компактной упаковкой. Возникает очень плотно уложенная жидкость типа аммиака.

Существование всех трех перечисленных форм распо­ ложения молекул в воде, конечно же, не следует пони­ мать чересчур упрощенно и буквально: ни «тридимитной», ни «кварцевой», ни идеальной жидкости типа ам­ миака в виде самостоятельных объемов в природе нет. Вы спросите: а как же понимать все то, о чем здесь го­ ворилось? Нужно иметь в виду, что при всех температу­ рах и давлениях вода остается однородной и только средние взаимные расположения молекул в большей или меньшей степени напоминают структуры, с которыми мы познакомились.

2. ДЫРКИ ... В ВОДЕ

Обратили ли вы внимание, что воды разных структур­ ных модификаций различаются по величине плотности? Наименьшей оказывается плотность у льдоподобных структур, постепенно нарастая в интервале температур О—4 градуса, она снова понижается при температурах существования «кварцевой» воды. Максимальной плот­ ностью упаковки молекул может похвастаться разно­ видность воды, которая существует при высоких давле­ ниях и температуре свыше 200 градусов.

Чем объяснить, что вода — эта внешне однородная жидкость — отличается таким широким набором плотно­ стей? Ответ на этот вопрос, каким бы удивительным и неожиданным для нас он ни был, очевидно, один: вода обладает внутренними «запасами пространства», связан­ ного с полостями и дырками в ее структуре. Изменение объемов этих полостей и приводит в конечном счете то к уплотнению, то к разрыхлению упаковки молекул и к изменению объемной плотности воды...

Чтобы наше дальнейшее путешествие в мире воды было приятным и интересным, не будем торопиться по­ кинуть его исходный пункт, где мы знакомимся с внут­ ренним строением самой удивительной на Земле жидкости. Осмотримся еще раз, не забыли ли мы чтонибудь важное, чтобы не возвращаться с полдороги...

3.ОДИН ЗА ВСЕХ И ВСЕ ЗА ОДНОГО

Внаш город приехал Олег Попов. Моя совсем взрос­ лая дочь, вот уже полгода проучившаяся в третьем клас­ се, взволнована, и я почти уверен, что в один из днеіі в

рукописи этой книги не прибавится ни одного слова. В этот день будет цирк, манеж, запах опилок, много света и блеска, много детей, смеха и аплодисментов... По доро­ ге домой я снова буду думать о загадках воды, а моя дочь, как всегда, будет задавать вопросы.

— А почему он не падает? Ведь он стоит на одной ноге, а пирамида из цилиндриков раскачивается... И ру­ ками же он не балансирует, а вращает обручи. И другой ногой тоже...

Я буду невпопад отвечать и думать, что непадающий, неустойчиво-устойчивый жонглер напоминает мне струк­ туру воды, тоже кажущуюся очень зыбкой. А это умение работать не только руками — это же «амплуа» водо­ рода...

В обычную формулу воды, как известно из школьного учебника, входят два одновалентных атома водорода и один двухвалентный атом кислорода. Это не мешает, однако, водороду в действительности проявлять свойства, которые под силу элементу двухвалентному. Не теряя первоначальной ионной связи со своим «собственным» кислородом, он оказывается одновременно стянутым еще с одним и тем самым связывает воедино две молекулы воды.

Н

I

О—Н . . .О—н

1

н

Чем объясняется это странное свойство?

Известно, что молекулы удерживают друг друга бла­ годаря слабым межмолекулярным взаимодействиям. Возникают эти взаимодействия в результате электроста­ тического притяжения положительно заряженного ядра одной молекулы к отрицательно заряженной электронной оболочке другой. И хотя в значительной мере это притя­ жение компенсируется взаимным отталкиванием оболо­ чек и ядер молекул, результирующий эффект взаимодей­ ствий достигает нескольких десятых килокалорий на моль

вещества. А вот между молекулами некоторых соедине­ ний, построенных с участием водорода, силы притяжения возрастают в десятки раз. Объясняется это незначитель­ ным атомным радиусом водорода и отсутствием внутрен­ них слоев электронов, благодаря чему соседняя молекула получает возможность подойти к атому водорода па очень близкое расстояние, не испытывая сильного оттал­ кивания. Особенно подходящим соединением для образо­ вания «водородных связей» является вода.

Мы познакомились уже с двумя трехмерными моде­ лями структуры воды — «тридимитной» и «кварцевой». Каждая молекула воды в составе этих структур, по мне­ нию ученых, способна участвовать в четырех водородных связях. Наличием в воде водородных связей объясняется высокая степень упорядоченности ее молекул, что сбли­ жает воду с твердым телом. С другой стороны, вслед­ ствие таких связей возникают многочисленные полости, определяющие большую рыхлость структуры воды.

Однако с помощью представлений о трехмерности кристаллической структуры воды далеко не всегда, ока­ зывается, можно удовлетворительно объяснить некото­ рые аномалии в ее поведении и свойствах, с которыми мы еще познакомимся.

Принципиально новая двухмерная модель структуры воды предложена недавно итальянским физиком М. Аджено. Каждая молекула воды, по его мнению, мо­ жет участвовать не более чем в двух водородных связях.