Самое необыкновенное вещество в мире - [12]
Так что, по существу, нет ничего удивительного в том, что жидкая вода одновременно немного твердая. Жители фантастического мира, которые были бы способны двигаться в тысячу раз быстрее, чем мы, могли бы преспокойно гулять по воде.
Сколько существует газообразных состояний воды? Только одно — пар. А пар тоже только один? Конеч- но, нет, паров воды столько же, сколько существует различных вод. Водяные пары, различные по изо- топному составу, обладают хотя и очень близкими, но все же различными свойствами: у них разная
49
плотность, при одной и той же температуре они не- много отличаются по упругости в насыщенном со- стоянии, у них чуть-чуть разные критические давле- ния, разная скорость диффузии.
На графике показано, как изменяются с температурой объемы одного грамма льда и жидкой воды. Эти изменения очень малы, но они имеют большое значение для жизни природы. Такой странной и удивительной зависимостью плотности от температуры обладает только вода. Обратите внимание еще на одно удивительное
свойство воды — огромное расширение льда при замерзании. Оно так велико, что графически на одном чертеже представить изменение объема воды при замерзании невозможно. У тяжелой воды температурный ход изменения плотности аналогичен, но замерзает она при 3,8° С и наибольшей плотностью обладает при 11,6° С.
Сколько существует жидких состояний воды? На такой вопрос не так просто ответить. Конечно, тоже одно — привычная нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими необыкновенны- ми свойствами, что приходится задуматься: правилен ли такой простой, казалось бы, не вызывающий никаких сомнений ответ? Вода — единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимает- ся, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Примерно при 4°С у воды наибольшая
51
52
В круге изображено: в нижней части — схематическое расположение атомных ядер водорода и кислорода в молекулах воды, образовавших кристаллическую
решетку льда; в верхней части — молекулы воды, образовавшие ледяной кристалл с сохранением масштабов электронных оболочек. Обратите внимание на рыхлую структуру льда.
плотность. Эту редкостную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершен- но необычайного состава: это раствор воды в воде.
При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворе- ны в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры эти большие молекулы разрушаются,
и поэтому плотность воды растет, пока не начнет преобладать обычное тепловое расширение, при кото- ром плотность воды снова падает. Если это верно, то возможны несколько состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда-нибудь это сделать. Такое необычайное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоемах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока темпера- тура всего водоема не достигнет 4°С. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остается сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создается необычайное положение: тонкий слой хо- лодной воды становится как бы «теплым одеялом» для всех обитателей подводного мира. При 4°С они чувствуют себя явно неплохо.
Положительные заряды в молекуле воды связаны с атомами водорода.
Отрицательные заряды — это валентные электроны кислорода.
Их взаимное расположение в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.
Что должно быть легче — вода или лед? Кто же этого не знает... Ведь лед плавает на воде. В океане плавают гигантские айсберги. Озера зимой покрыты плавающим сплошным слоем льда. Конечно, лед легче воды.
53
Но почему «конечно»?.. Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном рас- плаве. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды — аномалия в природе, исключение, и притом совершен- но замечательное исключение.
Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами и лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды.
Зимой намерзающий сверху более плотный лед тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно водо- ема. Летом лед, защищенный толщей холодной воды, не мог бы растаять.
Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи про- мерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледя- ные глыбы. Наконец, промерзли бы моря, а за ними и океаны. Наш прекрасный цветущий зеленый мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где по- крытой тонким слоем талой воды.
Сколько существует льдов? В природе на нашей Земле — один: обычный лед. Это самый прекрасный из всех минералов. Никакие алмазы не могут срав- ниться блеском и красотой со снежинками, искря- щимися на солнце. Из этого голубовато-зеленого камня сложены на Земле не только горы и колос- сальные ледники, им покрыты целые материки. Лед — горная порода с необычайными свойствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с вы- соких гор. Лед изменчив — он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долго- вечен — десятки тысячелетий хранит он в себе без изменений тела мамонтов, случайно погибших в лед- никовых трещинах.
