Возвращение чародея
Шрифт:
«Для физиков и химиков вода — это вещество, занимающее особое место среди миллионов веществ, известных науке, — писал, развивая мысль А. П. Виноградова, профессор И. А. Хвостиков, — почти все физические и химические свойства воды — нечто исключительное, необычное в природе».
В самом деле, почему если объем всех твердых тел при плавлении увеличивается и они тонут в своем расплаве, то лед не тонет, а плавает в воде? — спрашивает физик.
Химика поражает другое. Это способность воды растворять в себе всевозможные вещества. Растворять так много, как ни одна другая земная жидкость.
Физиолог заметит то же и добавит, что все жизненно важные процессы идут в организме
Биохимики и астрофизики убедительно доказывают, что сама жизнь на Земле обязана своим зарождением воде. Многие при этом добавляют: не пресной, а соленой воде (средняя соленость океанической воды 3,5 процента). Не будь вода в океанах соленой — не было бы на Земле ничего живого, жизнь на нашей планете не могла бы зародиться. Ведь соли те — это питание живого.
И еще три мнения, отмечающих важность и исключительность воды.
Географ: «Вода — это строитель природы. Весь облик планеты постоянно меняется, а это ведь проявляет себя работа воды. Нет на Земле ни одного твердого тела, в котором не было бы воды».
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
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 H 2O.
Может быть, как полагают некоторые ученые, эти именно молекулы дают начало «солнечному дождю» на высотах около 100 кмнад 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.