разное

МОЛЕКУЛА ВОДЫ

жизни человека, как и в жизни всякого другого су­щества, вода играет громадную роль. Вода нужна для питья, приготовления пищи, для мытья. Давно че­ловек понял и то, что вода необходима для его полей. Поэтому нет ничего удивительного, что ещё древние на­роды, жившие тысячелетия до нас, смотрели на воду как на особое вещество, первооснову всего существую­щего.

«Вода как жидкое, подвижное, всепроникающее, яви­лась началом всего» — учил около двух с половиной ты­сяч лет назад греческий учёный Фалес Милетский. Лет двести спустя крупнейший философ древнего мира Ари­стотель насчитывал уже несколько таких первооснов, «основных элементов» мира, среди которых была и вода.

В высказываниях древних греков, какими бы эти вы­сказывания ни казались нам сейчас по-детски наивными, уже отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека.

С тех пор прошло около 20 веков. Само понятие «элемент» существенно изменилось. Химическим элемен­том стали считать такое вещество, которое уже не мо­жет быть разложено далее на более простые вещества. Число элементов всё увеличивалось и увеличивалось. В списке их оставалась вода.

И этому были причины. Ведь учёные того времени, наблюдая различные явления, в которых участвует вода, никогда не замечали, чтобы она изменялась химически. На их глазах она затвердевала в лёд, но лёд при таянии давал ту же воду. Вода нагревалась до кипения и испа­рялась, но, охлаждаясь, пары снова собирались в капли воды. Вода как вещество оставалась во всех процессах «самой собой» и её считали неразложимым, простым веществом.

Только в конце восемнадцатого столетия было сде­лано важное открытие, что вода есть сложное вещество: вода впервые была получена искусственным путём, при сжигании газа водорода в кислороде. Так было дока­зано, что вода состоит из водорода и кислорода.

Приблизительно в это же время сложный состав воды удалось доказать и обратным путём — разложением воды на составные части. Это сделал французский учё­ный Лавуазье. Через раскалённый ружейный ствол он пропускал пары воды. От действия высокой температуры вода разлагалась. Кислород соединялся с железом, и на внутренней поверхности ствола появлялась окалина (со­единение железа с кислородом), а из ствола выходил газ водород.

А несколькими годами позже вода впервые была разложена на её составные части электрическим током. Этим путём было точно установлено, что в воде по весу находится 11,11 процента водорода и 88,89 процента кислорода, по объёму же водорода выделяется из воды в два раза больше, чем кислорода.

Если оба эти выделившиеся газа смешать, то при комнатной температуре такая смесь может оставаться без изменения очень долго. Чтобы только одна шестая часть смеси превратилась в воду, нам пришлось бы ждать 54 миллиарда лет! Но стоит только поднести к этой смеси горящую спичку или пропустить через неё электрическую искру, как между кислородом и водородом моментально произойдёт химическая реакция: водород сгорит в кисло­роде, и в результате получится вода. Такой опыт надо проводить с большой осторожностью, так как горение всегда сопровождается взрывом большой силы. Поэтому смесь из двух объёмов водорода и одного объёма кисло­рода и названа гремучей смесью.

Чтобы вызвать реакцию между кислородом и водо­родом, вовсе не обязательно нагревать всю смесь. Доста­точно нагреть самый незначительный её объём. В этом объёме начнётся процесс горения водорода — соединение его с кислородом. При этом выделяется очень много тепла (десять граммов гремучей смеси при горении дают такое количество тепла, которого достаточно, чтобы вски­пятить почти пол-литра воды). Выделяющееся тепло пе­редаётся соседним участкам смеси, и процесс горения с чрезвычайной быстротой распространяется по всему

Объёму. Температура в пламени гремучего газа превы­шает 3000 градусов.

Итак, вода — сложное вещество, состоящее из кисло­рода и водорода. Как же построена молекула воды? Как располагаются в ней атомы кислорода и водорода?

Современная наука вооружена очень точными мето­дами исследования, которые позволяют проникнуть в строение вещества так глубоко, что уже теперь с полной уверенностью можно говорить не только о том, из каких атомов составлены молекулы того или другого вещества, но и о том, как располагаются атомы в молекулах. Каж­дая молекула воды состоит из трёх атомов: одного атома

Кислорода и двух атомов водорода. Все три атома расположены в молекуле таким образом, что если мысленно соединить их линиями, то образуется равнобедренный треуголь - Лтом Лтом ник, то-есть треугольник,

Водорода еодорода у которого две стороны

Рис. 3. Схема расположения ато - равны (рис. 3). В верши- мов в молекуле воды. не находится атом кисло­

Рода, а в двух углах при основании — по атому водорода. Расстояния между цен­тром атома кислорода и центрами водородных атомов оди­наковы и равны 97 десятимиллиардным долям сантиметра. Расстояние между центрами атомов водорода равно 154 десятимиллиардным долям сантиметра, а угол при вер­шине, в которой находится атом кислорода, составляет около 105 градусов. Если размер молекулы увеличить в десять миллиардов раз, этот треугольник поместится на не­большом столе.

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 покатую крышу, не останется лежать на её поверхности, а под действием силы тяжести обязательно скатится вниз. Если мы привяжем к нитке какой-нибудь грузик и будем держать нитку за свобод­
ный конец,, грузик натянет нить и расположится, точно по отвесной линии. Отведём грузик немного в сторону и отпустим,. — грузик не останется в новом неустойчивом состоянии, а 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 или из глубокой шахты Дон­басса, была заключена в снежинке или: сверкала ранним утром - в капельке росы на цветке, — любая вода состоит 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 воздействия 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 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 пространстве приблизи­тельно так, как в кристаллах, а при температурах, близ­ких к точке кипения воды, при нормальном давлении, они располагаются более свободно. Однако «каркас», состав­ленный в жидкой воде из отдельных молекул, должен быть очень гибким. Иначе трудно было бы объяснить подвижность воды, способность её участвовать в самых различных процессах, начиная от процессов растворения и кончая переносом питательных веществ по тончайшим сосудам живых организмов.

Повидимому, и в водяном паре при невысоких тем­пературах часть молекул воды объединена или, как го­ворят, ассоциирована.

Вода — самая распространённая в природе и как будто самая обыкновенная жидкость. 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 при 4 градусах Цельсия 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, в этом случае 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.