Петрянов-Соколов Игорь Васильевич

Самое необыкновенное вещество в мире

И.В. Петрянов

Самое

необыкновенное вещество в мире

ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ ПЕТ- РЯНОВ — видный советский ученый, физико-химик, ака- демик с 1966 г.. Герой Социа- листического Труда. Родился в 1907 г. Окончил Московский университет в 1931 г. Более пятидесяти лет работает в Фи- зико-химическом институте имени Л. Я. Карпова, профес- сор Менделеевского института. Он один из немногих исследо- вателей, развивающих такие новые, очень важные области науки, как учение об аэрозо- лях и др.

И. В. Петрянов — активный общественный деятель, борец за охрану природной среды, за чистоту атмосферы нашей планеты. И. В. Петрянов на- гражден тремя орденами Ле- нина. Он Лауреат Ленинской и Государственной премий СССР.

И. В. Петрянов

Самое

необыкновенное вещество в мире

Библиотечка

Детской

энциклопедии

Москва

«Педагогика,

1981

Редакционная

коллегия:

И. В. Петрянов(главный редактор),И. Л. Кнунянц,

А. Л. Нарочницкий

Издание 2-е

ББК 24.5ПЗО

Петрянов И. В.

ПЗО Самое необыкновенное вещество в ми- ре.— М.: Педагогика, 1981. — 96 с., ил.— (Б-чка Детской энциклопедии «Ученые — школьнику*).

25 коп.

Увлекательная беседа о самом простом и всем известном соедине- нии — о воде. Автор книги крупный советский ученый академик И. В. Пе- трянов в форме вопросов и ответов рассказывает о том, что такое вода, каковы ее физико-химические свойства.

Юный читатель узнает, что всем известная вода среди необозримого множества веществ занимает совершенно особое, исключительное место.

Автор рассказывает о некоторых загадочных свойствах воды, кото- рые до сих пор ученые не могут еще понять и объяснить.

Те, кто прочтет эту книгу, узнают о воде много нового, загадочного, удивительного.

60403-005

П 47-81.4306000000 ББК 24.5

005(01 )-81 541

© Издательство «Педагогика», 1981 г.

Что такое вода?

Такой вопрос может показаться не только стран- ным, но и немного невежливым. Кто же этого может не знать? Всякий знает, что вода — это соединение водорода и кислорода. Вот ее всем известная фор- мула: Н_20.

С водой очень хорошо знаком каждый, кто при- вык умываться по утрам, пьет чай, умеет плавать, любит бегать под дождем, не боясь промокнуть, кататься на коньках и ходить на лыжах.

А что такое водород? Вообще говоря, подобные вопросы задавать не следует. На них просто нельзя ответить из-за неисчерпаемости содержания. Всю жизнь можно отдать изучению водорода, и до конца ответа не получить.

Но все-таки кое-что сказать следует. Химики до сих пор никак не могли решить, где же должен стоять водород в таблице Менделеева, и помещают его одновременно сразу в двух группах: в VII, где он зачисляется в родственники галогенам —

3

фтору, хлору, брому, и в I группу за его сходство со щелочными металлами — литием, натрием, ка- лием. Так что же такое водород?

В свое время советские исследователи, изучая свойства водорода при высоких давлениях, обна- ружили, что при давлении около трех миллионов атмосфер сжатый водород внезапно приобретает удивительное свойство — он становится электропро- водным, так же как любые обычные металлы.

Это явление теоретики предвидели уже давно, а теперь оно обнаружено на опыте.

Как ни удивительно, но, по-видимому, водород — металл.

Что такое кислород? В этой книжке ответа на этот вопрос не ищите. Обращайтесь для начала к учеб- нику.

Сколько существует различных водородов? в при- роде существует три различных водорода — три его изотопа. Самый легкий - 1Н. Химики его часто называют протием. Водород в обычной воде почти нацело состоит из протия. Кроме него во всякой воде есть тяжелый водород — дейтерий 2 Н, его ча- ще в химии обозначают символом D. Дейтерия в воде очень мало. На каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия. Кроме протия и дейтерия существует еще сверхтя- желый водород 3Н. Его обычно называют тритием и обозначают символом Т.

Тритий радиоактивен, период его полураспада немного больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излуче- ния. Количество трития на нашей Земле исчезающе мало — меньше одного килограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, его можно обнаружить повсюду, в любой капле воды.

б

Физики научились получать тритий искусствен- но в ядерных реакторах.

Ученые заподозрили, что возможно существо- вание четвертого изотопа водорода — 4Н и даже пятого — 5Н. Они тоже должны быть радиоактив- ными.

Л больше нет никаких водородов? Да, как будто бы больше нет. По крайней мере, ученые пока новых водородов еще не нашли. Но зато известны антипро- тон и позитрон. Значит, можно говорить об антиво- дороде, в атомах которого вокруг отрицательного ядра (антипротона) вращается положительный элек- трон (позитрон). Найден также и антидейтрон, сле- довательно, возможно, что существует и антиизо- топ водорода с массовым числом 2 — антидейтерий. Недавно найдено ядро антитрития.

Не может быть никакого сомнения в том, что из этих антиядер и позитронов могут образоваться антиатомы, но пока даже самых простых антиато- мов антиводорода никто еще не наблюдал.

Сколько на свете кислородов? В природе найдены три различных изотопа кислорода. Больше всего легкого кислорода 16О, значительно меньше тяже- лого^18О, и совсем мало кислорода 17О. В кисло- роде воздуха, которым мы дышим, на каждые 10 ато- мов 17О приходится 55 атомов 18О и более 26 000 атомов изотопа кислорода^16О.

Физики сумели создать в своих ускорителях и реакторах еще пять радиоактивных изотопов ки- слорода: 13О, 14О, 15О, 19О, 20О. Все они живут очень недолго и через несколько минут распадают- ся, превращаясь в изотопы других элементов.

Сколько может быть различных вод? Если подсчи- тать все возможные различные соединения с общей

6

Если же окончательно подтвердится сообщение о том, что существуют еще два сверхтяжелых изотопа водорода — 4Н и 5Н, то будут возможны уже сто двад- цать различных вод. Но и это еще не все. Советские физики в 1970 г. на большом ускорителе многоза- рядных ионов создали совершенно удивительный кислород — сверхтяжелый изотоп 2 4 О. В его ядре огромный избыток нейтронов, и оно очень неустой- чиво. Если принять во внимание и этот новый изотоп кислорода, то тогда различных вод можно будет на- считать уже сто тридцать пять!

Подсчитайте сами, сколько различных вод, моле- кулы которых содержат тритий, может образовывать- ся на границе с космосом и постепенно вместе с дож- дями выпадать на землю. Попробуйте сосчитать так- же, сколько различных радиоактивных вод возникает в воде, охлаждающей атомный реактор. Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воды, в нем всегда окалсется смесь различных молекул, неодинаковых по изотоп- ному составу. Конечно, вероятность образования мо- лекул с разным изотопным составом далеко не оди- накова. Молекулы, содержащие сразу два или три редко встречающихся изотопных атома, будут воз- никать так редко и их будет так мало, что, по мне- нию физиков, их пока можно не принимать во вни- мание.

7

формулой Н_20, то результат покажется неожидан- ным: всего могут существовать сорок восемь разных вод. Из них тридцать девять вод будут радиоактив- ными, но и стабильных, устойчивых вод тоже бу- дет немало — девять:

Что же такое обыкновенная вода? Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда не- обыкновенная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав зависит от истории воды — от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии ее круговорота в природе. При испаре- нии вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьев. В каж- дом источнике свой изотопный состав воды.

Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изо- топный состав льда изменился: в нем уменьшилось содержание тяжелого водорода, но повысилось ко- личество тяжелого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лед был по- лучен.

Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водород, то получится снова вода, но совсем другая, потому что в воздухе изотопный состав кисло- рода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. Но зато в отличие от воды изотоп- ный состав воздуха один и тот же на всем земном шаре.

Вода в природе не имеет постоянного изотопного состава, она вечно меняется, и только поэтому нельзя сказать, что где-то есть какая-то обыкновенная вода.

Что такое легкая вода? Это та самая вода, формулу которой знают все школьники — 'Н_2|60. Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили ученые. Она им понадобилась для точ- ного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях ми-

8

ра где изучают свойства различных изотопных со- единений.

Что такое тяжелая вода? И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжелой воду» состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода — D_2I80; но такой воды нет даже и в лабораториях ученых. Конечно, если эта вода понадобится науке или технике, ученые сумеют найти способ, как ее получить: и дейтерия, и тяжело- го кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято условно назы- вать тяжелой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кисло- роду в этой воде соответствует обычно составу кисло- рода воздуха. Формулу тяжеловодородной воды на- писать нельзя. Это не химическое соединение, а смесь нескольких различных вод, в которых во всех содер- жится дейтерий, легкого водорода нет совсем, а ста- бильные изотопы кислорода в этой смеси вод с раз- ным изотопным составом находятся точно в таком же соотношении, в каком они присутствуют в воздухе.

Еще совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих стра- нах мира работают гигантские заводы, перерабаты- вающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из нее дейтерий и получить чистую тяжелую воду.

Бывает ли полутяжелая вода? Полутяжелой водой можно назвать воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непре- рывно переходят из одной молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет

9

соответствовать формуле полутяжелой воды, нетруд- но. Но благодаря реакции обмена

2HD = Н_20 + D_20

она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом: Н_20, HDO, D_20.

Что такое нулевая вода? Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. И для нулевой воды формулу не напишешь. Ока тоже смесь нескольких вод, каждая из которых состоит из легкого водорода и одного из стабильных изотопов кислорода. Соотношение между кислородами в ну- левой воде тоже точно такое же, как в воздухе. Тяже- лого водорода в нулевой воде нет.

Эту воду физико-химики выбрали в качестве эта- лона: у нее очень постоянный состав. Ее не так уж трудно получать, и с ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия.

А может быть, есть еще какая-нибудь вода? Кроме всех перечисленных вод еще существует тяжело- кислородная вода — Н_2^18О. Получить ее из природной воды очень сложно и трудно. До сих пор эту воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел пригото- вить. Тяжелокислородная вода очень нужна для ис- следования многих биологических и химических про- цессов, поэтому довольно концентрированные раство- ры этой воды в воде обычной получают теперь на заводах.

А радиоактивная вода существует? Да. Физики на- учились получать тритиевую воду искусственным пу- тем в атомных реакторах. Из-за сильной радио- активности эта вода очень опасна. Пока такая вода нужна только ученым.

10

Больше еще никаких вод не получено? Больше нет. Просто потому, что все остальные возможные воды пока еще никому не нужны. Если понадобятся и они, то, без сомнения, наука найдет способ получать лю- бую из них.

Должна ли существовать антивода? К сожалению, физики на этот вопрос пока ответить не могут. Хотя и есть все основания утверждать возможность сущест- вования антиводорода, но говорить об антикислороде еще рано. Советские исследователи, правда, уже по- лучили ядра одного из изотопов антигелия — анти- гелий-3. Если уже получен антиэлемент № 2, то мож- но высказать надежду, что физики скоро могут дойти и до антиэлемента № 8 (антикислорода), скорее всего, они приготовят его сами. Тогда можно будет говорить и об антиводе. Вода же из антиводорода и обычного кислорода, как вы сами понимаете, немыслима. Их встреча может только привести к большой ката- строфе.

Поэтому не следует пока подсчитывать число раз- личных вод, содержащих изотопы антиводорода. Для того чтобы могла возникнуть молекула антиводы, должен существовать и антикислород. Пока мы еще о нем ничего не знаем. Но может быть, где-нибудь в недрах Вселенной есть миры (физики и астрономы обсуждают этот вопрос совершенно серьезно), состоя- щие из антивещества. В этих антимирах и суще- ствует, может быть, столько же различных антивод, сколько мы их насчитали в нашем мире. Так это или нет, никто еще сказать не может. Поэтому, сколько всего в мире может существовать различных вод, мы еще не знаем.

Много ли различных вод содержится в воде? В какой воде? В той, что льется из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжелой воды D_2I60 около 150 г

11

Тяжелая вода замерзает при более высокой температуре, чем обычная вода...

...и кипит при более высокой температуре.

на тонну, а тяжелокислород- ной (Н_2^170 и Н_2^180 вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тя- желой воды почти 165 г на тонну.

В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжелой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжело- кислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бе- гущих по этому леднику,D_2^160 оказалось меньше на 7 г, а Н_2^180 — на 23 г боль- ше, чем в речной.

Тритиевая вода Т_2^160 вы- падает на землю вместе с осадками, но ее очень мало — всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды.

В океанской воде ее еще меньше.

Строго говоря, вода всегда и всюду разная. Даже в снеге, выпадающем в разные дни, разный изотопный состав. Конечно, отличие невелико. Всего 1 — 2 г на тонну. Только, пожалуй, очень трудно ска- зать — мало это или много.

В чем же различие между легкой природной и тяжелой водой? Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому

12

Тяжелая вода потому и тяжелая, что тяжелее обычной.

Ее плотность 1,104.

он задан. Каждый из нас не сомневается, что с во- дой-то он знаком хорошо. Если каждому из нас по- казать три стакана с обычной, тяжелой и легкой водой, то каждый даст совершенно четкий и опреде- ленный ответ: во всех трех сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними ника- кой разницы. И это будет верно. Это все — вода.

Химик на этот вопрос ответит почти так же, меж- ду ними нет почти никакой разницы. Все их хими- ческие свойства почти неразличимы: в каждой из этих вод натрий будет одинаково выделять водород, каждая из них при электролизе будет одинаково разлагаться, все их химические свойства будут почтисовпадать. Это и понятно: ведь химический состав у них одинаков. Это вода.

Физик не согласится. Он укажет на заметную раз- ницу в их физических свойствах: и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, а упругость их пара тоже немного различна. И при электролизе они разлагаются с разной ско- ростью. Легкая вода чуть быстрее, а тяжелая — по- медленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащен- ным тяжелой водой. Таким путем она и была откры-

I

13

та. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, изменяются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.

Биолог, пожалуй, станет в тупик и не сразу сумеет найти ответ. Ему нужно будет над вопросом о раз- личии между водой с разным изотопным составом еще немало поработать. Совсем недавно все считали, что в тяжелой воде живые существа не могут жить. Ее даже мертвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, осторожно и постепенно заме- нять протий в воде, где живут некоторые микроорга- низмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжелой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться, а обычная вода для них станет вредной.

Кому же нужна тяжелая вода? Человечеству! Оно уже стоит у порога, за которым ждет его страшная угроза энергетического голода. И вся надежда связа- на с тем, что будет решена проблема, как использо- вать для энергетики тяжелую воду.

Зачем нужна тяжелая вода теперь? Все, что мы до сих пор говорили, касалось тех свойств, которые зависят от строения атомов, от их порядкового номе- ра, от числа и расположения электрических зарядов в атомных ядрах и электронов в молекуле. Только это и определяет химическое поведение вещества. Строение молекулы не зависит от массы атомного ядра. Поэтому одинаковые молекулы с разным изотопным составом химически почти неразличимы.

Правда, в науке слово «почти* нужно употреблять очень осторожно и осмотрительно. Это верно, что химические соединения, различные по изотопному составу, по химическим свойствам почти неразли- чимы. Но все же они ведут себя немного по-разному, хотя наблюдаемые при этом изотопные эффекты

14

очень невелики: чуть-чуть различаются по скорости реакций, у них чуть-чуть различны значения кон- станты равновесия. Различаются между собой спектры одинаковых по составу и строению мрлекул с разным изотопным составом.

Сходство в свойствах изотопных соединений пре- кращается, когда вопрос касается кинетических и ядерных характеристик. Молекула, содержащая тяжелый изотопный атом, при той же температуре движется с меньшей скоростью, при столкновении таких частиц иначе протекает обмен кинетической энергией. А самое главное — изменяется способность вступать в ядерные превращения. Вот эти-то свойства резко отличают тяжелую воду от любой другой воды с иным изотопным составом: ведь в ее состав входит тяжелый водород. В наши дни тяжелая вода успеш- но применяется в атомной энергетике для замедления нейтронов в ядерных реакторах.

Роль замедлителя в атомном котле очень важна. Когда ядро урана-235 распадается на два атомных ядра-осколка, из него одновременно вылетают два или три нейтрона. Скорость их огромна, она превыша- ет 20 000 км/с. Эти быстрые нейтроны не могут сами вызвать новый распад в других атомах урана. Они пролетят мимо них с такой быстротой, что про- сто не успеют прореагировать. Нейтроны нужно замедлить примерно до 2,2 км/с, так чтобы они при- шли в равновесие с тепловым движением окружаю- щих молекул. При этом энергия нейтронов должна уменьшиться почти в 60 млн. раз. Далеко не всякое вещество пригодно в качестве замедлителя. Выбор очень ограничен. Во-первых, оно не должно погло- щать нейтроны, вступая само в ядерные реакции, а во-вторых, оно должно состоять обязательно из легких элементов с малыми массовыми числами. При соударении с тяжелым ядром скорость нейтрона почти не изменяется, точно так же как почти не

15

изменяется скорость мяча, отскакивающего при ударе о стенку.

Самым лучшим замедлителем мог бы быть легкий водород, но он заметно поглощает нейтроны. Тяже- лый водород их почти не поглощает. Нейтрону, попавшему в тяжелую воду, достаточно всего 25 раз столкнуться с тяжелым водородом, чтобы потерять свою высокую энергию и приобрести спо- собность взаимодействовать с ураном. Неплохой замедлитель — углерод в форме графита, но нейтро- ну в нем приходится испытывать около 110 столкно- вений, чтобы утратить начальную скорость.

Используя тяжелую воду как замедлитель, кон- структоры создают очень эффективные, а главное, легкие и компактные атомные энергетические уста- новки, применяемые в основном на транспорте.

Зачем еще нужна тяжелая вода? Чтобы исследовать механизм многих химических, физических и биоло- гических процессов. Это, конечно, скромное, но очень важное применение тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в котором не при- нимали бы участия вода или водород. Атомы тя- желого водорода — наиболее важные меченые атомы. Их, как разведчиков в бой, направляют хи- мики в исследуемые реакции, чтобы проследить за ее ходом. В наши дни уже возникла и быстро раз- вивается самостоятельная область науки — химия изотопного обмена. Наиболее важная ее задача — изучать с помощью дейтерия механизм химических реакций при получении органических соединений и исследовать их строение.

Почему же человечеству будет нужна именно тя- желая вода? Чтобы ответить на этот вопрос, нельзя обойтись без самого замечательного языка — без язы- ка цифр и формул. Он понятен всем по-настояще-

16

му грамотным людям, в какой бы стране они ни жили и на каком бы языке ни разговаривали.

Для химиков теперь очень точно измерены массы всех изотопных атомов. Вот некоторые значения этих масс:

Это немалая энергия. В наше время, чтобы по- лучить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много ни мало 13,5 т первосортного угля. А ведь его еще нужно, добыть из шахт и доставить из-под земли к топке.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затра- те всего лишь двух молей дейтерия, которые содер- жатся в одном моле тяжелой воды. Следовательно, простой воды потребуется:

17

Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возможность реакции между атомами дейтерия:

В такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется обычная химия; в резуль- тате реакции получается недостача:

Это немалая недостача. Она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может проте- кать реакция между двумя молями тяжелого водо- рода, то, согласно уравнению Эйнштейна можно было бы получить энергию:

или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле неисчерпаемы.

Что же мешает получать энергию из воды? Такая возможность пока что кажется фантастической, но она вполне реальна. На пути к ее осуществлению наука уже преодолела немало трудностей. Решена сложнейшая проблема, как извлекать тяжелую во- ду из природной. Теоретически исследованы и рас- считаны условия, при которых возможны ядерные реакции между легкими атомами.

Но к сожалению, исследователи встретили много трудностей. Насколько они серьезны, может пока- зать простой расчет: чтобы два атома могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнуться, т. е. сблизиться до расстояния примерно 10-14м, начиная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электростатическое отталкивание.

Но ядра атомов защищены, как броней, своими электронными оболочками. Эти оболочки простира- ются на расстояние в десятки тысяч раз большее. А самое главное — ядра заряжены и отталкиваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Энергию, необходимую для того, чтобы пре- одолеть их взаимное отталкивание, рассчитать не- трудно. Из закона Кулона следует, что потенциаль- ная энергия двух ядер, сблизившихся на расстояние 10-14м, должна быть равна:

если между собой сталкиваются элементы с атом- ными номерами Zl и Z.;.

18

Конечно, мир атомных величин не очень привы- чен и нагляден, и трудно сразу представить себе, какова же эта энергия — мала или не очень мала. Но легко сообразить, с какой скоростью должны сталкиваться атомы, чтобы преодолеть потенциаль- ную энергию электростатического отталкивания. Они должны обладать не меньшей кинетической энергией или по крайней мере равной. Следовательно, можно написать:

19

массу одного атома можно найти из атомной массы, зная, сколько атомов содержится в одном моле:

Можно найти и скорость, с которой должны столк- нуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реак- ция:

У дейтерия атомный номер Z=l. Масса изотопаА — 2, следовательно, скорость атомов должна быть равна: v=3,8 10^6 м/с, или 3800 км/с. При обычной температуре физикам известна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 км/с. При комнатной температуре, равной примерно 293 К, кинетическая энергия мо- лекул возрастает пропорционально абсолютной тем- пературе, или, что то же самое, пропорционально квадрату скорости.

Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до темпе- ратуры:

Итак, сталкиваться и реагировать между собой мо- гут только ядра дейтерия, «нагретые» до темпера- туры свыше миллиарда кельвинов. Вот в этом-то и заключается довольно серьезное затруднение для подлинных героев науки — физиков, посвятивших свою жизнь труднейшей и величественнейшей из проблем — стремлению обеспечить энергией будущие поколения.

Быть может, тяжелую воду можно чем-нибудь за- менить? Ничем. Тяжелая вода как источник тяже- лого водорода для термоядерных реакций с целью получения энергии, по-видимому, незаменима. Это следует из того, что необходимая для начала реак- ции температура сильно возрастает по мере увели- чения атомного номера элемента. В самом деле, попробуйте сами подсчитать, какой температуре будет соответствовать кинетическая энергия частиц, способных преодолеть электростатическое отталки- вание ядер атомов бериллия или кремния. Часть дейтерия можно заменить на тритий, но этого изо- топа в природе почти нет.

Неужели это все-таки возможно? Очень трудно, но возможно. Во-первых, природа и физика идут навстречу исследователям: чтобы началась реакция, не нужно, чтобы весь газ был нагрет до такой не- мыслимо чудовищной температуры. Достаточно, если отдельные атомы будут обладать в нем столь высокой энергией.

Во всяком газе при любой температуре есть час- тицы с разными скоростями, от очень малых до очень больших. Благодаря этому реакция между атомами дейтерия будет идти с достаточной ско- ростью даже и при температуре, в несколько раз меньшей, чем 10° К. Это намного облегчает задачу.

Кроме того, существует так называемый туннель-

20

ный эффект, благодаря которому всегда есть неко- торая вероятность, что реакция между ядрами все же может произойти, даже если их кинетическая энергия будет несколько ниже, чем необходимо для преодоления электростатического отталкивания.

Поэтому для начала термоядерного процесса между ядрами тяжелого водорода оказывается впол- не достаточной температура всего только в триста миллионов кельвинов! Если же вести реакцию меж- ду дейтерием и тритием, то будет достаточно и сорока миллионов кельвинов.

Как же это будет сделано? Это уже сделано. Физи- ки осуществили реакцию термоядерного взрыва, в которой температура, необходимая для начала ядерного синтеза более тяжелых элементов из лег- ких ядер, достигается взрывом атомного заряда —запалом.

Но очень, очень много осталось еще сделать. Ведь нужен человечеству не взрыв, а управляемая реакция — источник энергии для промышленности, для транспорта, для всего, что будет необходимо обществу будущего. Нужна термоядерная «топка» —топка с температурой в сотни миллионов кельви- нов.

Можно быть уверенным, что эта задача будет ре- шена. Физики в нашей стране первыми нашли по- истине совершенно удивительный путь к созданию термоядерного реактора. Они доказали, что такая «топка» возможна, хотя в природе нет и не мо- жет быть материала, способного выдержать такую температуру. Они доказали, что ее стенками могут служить мощные электромагнитные поля. Неощу- тимые, невидимые, прозрачные, они будут непрони- цаемыми для ядер тяжелого водорода и для лю- бых других элементов даже при температуре в сто, а может быть, и больше миллионов кельвинов.

21

На сколько времени хватит человечеству энергии,Не менее чем на миллиард лет.

22

Вода во Вселенной

Разве в космосе вода есть? Да, оказывается, вода есть в космическом пространстве. Десять лет назад астрофизики с помощью радиотелескопа обнаружи- ли идущие к нам из космоса странные короткие радиоволны — длиной 1,35 см. Оказалось, что это излучение исходит от загадочных гигантских обла- ков, расположенных в нашей Галактике в созвездии Ориона, Кассиопеи и в некоторых других созвездиях.

Теоретический расчет показал, что такое излуче- ние принадлежит... воде. Молекулы водяного пара поглощают инфракрасную часть спектра света звезд и переходят в возбужденное состояние. При этом возрастает уровень энергии их вращательного дви- жения. Когда же молекулы снова возвращаются в основное состояние, то они начинают излучать энер- гию на волне 1,35 см. Водяные облака занимают в космосе огромные пространства: их размеры в разных созвездиях колеблются от одной до сорока астрономических единиц, а единица расстояния у астрономов равна расстоянию от Земли до Солнца.

Но в космических просторах существует не толь- ко одна вода. Радиоастрономы ищут и находят все более и более сложные молекулы.

Уже найдены гидроксил, аммиак, формальдегид, окись углерода, циан, цианид водорода, и даже, как это ни удивительно, ученым удалось найти сложную молекулу с линейной углеродной цепью — ацетиленилцианид.

Это поразило ученых: такие углеродные цепи характерны для органических молекул, и они обна- ружены впервые в космосе. В созвездии Стрельца существуют облака межзвездного газа — скопления ацетиленилцианида.

23

В присутствии воды в глубинах космоса должны идти химические процессы: даже только те химичес- кие соединения, которые уже там открыты, могут стать основой многочисленных химических реакций, ведущих к образованию еще более многочисленных соединений.

Таким образом, в наши дни учеными заклады- ваются основы новой удивительной науки — химии космоса. Интересно будет познакомиться с ее буду- щими достижениями...

И на других планетах вода есть? На этот вопрос можно дать совершенно определенный и точный ответ: да, на других планетах также есть вода.

Советские ученые послали на планету Венера автоматические химические лаборатории, которые непосредственно в атмосфере планеты произвели химический анализ ее состава и передали результа- ты на землю по радио.

Пролетев 500 млн. км, первая из них — «Вене- ра-4» произвела успешный спуск на парашюте в атмосфере «планеты загадок», выполнила уникаль- ные измерения физико-химического состояния атмо- сферы: температуры, давления, плотности — и пря- мо на месте проанализировала химический состав газов. Это произошло впервые в истории науки 18 октября 1967 г. Две последующие автоматичес- кие станции достигли Венеры в мае 1969 г. И под- твердили ранее полученные результаты. (

Было найдено, по уточненным данным, что на Венере «воздух» содержит:

углекислого газа — около 97 %

'о,

кислорода

азота

паров воды

—  не более 0,1%,

—  не более 2%,

—  около 1 %.

24

15 декабря 1970 г. межпланетная автоматическая станция «Венера-7» достигла поверхности планеты и передала на Землю сведения непосредственно с поверхности Венеры. Оказалось, что температура на планете превышает 470°С, а давление в 90 раз больше, чем на Земле.

Конечно, жидкой воды на Венере нет. Существо- вание известных нам форм жизни на Венере невоз- можно. Но вода там есть, это бесспорно.

Есть предположение, что вода существует и в атмосфере Марса. В течение многих лет астрономы неоднократно наблюдали на Марсе загадочные яркие вспышки. Они послужили неплохой завязкой сюже- та для многих фантастических романов. Но недав- но эти таинственные вспышки были разгаданы. Со- ветские ученые путем точного измерения углов световых лучей от этих вспышек с направлением на Солнце установили, что они вызваны отражением солнечных лучей от кристалликов льда, витающих в атмосфере Марса. Такие же явления часто наблю- даются и на Земле, когда в сильные морозы на небе появляются изображения ложных солнц. Так что очень может быть, вода есть и на Марсе. Сов- сем недавно это предположение получило веское подтверждение: следы водяного пара были обнару- жены в атмосфере Марса спектроскопическим пу- тем.

Астрофизики уже нашли воду и на Юпитере. Эта гигантская планета, пожалуй, с еще большим правом может быть названа планетой загадок. На ро- ли воды в атмосфере Юпитера следует остановиться подробнее. Хотя в этом много таинственного и не- разгаданного, но, может быть, именно тут наука приближается к решению величайшей тайны — тай- ны зарождения жизни во Вселенной.

Раскаленное, хотя и недостаточно для начала термоядерных процессов, ядро Юпитера окружено

25

оболочкой из металлического водорода. Снаружи планета покрыта плотным слоем атмосферы тол- щиной в десятки тысяч километров. Внешняя тем- пература Юпитера очень низка — около —100°С. Атмосфера его состоит главным образом из водорода и гелия. Но в ней обнаружены также метан, аммиак, сероводород и... вода.

Самые удивительные и таинственные превраще- ния протекают в той зоне атмосферы Юпитера, где условия сходны с земными — температура лежит в пределах от 0° до 100°С и давление не превышает двух-трех атмосфер.

Астрономы обнаружили, что на Юпитере непре- рывно происходят чудовищные грозы и ураганы. Там должен идти снег и дождь, как и на Земле, из воды. Но там еще льются ливни из жидкого аммиака и сероводорода, там выпадает снег из аммиака. Но и снег и ливни никогда не достигают поверхности Юпитера (быть может, ее и не сущест- вует), снова возгоняются и вновь выпадают.

Эти чудовищные условия страшного мира гигант- ской планеты исследователи не раз пытались воссо- здать в своих лабораториях. Под действием электри- ческих разрядов и ионизирующего излучения в модельном юпитерианском «воздухе» из паров воды, аммиака и метана возникали многочисленные орга- нические соединения, и среди них даже аминоки- слоты и углеводороды.

Многие из образующихся химических соедине- ний оказались яркоокрашенными, и их цвета по своему спектральному составу сходны с окраской облачных полос на Юпитере. Многие ученые счи- тают, что в атмосфере Юпитера существуют усло- вия, благоприятные для возникновения жизни.

И на Луне пода есть? Нет. Никто из людей, побы- вавших на Луне, пока еще воды там не нашел.

26

Правда, однажды американский космический ко- рабль зарегистрировал на Луне извержение зага- дочного «гейзера», но, что это было, пока еще не установлено.

А на кометах вода есть? Есть. Многие ученые счи- тают, что голова кометы представляет собой твер- дое тело—«грязный лед», состоящий из смеси обыкновенного водяного льда и льда из застывших в космическом холоде газов аммиака, метана. В этот лед вкраплены частицы твердого метеоритного вещества, состоящего главным образом из железа, кальция, кремния и других химических элемен- тов.

Когда комета приближается к Солнцу, более лег- кие молекулы испаряются, образуя величественный хвост кометы. В спектре сияния хвоста кометы и были обнаружены линии гидроксила, образующегося при распаде молекул воды.

Где еще во Вселенной может быть вода? На звездах и на нашем Солнце она вряд ли может быть. Хотя там есть и водород и кислород, но при чудовищных температурах звезд молекулы воды не могут обра- зоваться. Но астрономы установили, что у многих звезд во Вселенной, подобно тому, как у Солнца, есть планетные системы.

Состав первичной атмосферы этих планет должен состоять из соединений водорода — наиболее обиль- ного элемента в космосе, больше всего должно быть молекул водорода — Н_2, воды — Н_20, аммиака —NH3 и метана — СН_4.

Вода есть во всех уголках Вселенной. Это бес- спорно.

Знает ли вода, что происходит в космосе. Этот вопрос затрагивает область столь необыкновенных,

27

столь таинственных, до сих пор совершенно не- понятных наблюдений, что они вполне оправды- вают образную формулировку вопроса. Эксперимен- тальные факты как будто бы установлены твердо, но объяснения для них пока еще не найдено.

Поразительная загадка, к которой относится во- прос, была установлена не сразу. Она относится к малозаметному и как будто бы пустяковому явле- нию, не имеющему серьезного значения. Это явле- ние связано с самыми тонкими и пока непонятными свойствами воды, трудно доступными количествен- ному определению, — со скоростью химических реак- ций в водных растворах, и главным образом со скоростью образования и выпадения в осадок труд- норастворимых продуктов реакции. Это тоже одно из бесчисленных свойств воды.

Так вот, у одной и той же реакции, проводимой в одних и тех же условиях, время появления первых следов осадка непостоянно. Хотя этот факт был давным-давно известен, химики на него внимания не обращали, удовлетворяясь, как это еще часто бывает, объяснением «случайными причинами», Но постепенно, по мере развития теории скоростей реакции и усовершенствования методики исследо- вания, этот странный факт стал вызывать недоуме- ние.

Несмотря на самые тщательные предосторожнос- ти в проведении опыта, в совершенно постоянных условиях результат все равно не воспроизводится: то осадок выпадает сразу, то приходится довольно долго ждать его появления.

Казалось бы, не все ли равно — выпадает осадок в пробирке за одну, две или через двадцать секунд? Какое это может иметь значение? Но в науке, как и в природе, нет ничего не имеющего значения.

Странная невоспроизводимость все более и более занимала ученых. И наконец, был организован и

28

осуществлен совершенно небывалый эксперимент. Сотни добровольных исследователей-химиков во всех частях земного шара по единой, заранее разрабо- танной программе, одновременно, в один и тот же момент по мировому времени снова и снова повто- ряли один и тот же простой опыт: определяли ско- рость появления первых следов осадка твердой фазы, образующейся в результате реакции в водном рас- творе. Опыт продолжался почти пятнадцать лет, было проведено более трехсот тысяч повторений.

Постепенно стала вырисовываться удивительная картина, необъяснимая и загадочная. Оказалось, что свойства воды, определяющие протекание в водной среде химической реакции, зависят от времени.

Сегодня реакция протекает совсем иначе, чем в тот же момент она шла вчера, и завтра она будет идти снова по-другому.

Различия были невелики, но они существовали и требовали внимания, исследования и научного объяснения.

Результаты статистической обработки материалов этих наблюдений привели ученых к поразительному выводу: оказалось, что зависимость скорости реак- ции от времени для разных частей земного шара совершенно одинаковая.

Это означает, что существуют какие-то таинст- венные условия, изменяющиеся одновременно на всей нашей планете и влияющие на свойства воды.

Дальнейшая обработка материалов привела уче- ных к еще более неожиданному следствию. Оказа- лось, что события, протекающие на Солнце, каким- то образом отражаются на воде. Характер реакции в воде следует ритму солнечной активности — появ- ления пятен и вспышек на Солнце.

Но и этого мало. Было обнаружено еще более невероятное явление. Вода каким-то необъяснимым путем отзывается на то, что происходит в космосе.

29

Была установлена четкая зависимость от изменения относительной скорости Земли в ее движении в кос- мическом пространстве.

Таинственная связь воды и событий, происходя- щих во Вселенной, пока необъяснима.

А какое значение может иметь связь между водой и космосом? Никто еще не может знать, насколько оно велико. В нашем теле около 75% воды; на на- шей планете нет жизни без воды; в каждом живом организме, в каждой его клеточке протекают бес- численные химические реакции. Если на примере простой и грубой реакции подмечено влияние собы- тий в космосе, то пока даже и представить себе нельзя, как велико может быть значение этого влия- ния на глобальные процессы развития жизни на Земле. Наверное, будет очень важной и интересной наука будущего — космобиология. Одним из ее глав- ных разделов явится изучение поведения и свойств воды в живом организме.

Свойства воды

Почему вода — вода? Этот вопрос совсем не так неразумен, как может показаться. В самом деле, раз- ве вода — это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан?

Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в котором миллионы лет назад зародилась жизнь, — это вода. Тучи, обла- ка, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, — это ведь тоже вода.

Бескрайние ледяные пустыни полярных облас- тей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, — и это вода.

Прекрасно, невоспроизводимо бесконечное много- образие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в атмосфере.

Это великий художник природы — вода.

Горные цепи сложены гигантскими толщами сотен различных горных пород, и геологи знают, что большинство из них создано величайшим строи- телем природы — водой. Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались высочай- шие горы, расстилаются бескрайние равнины, их создает великий преобразователь — вода.

Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь есть только там, где есть вода. Нет живого существа, если нет воды.

Почему же одно из бесчисленных химических со- единений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для миро-

32

здания химических элементов, молекула которого состоит всего из трех атомов, — простая окись водорода, самая обычная, всем известная вода зани- мает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?

Среди необозримого множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совер- шенно особое, исключительное место.

Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете.

Вода удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источни- ком энергии будущего, но и своими самыми обыч- ными свойствами.

А есть ли у воды родственники? Если считать родственными воде соединения, состоящие, как и вода, только из водорода и кислорода, то родствен- ники у воды есть.

Правда, их очень немного — всего два. Одно из этих соединений давно известно всем. Это самая обыкновенная перекись водорода. Другое найдено совсем недавно.

Теоретики, рассчитывающие структуры молекул, нашли термодинамическим путем, что при достаточ- но низких температурах кроме молекул Н—О—Н и Н—О—О—Н могут быть устойчивы еще молекулы Н—О—О—О—Н.

Других молекул водород и кислород образовать больше не могут, потому что молекулы с еще боль- шим содержанием кислорода Н—О—О—О—О—Н должны быть нестабильными даже при очень низ- ких температурах.

Другая группа ученых, не приняв во внимание предсказания теории, пыталась на опыте доказать

34

I

.

j

1

невозможность существования молекул Н,0_3. Они хотели опровергнуть результаты всех предшествую- щих попыток получить это соединение; и... сами открыли трехокись водорода. Молекула этого нового соединения водорода с кислородом построена в виде зигзагообразной цепочки:

Оно устойчиво только при температурах намного ниже 0°С. При более высокой температуре разлага- ется на воду и кислород. Получается в результате реакция между водородом и кислородом в тлеющем электрическом разряде при низких температурах.

Таким образом, открытие трехокиси водорода еще раз подтвердило, что теоретические расчеты вполне заслуживают доверия.

Больше родственников у воды как будто бы нет.

Как построена молекула воды? Как построена одна молекула воды, теперь известно очень точно. Она построена вот так:

35

Хорошо изучено и измерено взаимное расположе- ние ядер атомов водорода и кислорода и расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нели- нейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть «сбоку», можно было бы изобразить вот так:

а если взглянуть «сверху» — со стороны атома кисло- рода, то так:

т. е. геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле можно изобразить как простой тетраэдр.

36

Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.

Сколько молекул воды и океане? Одна. И этот ответ не совсем шутка. Конечно, каждый может, посмотрев в справочник и узнав, сколько в Мировом океане воды, легко сосчитать, сколько всего в нем содер- жится молекул Н_20. Но такой ответ будет не вполне верен. Вода — вещество особенное. Благодаря свое- образному строению отдельные молекулы взаимо- действуют между собой. Возникает особая химичес- кая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электро- ны атомов кислорода в соседних молекулах. За счет такой водородной связи каждая молекула воды ока- зывается довольно прочно связанной с четырьмя другими соседними молекулами, подобно тому как это изображено на схеме. Правда, эта схема чересчур упрощена — она плоская, иначе не изобразишь на рисунке. Представим себе несколько более верную картину. Для этого нужно учесть, что плоскость, в которой расположены водородные связи (они обо- значены пунктиром), в молекуле воды направлена перпендикулярно к плоскости расположения водо- родных атомов (см. рисунок на с. 38).

Все отдельные молекулы Н_20 в воде оказываются связанными в единую сплошную пространственную сетку — в одну гигантскую молекулу. Поэтому впол- не оправдано утверждение некоторых ученых физи- ко-химиков, что весь океан — это одна молекула. Но не следует понимать это утверждение слишком буквально. Хотя все молекулы воды в воде и связы- ваются между собой водородными связями, они в то же время находятся в очень сложном подвиж- ном равновесии, сохраняя индивидуальные свойст- ва и единичных молекул и образуя сложные агре- гаты.

37

Подобное представление приложимо не только к во- де: кусок алмаза тоже одна молекула.

Как построена молекула льда? Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды благодаря своему замечательному строению соединены в куске льда друг с другом так, что каждая из них связана и окру- жена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуры льда, в которой остается очень много свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выража- ется в изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узоров на замерзших оконных стеклах.

38

Правильное кристаллическое строе- ние льда выражается в изумитель- ном изяществе снежинок.

Л что такое снежинки? Сростки ледяных кристал- ликов, образовавшиеся при конденсации водяного пара в верхних слоях атмосферы, где очень низкая температура.

Почему же они такие красивые? В кристалли- ческой решетке льда есть плоскости, в которых ато- мы кислорода расположены так, что образуют правильные шестиугольники, как это видно на ри- сунке. Наверное, с этим и связана чаще всего встре- чающаяся шестилучевая форма изящных звездочек- снежинок.

Изумительная красота и бесконечное разнообра- зие форм снежинок вдохновили многих ученых на долголетние исследования этой удивительной загад- ки природы.

Были получены десятки тысяч фотографий сне- жинок в самых разнообразных условиях: и высоко в облаках, и у земли, и на Крайнем Севере, и на юге — всюду, где только может идти снег.

Кроме огромного множества самых разнообраз- ных форм гексагональной симметрии, кроме шести- гранников среди снежинок встречаются и пластиноч- ки, и столбики, и игольчатые формы. Очень много различных форм снежинок обнаружили в природе ученые. Если быть очень точным, то, наверное, при- дется признать, что совершенно одинаковых снежи- нок не существует. В бесконечном многообразии каждая из них чем-нибудь да отличается по строе- нию, по форме, по размеру.

Нет сомнения, что это зависит от бесконечной изменчивости условий образования и роста снежинок в атмосфере. С нежной красотой снежинки связано еще много неразгаданного в природе.

Как же все-таки построены молекулы воды в воде?К сожалению, этот очень важный вопрос изучен еще

40

недостаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лед плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся во- де. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распа- дается, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведет к тому, что средний размер сложной молекулы воды в жидкой воде зна- чительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает ее необычайные физико-химические свойства.

Какова должна быть плотность воды? Правда, очень странный вопрос? Вспомните, как была уста- новлена единица массы — один грамм. Это масса одного кубического сантиметра воды. Значит, не может быть никакого сомнения в том, что плотность воды должна быть только такой, какая она есть. Можно ли в этом сомневаться? Можно. Теоретики подсчитали, что если бы вода не сохраняла рыхлую льдоподобную структуру в жидком состоянии и ее молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°С она была бы равна не 1,0, а 1,8 г/см^3.

При какой температуре вода должна кипеть? Этот вопрос тоже, конечно, странен. Ведь вода кипит при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°С.

Однако вопрос поставлен иначе: при какой темпе- ратуре вода должна кипеть? Ведь температуры ки- пения различных веществ не случайны. Они зависят

41

от положения элементов, входящих в состав их моле- кул, в периодической системе Менделеева.

Если сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элемен- тов, принадлежащих к одной и той же группе табли- цы Менделеева, то легко заметить, что чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. Н_2Те, H_2Se и H_2S — химиче- ские аналоги воды. Если проследить за температура- ми их кипения и сопоставлять, как изменяются тем- пературы кипения гидридов в других группах перио- дической системы, то можно довольно точно опреде- лить температуру кипения любого гидрида, так же как и любого другого соединения. Сам Менделеев та- ким способом смог предсказать свойства химических соединений еще не открытых элементов.

Если же определить температуру кипения гидри- да кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при —80°С. Следовательно, вода кипит приблизи- тельно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды — это наиболее обычное ее свойство — оказывается необычайным.

Попробуйте теперь представить себе, что наша вода потеряла вдруг способность образовывать сложные, ассоциированные молекулы. Тогда она, вероятно, должна была бы кипеть при той же темпе- ратуре, какая ей положена в соответствии с периоди- ческим законом Менделеева.

Что бы тогда стало на нашей Земле? Океаны внезапно закипели бы. На Земле не осталось бы ни одной капли, и на небе никогда не смогло бы появиться ни одного облачка... Ведь в атмосфере земного шара температура нигде не падает ниже —80—90°С.

43

Свойства любого химического соединения зависят от природы образующих его элементов и, следовательно, от их положения в таблице

Менделеева. На этих графиках приведены зависимости температур кипения и плавления водородных соединений IV и VI групп периодической системы.

Вода является

поразительным

исключением.

Благодаря очень малому радиусу протона силы взаимодействия между ее молекулами столь велики, что разделить их очень трудно, поэтому вода кипит и плавится при аномально высоких температурах. Кроме воды

в значительно меньшей степени аномальными

При какой температуре вода замерзает? Не прав- да ли, вопрос не менее странен, чем предыдущие? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нулеградусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической при-

44

свойствами обладают аммиак и фтористый водород.

График А. Нормальная зависимость

температуры кипения гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева.

График Б. Среди гидридов элементов VI группы вода обладает аномальными свойствами: она должна была бы кипеть при

минус 80—90°С, а кипит при плюс 100°С. График В. Нормальная зависимость

температуры плавления гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева.

График Г. Среди гидридов элементов VI группы вода нарушает порядок: она должна была бы плавиться при минус 100°С, а ледяные сосульки тают при 0°С.

родой? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

Воду, пожалуй, можно назвать непослушным веществом. Она не подчиняется многим физико-хими- ческим закономерностям, справедливым для других соединений, потому что взаимодействие ее молекул

45

необычайно велико и требуется особенно интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть до- полнительное притяжение. Это и приводит к такому неожиданному и резкому повышению температур кипения воды и ее плавления.

Попробуйте и на этот раз пофантазировать: вдруг исчезает ассоциация молекул воды... немедлен- но на всей нашей планете исчезают снега и льды. Нельзя кататься на коньках, бегать на лыжах; впро- чем, и некому тогда было бы кататься и бегать.

46

Полагается ли воде быть на Земле жидкой или твердой? Нет, не полагается. Из того, что температу- ра плавления и кипения гидрида кислорода — его аномальные свойства, следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твердое состояния его также анома- лии. Нормальным должно было бы быть только газо- образное состояние воды.

Невозможным жителям невозможного мира, в котором все свойства воды были бы «нормальны», пришлось бы строить специальные машины, чтобы сжижать такую воду, подобно тому как это делаем мы, получая жидкий кислород.

Самые обычные свойства воды оказываются не- обычайными и удивительными, если как следует с ними познакомиться и хорошо в них разобраться.

Бывает ли жидкая вода твердой? Это вполне ра- зумный вопрос. К сожалению, очень немногие знают, как на него правильно ответить. Ответ с первого взгляда несколько неожиданный, но с ним легче бу- дет примириться, если сначала обсудить более про- стой и понятный обратный вопрос, на который, наверное, могут ответить все: когда твердая вода бывает жидкой?

Конечно, здесь не идет речь о том, что воду можно заморозить или растопить лед. Совсем нет — эти вопросы относятся к жидкой воде и твердому льду.

Всем известно, что лед при медленно действующих нагрузках течет. Ледники в горах текут подобно рекам, только очень и очень медленно, со скоростью всего в несколько метров в год. Значит, любой лед всегда в какой-то очень малой степони одновременно является жидким телом, если обладает свойством течь, подобно тому как течет любая жидкость. Под действием вековых нагрузок становятся пластичны- ми и текут горные породы.

Если твердое тело в той или иной степени является

47

Слева: на этих снимках сфо- тографирован конец очень тонкой водяной струи. На по- верхности струи возникают волнообразные упругие коле- бания (1). Они усиливаются, и образуется тонкая перетяж- ка (2), она разрывается. Утол- щение струи (3), находивше- еся перед перетяжкой, превра- щается в каплю (4), а то, что было перетяжкой, оттягивает- ся (5) и становится малень- кой капелькой. Под действи- ем поверхностного натяже- ния капля колеблется. Она то вытягивается (7), то, сно- ва расширяясь, сплющивается (8). Справа: капля (1), упав с кончика пипетки в воду, пре- вращается в вихревое кольцо (2). Оно расширяется, и в нем возникают утолщения (3). Постепенно они развиваются во вторичные вихревые ко-

лечки (4, 5, 6); число колечек быстро растет. В такую слож- ную систему вихревых потоков капля превращается всего за несколько минут. Слева — процесс снят сверху, справа— сбоку.

48

жидким, то отсюда вполне разумно будет сделать вывод, что и обратное заключение тоже может быть справедливым и любая жидкость тоже должна в той или иной степени обладать признаками твердого тела.

Если лед при очень медленной нагрузке течет, то вода при очень быстром воздействии должна вести себя как твердое тело и разбиваться на куски, подобно хрупкому твердому телу. Это так на самом деле и есть. Этот вывод полностью подтверждает опыт. Если по струйке воды ударить с очень большой скоростью стальным бойком, то жидкая водяная струя расколет- ся и разлетится на осколки, так же как расколется разбитая стеклянная палочка. Если пуля попадает в кастрюльку с водой, то мгновенная картина раз- рушения сходна с разрушением куска стекла. Таким образом, жидкая вода всегда в то же время является твердой. Какое свойство проявится — зависит от скорости деформации.

Только не следует думать, что это интересное качество присуще одной воде. Оно свойственно и другим жидкостям. Даже газы, например воздух, тоже обладают некоторыми свойствами твердого тела, правда в ничтожной степени. «Твердость» воздуха проявляется только в очень узких щелях при быстрой деформации.

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.

В своих лабораториях человек сумел открыть еще,

54

по крайней мере, шесть различных, не менее удиви- тельных льдов. В природе их найти нельзя. Они могут существовать только при очень высоких давле- ниях. Обычный лед сохраняется до давления 208 МПа (мегапаскалей), но при этом давлении он плавится при —22°С. Если давление выше, чем 208 МПа, возникает плотный лед — лед-Ш. Он тяже- лее воды и тонет в ней. При более низкой температу- ре и большем давлении — до 300 МПа — образуется еще более плотный лед-П. Давление сверх 500 МПа превращает лед в лед-V. Этот лед можно нагреть почти до 0°С, и он не растает, хотя и находится под огромным давлением. При давлении около 2ГПа (гигапаскалей) возникает лед-VI. Это буквально горя- чий лед — он выдерживает, не плавясь, температу- ру 80°С. Лед-VII, найденный при давлении ЗГПа, пожалуй, можно назвать раскаленным льдом. Это самый плотный и тугоплавкий из известных льдов. Он плавится только при 190° выше нуля.

Это совершенно необычайный лед. Мало того что на куске такого льда можно было бы с полным успехом жарить пищу, если бы только он существовал при обычном давлении, но этот лед-VII еще обладает необыкновенно высокой твердостью. Не следует ду- мать, что он получается только лишь в установках высокого давления в лабораториях ученых, а больше его нигде и не встретишь. Этот лед может стать даже причиной внезапных катастроф. В подшипни- ках, в которых вращаются валы мощных турбин электростанций, развивается огромное давление. Если в смазку попадет хотя бы немного воды, она за- мерзнет, несмотря на то что температура подшипни- ков очень высока. Образовавшиеся частицы льда-VII,обладающие огромной твердостью, начнут разру- шать вал и подшипник и быстро выведут их из строя.

Некоторые ученые подозревают, что существует

55

еще неустойчивый лед-IV, быстро переходящий в лед-V.

Может быть, лед и в космосе есть? Как будто бы есть, и при этом очень странный. Но открыли его ученые на Земле, хотя такой лед на нашей планете существовать не может. Плотность всех известных в настоящее время льдов даже при очень высоких давлениях, лишь очень немного превышает 1 г/см^3. Плотность гексагональной и кубической модифика- ции льда при очень низких давлениях и температу- рах, даже близких к абсолютному нулю, немного меньше единицы. Их плотность равна 0,94 г/см^3.

Но оказалось, что в вакууме, при ничтожных давлениях и при температурах ниже —170°С, при условиях, когда образование льда происходит при его конденсации из пара на охлаждаемой твердой поверхности, возникает совершенно удивительный лед. Его плотность... 2,3 г/см^3. Все известные до сих пор льды кристаллические, а этот новый лед, по- видимому, аморфный, он характеризуется беспоря- дочным относительным расположением отдельных молекул воды; определенная кристаллическая струк- тура у него отсутствует. По этой причине его иногда называют стеклянным льдом. Ученые уверены, что этот удивительный лед должен возникать в космичес- ких условиях и играть большую роль в физике планет и комет. Открытие такого сверхплотного льда было для физиков неожиданным.

Л еще какие-нибудь льды существуют? Такой вопрос и задавать не следовало бы. Конечно, существуют. Ученые хорошо изучили свойства льда, образующего- ся при замерзании тяжелой воды. Это совсем особый лед. Он плавится не при нуле градусов, а на 3,18° вы- ше нуля. По всем своим свойствам тяжеловодный лед хоть немного да отличается от природного льда.

56

Можно лед приготовить из легкой воды, можно — из нулевой воды, можно — из тяжелокислородной воды. Уж если быть очень строгим в формулировках, то следует признать, что любой из возможных различ- ных «вод* соответствует свой собственный лед, и в нескольких формах. И конечно, все эти льды разные.

Но может быть, где-нибудь в природе есть еще какие-нибудь льды? Пока нет. Но наверное, человек, расширяя свое познание природы, сумеет в будущем найти еще не один новый вид льда. И никто не может сказать, какое это будет иметь значение.

Но если больше никаких льдов нет, то какой же лед замерзает летом в газопроводах? Удивительный и причиняющий много больших затруднений уче- ным, а еще больше инженерам и технологам.

Во влажном горючем газе при транспортировке его по трубопроводам от подземных скважин под давлением в десятки атмосфер даже летом, в теплую погоду, образуется лед на стенках стальных труб. Слой льда может нарасти настолько толстым, что перекроет трубу ледяной пробкой и прекратит подачу газа. Такую серьезную аварию ликвидировать бывает нелегко.

Этот странный лед возникает только в присутствии сжатого до большого давления горючего газа. Труд- но только определить — лед это или не лед. Очень много труда пришлось затратить исследователям, пока удалось выяснить его природу.

Его кристаллическая решетка построена почти так же, как и у обычного льда, — она образована молекулами воды с помощью водородных связей. Как и у обычного льда, в ней имеются пустые полости определенного объема. При образовании льда в сре- де сжатого газа происходит странное явление, откры- тое впервые сравнительно недавно, — в каждой такой

57

свободной полости решетки льда оказывается заклю- ченной молекула метана. Эта пойманная в клетку молекула газа не связана химически с молекулами воды, образующими кристаллическую ячейку льда. Просто она захвачена. Такой лед содержит много метана

Газовые молекулы, включенные в решетку льда, все-таки влияют на его свойства. Они повышают устойчивость решетки, и поэтому такой лед плавит- ся при более высокой температуре.

Такие соединения, хотя они и существуют, и имеют теперь довольно большое значение, и являются весьма многочисленными, не могут быть причислены к химическим соединениям. Химические связи в их образовании участия не принимают. Они получили название клатратов. Наверное, их можно назвать механическими соединениями.

В трубах, по которым транспортируется газ, и образуется клатратный лед. Пожалуй, это все-таки не лед.

Что нужно, чтобы лед растаял? Очень много тепла. Гораздо больше, чем для плавления такого же количества любого другого вещества. Исключи- тельно большая удельная теплота плавления— 80 кал (335 Дж) на грамм льда — также аномальное свойство воды. При замерзании воды такое же коли- чество тепла снова выделяется.

Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает обратно тепло, подогревает землю и воздух. Они противостоят холоду и смягчают пере- ход к суровой зиме. Благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существует осень и весна.

Все ли уже про лед известно? Что за вопрос? Ко- нечно, нет. Ни о чем нельзя в науке сказать: да,

58

это уже полностью изучено, ничего не известного не осталось. Тем более если вопрос относится к само- му удивительному минералу на нашей планете —к твердой воде.

Казалось бы, что может быть изучено более по- дробно, чем самый обыкновенный лед, но это давно знакомое вещество до сих пор полно тайн и загадок.

Лед обладает таинственной кристаллической структурой. Его строение и прочность определяются прочностью водородных связей между отдельными

59

молекулами воды. Водородная связь играет огром- ную роль в строении молекул биополимеров в тканях всех живых организмов. Это, быть может, имеет боль- шое значение для жизни, так как следы структуры льда, по-видимому, долго сохраняются в талой воде. Эта область только еще начинает изучаться наукой.

В последние годы начинает развиваться новая важная область знания — физика льда. Лед — проч- ный, дешевый и хороший строительный материал. Из него строят жилища, склады, он создает природ- ные надежные дороги, переправы, взлетно-поса- дочные площадки. Лед — причина стихийных бед- ствий. Он разрушает плотины, сносит мосты, сковы- вает грунт, вызывает обледенение самолетов и кораб- лей. Стало совершенно необходимым изучить все свойства льда, определить его механические, электрические, акустические, электромагнитные, радиационные характеристики.

При этом было открыто много неожиданного, о чем раньше и предполагать было нельзя. Напри- мер, лед оказался полупроводником, причем его про- водимость протонного типа. Установлено, что при замерзании воды на границе между льдом и водой возникает разность электрических потенциалов, до- стигающая десятков вольт.

Обнаружена подвижность молекул в кристалли- ческой решетке льда: они могут не только вра- щаться, но и перемещаться скачкообразно на сравни- тельно большие (в молекулярном масштабе) рас- стояния.

Много удивительного установлено при изучении процессов образования и поведения льдов в природе. Полярные льды в напряженном состоянии «кричат». Когда начинается деформация льда, то, как описы- вает Ф. Нансен, возникает легкий треск и стон, усиливаясь, они переходят через все роды тонов —лед то плачет, то стонет, то грохочет, то ревет,

60

постепенно возрастая, его «голос» становится подоб- ным звучанию всех труб органа.

Перед разрушением, при критических напряже- ниях, лед звенит, вздыхает, ухает.

Установлена зависимость между характером зву- чания льда и температурой воздуха. Этот важный раздел физики льда изучен еще далеко не до- статочно.

Еще больше загадок скрывается в исследованиях энергетики процессов образования льдов в природе. Гигантское количество тепла, освобождающееся при замерзании воды, задерживает наступление зимних холодов. Тепло, поглощаемое при таянии льдов, за- медляет приход весны. С изменением массы льда на планете связаны изменения климата на Земле. Но точный расчет зависимости между погодой и колоссальной энергоемкостью этих глобальных про- цессов пока еще невозможен — слишком много в них неизвестного.

Есть, например, и такие загадки. В старых запи- сях сохранились предания о том, что иногда ледяные поля приобретают способность долго светиться в тем- ноте, испуская слабый свет после того, как были освещены солнцем. Интересно было бы знать, верно ли это, когда и почему это явление происхо- дит, чем объясняется. Есть наблюдения, что иногда светится и снег, если его при нескольких градусах мороза внести в темную комнату после освещения ярким солнцем. Рассказывают, что первые градины тоже светятся — они будто бы обладают электро- люминесценцией. Интересно было бы и это прове- рить и объяснить.

Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду? Очень много. Больше, чем для нагревания равного коли- чества любого другого вещества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус, необходима одна калория

61

(4,2 Дж). Это больше чем вдвое превышает тепло- емкость любого химического соединения.

Вода — вещество, необычайное даже в самых обыденных для нас свойствах. Конечно, эта спо- собность воды имеет очень большое значение не толь- ко при варке обеда на кухне. Вода — это великий распределитель тепла по Земле. Нагретая Солнцем под экватором, она переносит тепло в Мировом океане гигантскими потоками морских течений в далекие полярные области, где жизнь возможна только благодаря этой удивительной особенности воды.

Как вода попадает в облака? Очень просто. Солн- це нагревает воду. Всюду, где она есть, — в луже, в пруду, в море, в океане. Вода поглощает в своем тонком верхнем слое почти всю энергию попадающих на нее солнечных лучей и испаряется. Молекулы воды исключительно просты в своем строении и вмес- те с тем необычайны, отличны от всех других моле- кул. Они сильно притягиваются друг к другу бла- годаря силам межмолекулярного притяжения за счет дополнительных водородных связей. Солнцу прихо- дится затрачивать очень много энергии, чтобы разделить молекулы воды и превратить ее в пар. Нет ни одного вещества, у которого удельная тепло- та испарения была бы больше, чем у воды. Вода — лучший теплоноситель. Ничто не может сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах электростанций, в цилиндрах паровых двигателей.

Вода — гигантский двигатель и в природе. Метеорологи подсчитали, что Солнце испаряет на Земле за одну минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту миллиард тонн водяного пара вместе с восхо- дящими потоками нагретого воздуха поднимается в верхние слои атмосферы. Каждый грамм водяного

62

(

пара уносит с собой 537 кал (2265 Дж) солнечной энергии.

На большой высоте, где давление мало, воздух расширяется, его температура сильно понижается и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в воду — ее мельчайшие капельки образуют облака.

Энергия Солнца, поднятая с водяным паром вверх, неминуемо должна выделиться обратно, когда пар превращается в облака. Эта энергия переходит в тепловую, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земли чудовищно огромное количество энергии — 2,2 • Ю^10 Дж. Столько энер- гии за то же время могли бы выработать 40 млн. электростанций, по миллиону киловатт каждая.

Это та энергия, которая переносит сотни миллиар- дов тонн воды по воздуху в облаках и орошает дождями всю поверхность Земли. Это та энергия, за счет которой дуют ветры, возникают бури, рожда- ются ураганы и штормы. А только один развившийся ураган выделяет энергию, эквивалентную энергии 30 тыс. атомных бомб.

Почему в море вода соленая? Это, пожалуй, од- но из самых важных следствий одного из самых удивительных свойств воды. В ее молекуле центры положительных и отрицательных зарядов сильно смещены относительно друг друга. Поэтому вода обладает исключительно высоким, аномальным зна- чением диэлектрической проницаемости. Для воды е =80, а для воздуха и вакуума е =1. Это значит, что два любых разноименных заряда в воде взаимно притягиваются друг к другу с силой в 80 раз меньшей, чем в воздухе, по закону Ку- лона:

64

И

Но все же межмолекулярные связи во всех телах, определяющие прочность тела, обусловлены взаимо- действием между положительными зарядами атом- ных ядер и отрицательными электронами. На по- верхности тела, погруженного в воду, силы, дейст- вующие между молекулами или атомами, ослабевают под влиянием воды почти в сотню раз. Если остав- шаяся прочность связи между молекулами становит- ся недостаточной, чтобы противостоять действию теплового движения, молекулы или атомы тела начинают отрываться от его поверхности и перехо- дят в воду. Тело начинает растворяться, распадаясь либо на отдельные молекулы, как сахар в стакане чаю, либо на заряженные частицы — ионы, как пова- ренная соль.

Именно благодаря аномально высокой диэлектри- ческой проницаемости вода — один из самых сильных растворителей. Она даже способна раство- рить любую горную породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разрушает даже грани- ты, выщелачивая из них легкорастворимые составные части.

Нет в природе такой прочной породы, которая могла бы сопротивляться всемогущему разрушите- лю — воде.

Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой примеси в океан. Вода из океана испаряется и вновь возвращается на землю, чтобы снова и снова продол- жать свою вечную работу. А растворенные соли оста- ются в морях и океанах.

Не думайте, что вода растворяет и сносит в море только то, что легко растворимо, и что в морской воде содержится только обычная соль, которая стоит на обеденном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и бром, и йод, и фтор. В меньшем количестве в ней найдены железо,

65

медь, никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти элементов нашли хими- ки в морской воде. Наверное, будут найдены и все остальные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море соленая.

А знаете ли вы, что кровь человека и других животных близка по составу к морской воде? И что растения извлекают из земли питательные вещества в виде водного раствора? Если бы вода не обладала удивительным свойством — необычайно высокой

66

■ (?Кц

i\ S ' 1 >’

НЭШ

диэлектрической проницаемостью, море не было бы соленым. Но это некому было бы заметить — не было бы на Земле жизни.

Распадаются ли в воде на ионы ее собственные моле- Да, распадаются. Молекулы воды очень проч- ны, но все же очень небольшая часть их диссоциирует на ионы:

При этом из каждого мил-

лиарда молекул воды при обычной температуре дис- социированы всего лишь только две молекулы.

Свободный протон Н+ —ядро атома водорода, —конечно, не может существовать в водной среде: ион водорода немедленно присоединяется к молекуле воды и образует ион гидроксония Н_30+.

Да, как буд- то бы может. Правда, такая вода еще пока не полу- чена. Но ученые установили, что если воду нагревать все больше и больше, то диссоциация ее молекул на ионы будет возрастать.

При очень высокой температуре должно наступить такое удивительное состояние воды, при котором в ней не останется ни одной молекулы воды, все они распадутся на ионы.

Удалось рассчитать, что такое состояние воды должно наступить при температуре не ниже 900°С. Давление при этом должно быть не менее 15 ГПа.

Может быть, такая вода существует в недрах Зем- ли. Интересно, какие у нее свойства.

Конечно, проще

всего предположить, что молекулы воды в воде обра- зуются при взаимодействии протона и иона водорода с отрицательным ионом — гидроксилом. Так это и было написано во всех школьных учебниках мира. Потом химики стали считать, что молекулы воды

68

Так как размеры иона гидроксония гораздо боль- ше размеров «голого» протона — иона водорода Н+, то столкновения гидроксила с гидроксонием должны происходить чаще, чем с протоном, и скорость реак- ции должна быть выше. Можно даже теоретически рассчитать, определив размеры частиц, значение констант скоростей обеих реакций — и с протоном и с ионом гидроксония.

Однако опыт привел к неожиданному и удивитель- ному результату: оказалось, что константа скорости реакции на самом деле имеет еще большее значение и молекулы воды в воде образуются и не из ионов водорода Н+, как учили школьные учебники, и не из ионов гидроксония, как считают почти все химики, а из частиц гораздо больших размеров. Ученые ду- мают, что вода в воде образуется из больших ионов H_9OJ и Н_70^ .

Уравнение реакций образования воды в воде теперь выглядит даже для глаза химика удиви- тельно:

69

образуются при взаимодействии гидроксила с ионом гидроксония:

Почему вода «мокрая»? Вода не очень «мокрая», если считать, что этот шутливый вопрос относится к способности воды смачивать другие тела. Боль- шинство жидкостей гораздо «мокрее» воды. Вода с трудом смачивает металлы, совершенно не смачивает жирные поверхности. Водой не намочишь парафин. Капли воды скатываются с поверхности многих полимерных материалов: тефлона, полиэтилена и др. Спирт же, например, или керосин очень хорошо смачивают почти любые тела. Это объясняется тем,

что силы взаимодействия между молекулами воды так необычайно велики, что вода собирается в капли там, где все другие жидкости растекаются.

Это свойство воды причиняет много огорчений в обыденной жизни и в технике: загрязненные жиром или маслами руки водой не отмоешь. Из-за этого и было изобретено мыло. Химиками было синтезиро- вано много специальных веществ — «смачивателей», которые применяются в технике, чтобы воду сделать «мокрее».

А сухой вода может быть? Оказывается, может. Не- давно ученые сумели приготовить сухую воду. К обычной воде добавили немного тонкого порошка несмачиваемой кремниевой кислоты. Вода сразу становится сухой и сыпучей. Ее можно пересыпать, перевозить в пакетиках; даже на ощупь такая вода совсем не влажная, а сухая и холодная.

А что такое «скользкая» вода? «Скользкая» вода за- служивает большого внимания. Речь идет об очень удивительных свойствах, которые может приобре- тать вода в зависимости от природы растворенных в ней примесей. То, что свойства воды должны зави- сеть от того, что в ней содержится, — это совершенно ясно и никого удивлять не может.

Но чтобы так резко могли изменяться основные свойства вещества от ничтожных добавок, как это было обнаружено на примере влияния на свойства воды малых добавок одного растворимого полиме- ра, — этого никто из ученых предвидеть не мог.

Оказалось, что если растворить в воде ничтожное количество растворимого полимера — полиэтилено- ксида, то вода приобретает удивительные свойства, за которые этот раствор и получил название «скольз- кой» воды. Такая вода течет по трубам почти втрое быстрее обычной. Струя такой воды из шланга бьет

70

в два с половиной раза дальше. Тела движутся в ней гораздо быстрее. «Скользкую» воду начинают при- менять при тушении пожаров.

Какую форму имеет вода? Хотя этот вопрос может показаться странным, но он задан совершенно пра- вильно. Вода обладает собственной формой, как и любая другая жидкость. Ее форма — шар. Утвержде- ние учебников, что вода принимает форму сосу- да, а собственной не имеет, неверно. Ее собственная

71

форма на Земле обычно искажена земным притяже- нием.

Но что воде свойственна форма шара, в этом очень легко убедиться — достаточно слетать на космиче- ском корабле в космос и вытряхнуть там воду из бутылки. Можно увидеть это и на Земле: посмотри- те на падающую каплю или выдуйте хороший мыль- ный пузырь. Во всех этих случаях действие веса исключено и вода, как и любая другая жидкость, принимает свою собственную форму.

Можно ли бегать по поверхности воды? Можно. Чтобы в этом убедиться, посмотрите летом на по- верхность любого пруда или озера. По воде не толь- ко ходит, но и бегает немало живого и быстрого народца. Если учесть, что площадь опоры лапок у этих насекомых очень мала, то нетрудно понять, что, несмотря на их небольшой вес, поверхность воды выдерживает, не прорываясь, значительное дав- ление.

72

Может ли вода течь вверх? Да, может. Это проис- ходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по ка- пиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле кор- ней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда вам прихо- дится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираете лицо. В очень тонких трубочках — в капиллярах — вода может подняться на высоту до нескольких метров.

Чем ото объясняется? Еще одной замечательной осо- бенностью воды — ее исключительно большим по- верхностным натяжением. Молекулы воды на ее по- верхности испытывают действие сил межмолеку- лярного притяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэто- му каждая молекула на ее поверхности втягивается внутрь жидкости.

В результате возникает сила, стягивающая по- верхность жидкости. У воды она особенно велика: ее поверхностное натяжение составляет 72 мН/м (миллиньютона на метр).

Эта сила и придает мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поднимает воду в почве, стенки тонких пор и отверстий в ней хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще было бы воз- можно земледелие, если бы вода не обладала этой исключительной особенностью. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки ко- торых водой не смачиваются. А в стране Коста- Рике, в Центральной Америке, обитает ящерица, умеющая бегать по воде. Спасаясь от хищников,

73

Поверхностное натяжение воды столь велико, что но ней спокойно могут гулять довольно крупные водяные насекомые, вроде этих.

зеленый хохлатый василиск поднимается на задние лапки и бежит, не тонет, по водной поверхности. Конечно, поверхностное натяжение воды даже и маленькую ящерку не удержит. Выручает ее боль- шая скорость.

А может ли вода гореть? Может. Вода неплохо горит в атмосфере свободного фтора.

Видал ли хоть кто-нибудь воду? Этот вопрос может показаться нелепым. Но он относится именно к воде, к совершенно чистой воде, в которой совсем нет никаких посторонних примесей. Тогда если быть строгим и точным в ответах, то придется сознаться, что нет — воду пока еще никто не видел и не дер- жал в руках. Хотя простым глазом и нельзя за- метить никакой разницы между очень чистой водой и ее разбавленными растворами, но ведь наука не смотрит простым глазом. То, что налито в стакане и что мы по привычке называем просто водой, на самом деле всегда представляет собой раствор очень многих веществ в воде. В ней растворены газы: азот, кислород, аргон, углекислота — и все примеси,

74

находящиеся в воздухе. В ней растворены соли из почвы, железо из водопроводных труб. В ней раство- рены, наверное, сотни, а может быть и тысячи, раз- личных соединений почти всех элементов периоди- ческой системы. В ней взвешены мельчайшие нера- створимые частицы пыли, окислов железа, коллоид- ные осадки. Это мы и называем чистой водой.

Много ученых работают над решением трудной 'проблемы получения абсолютно чистой воды. Но по- ка еще получить такую воду не удалось. Да и как это сделать: налитая в стакан вода растворяет стен- ки стакана, соприкасаясь с любым газом, она рас- творяет газ.

Очень тщательно очищенная и освобожденная от газов вода приобретает совершенно необычные свой- ства: ее можно перегреть на десятки градусов выше точки кипения — она не закипит, ее можно очень сильно переохладить — она не замерзнет.

Может ли вода помнить? Такой вопрос звучит, надо признать, очень необычно, но он вполне серьезен и очень важен. Он касается большой физико-хими- ческой проблемы, которая в своей наиболее важной части еще не исследована. Этот вопрос только по- ставлен в науке, но ответа на него она еще не нашла.

Вопрос в том: влияет или нет предыдущая исто- рия воды на ее физико-химические свойства и воз- можно ли, исследуя свойства воды, узнать, что про- исходило с ней ранее, — заставить саму воду «вспом- нить» и рассказать нам об этом. Да, возможно, как это ни кажется удивительным. Проще всего это можно понять на простом, но очень интересном и необычайном примере — на памяти льда.

Лед — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Легкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжелой.

75

При испарении природной воды состав изменяет- ся по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжелого кислорода. Эти изменения изотопно- го состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.

Попытайтесь теперь представить себе гигантский процесс, может быть, самый величественный на на- шей планете — он охватывает весь земной шар. Огромные, чудовищные массы воды с измененным изотопным составом испаряются с поверхности Ми- рового океана. Воздушные течения в атмосфере раз- носят водяные пары по всей Земле. Попадая в холодные области, пар конденсируется нацело, обра- зуется снег, он выпадает на землю, сохраняя свой изотопный состав. Так рождаются грандиозные арктические ледники.

Недавно ученые поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечен гигантский ледяной керн дли- ной почти полтора километра. На нем были отчет- ливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержа- нию тяжелых изотопов водорода и кислорода — дейтерия и 180 были определены температуры обра- зования годичных слоев льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определя- лась прямым отсчетом. Таким образом была вос- становлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода все это сумела за- помнить и записать в глубинных слоях гренландско- го ледника.

В результате изотопных анализов слоев льда была построена учеными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень хо-

77

лодно в XV в., в конце XVII в. и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.

То, что сохранила в памяти' вода, полностью совпало с записями в исторических хрониках. Обна- руженная по изотопному составу льда периодич- ность изменения климата позволяет предсказывать среднюю температуру в будущем на нашей планете.

Это все совершенно понятно и ясно. Хотя и очень удивительна тысячелетняя хронология погоды на Земле, записанная в толще полярного ледника, но изотопное равновесие достаточно хорошо изучено и никаких загадочных проблем в этом пока нет.

Тогда в чем же состоит загадка «памяти» воды?Дело в том, что за последние годы в науке посте- пенно накопилось много поразительных и совершен- но непонятных фактов. Одни из них установлены твердо, другие требуют количественного надежного подтверждения, и все они еще ждут своего объяс- нения.

Например, еще никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не про- исходит, подкрепляя свою убежденность вполне достоверными теоретическими расчетами, из кото- рых следует, что после прекращения действия маг- нитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становит- ся другой.

Велика ли разница? Судите сами. Из обычной воды в паровом котле растворенные соли, выделяясь, отлагаются плотным и твердым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной во- ды (так ее теперь стали называть в технике) выпа- дают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде.

78

Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электро- станций, эта разница исключительно важна, так как омагниченная вода обеспечивает нормальную и бес- перебойную работу гигантских электростанций: не зарастают стены труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнергии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работает, не знают ни инженеры, ни ученые. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обра- ботки воды в ней ускоряются процессы кристалли- зации, растворения, адсорбции, изменяется смачива- ние... правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы. Но каким образом в нау- ке можно оценить, что такое мало и что — много?

Кто возьмется это сделать?

Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а «по- мнит» вода об этом десятки часов. Почему — неиз- вестно. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь даже неизвестно, на что именно дей- ствует магнитная обработка — на воду или на со- держащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

«Память» воды не ограничивается только сохра- нением последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода как будто бы «помнит» и о том, что она рань- ше была заморожена.

Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, как будто бы тоже отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В та- лой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; даже как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые

79

получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например та- лая вода отличается по вязкости, по значению ди- электрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает свое обычное для воды значение только через 3—6 суток после плавления. Почему это так (если это так), тоже никто не знает.

Большинство исследователей называют эту область явлений «структурной памятью» воды, счи- тая, что все эти странные проявления влияния пре- дыдущей истории воды на ее свойства объясняются изменением тонкой структуры ее молекулярного со- стояния. Может быть, это и так, но... назвать — это еще не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода «помнит», что с нею было.

Откуда на Земле взялась вода? Вечно по всем на- правлениям Вселенную пронизывают потоки кос- мических лучей — потоки частиц с огромной энер- гией. Больше всего в них протонов — ядер атомов водорода. В своем движении в космосе наша пла- нета непрерывно подвергается «протонному обстре- лу». Пронизывая верхние слои земной атмосферы, протоны захватывают электроны, превращаются в атомы водорода и немедленно вступают в реак- цию с кислородом, образуя воду. Расчет показы- вает, что ежегодно почти полторы тонны такой «кос- мической» воды рождается в стратосфере. На боль- шой высоте при низкой температуре упругость во- дяного пара очень мала и молекулы воды, постепенно накапливаясь, конденсируются на частицах космической пыли, образуя таинственные серебристые облака. Ученые предполагают, что они состоят из мельчайших ледяных кристалликов, возникших из такой «космической» воды. Подсчет

80

показал, что воды, появившейся таким образом на Земле за всю ее историю, как раз хватило бы, чтобы родились все океаны нашей планеты. Зна- чит, вода пришла на Землю из космоса? Но...

Геохимики не считают воду небесной гостьей. Они убеждены, что у нее земное происхождение. Породы, слагающие земную мантию, которая ле- жит между центральным ядром Земли и земной корой, под влиянием накапливающегося тепла ра- диоактивного распада изотопов местами расплавля- лись. Из них выделялись летучие составные части: азот, хлор, соединения углерода, серы, больше всего выделялось водяных паров.

Какое же количество могли выбросить при извержениях все вулканы за все время существо- вания нашей планеты?

Ученые подсчитали и это. Оказалось, что такой изверженной «геологической» воды тоже как раз хватило бы, чтобы заполнить все океаны.

81

Интересно все-таки было бы знать: откуда же на Земле взялась вода?

Скол I.ко на Земле воды? Очень мало!

Сколько всего воды на всей Земле — этого еще точно никто не знает, но очень мало.

В центральных частях нашей планеты, образую- щих ее ядро, воды, наверное, нет. Вряд ли она там может существовать. Одни ученые считают, что даже если и присутствуют там и кислород и водород, то они должны вместе с другими элементами образовы- вать новые для науки, неизвестные металлоподоб- ные формы соединений, обладающих высокой плотностью, устойчивых при тех огромных давле- ниях и температурах, что царят в центре земного шара.

Другие исследователи уверены, что ядро земного шара состоит из железа. Что на самом деле находит- ся не так уж далеко от нас, у нас под ногами, на глу- бинах, превышающих 3 тыс. км, пока еще никому не известно, но воды там, наверное, нет.

Больше всего воды в недрах Земли находится в ее мантии — слоях, расположенных под земной корой и простирающихся примерно на глубину до 3 тыс. км. Геологи считают, что в мантии сосредоточено не ме- нее 13 млрд. куб. км воды.

Самый верхний слой земной оболочки — земная кора содержит еще примерно 1,5 млрд. куб. км воды. Почти вся вода в этих слоях находится в связанном состоянии — она входит в состав горных пород и минералов, образуя гидраты. В этой воде не выку- паешься и ее не выпьешь.

Гидросферу — водную оболочку земного шара образуют еще примерно 1,5 млрд. куб. км воды. Поч- ти все это количество содержится в Мировом океане. Он занимает около 70% всей земной поверхности, его площадь — свыше 360 млн. кв. км. Из космоса наша

82

планета выглядит совсем не как земной шар, а, ско- рее, как водяной шар.

Средняя глубина Океана — около 4 км. Если срав- нить эту «бездонную глубину» с размерами самого земного шара, средний диаметр которого равен 12 740 км, то тогда, наоборот, придется признать, что мы живем на мокрой планете, она только слегка смо- чена водой, да и то не по всей поверхности. Вода в океанах и морях соленая — пить ее нельзя.

На суше воды совсем немного: всего только около 90 млн. куб. км. Из них более 60 млн. куб. км нахо- дится под землей, почти все это соленые воды. Около 25 млн. куб. км твердой воды лежит в горных и лед- никовых районах, в Арктике, в Гренландии, в Антарктиде. Эти запасы воды на земном шаре запо- ведны. Беда, как считают многие ученые, если поляр- ные льды вдруг начнут таять, — уровень Мирового океана тогда подымется более чем на 50 м и под водой скроются огромные пространства суши. Будут за- топлены в результате гигантских катастрофических наводнений обширные плодородные низменности, и географическая карта мира изменится настолько, что все станет на ней неузнаваемым.

Бедствия будут неисчислимы. Метеорологи уве- ряют, что такое глобальное таяние льдов может начаться, если средняя температура на Земле подни- мется всего лишь на два градуса. Ледники занимают около 10% поверхности суши. Кроме того, на пло- щади около 16 млн. кв. км находится область вечной мерзлоты, где всегда сохраняется подпочвенный слой льда, составляющий приблизительно 500 тыс. куб. км.

Во всех озерах, болотах, созданных человеком водохранилищах и в почве содержится ещё 500 тыс. куб. км воды.

Вода присутствует и в атмосфере. В воздухе всег- да, даже в самых безводных пустынях, где нет ни

83

капли воды и никогда не идет дождь, и то находится немало водяных паров. Кроме того, по небу всегда плывут облака, собираются тучи, идет снег, льют дожди, над землей стелются туманы. Все эти запасы воды в атмосфере подсчитаны точно: все они, вместе взятые, составляют всего только 14 тыс. куб. км.

Вот и все, что можно узнать о запасах воды на Земле и о том, где и как она распределена. К этому следует добавить, что вода на Земле никогда не оста- ется неподвижной.

В природе всегда существует вечный круговорот воды, связывающий воедино все водные ресурсы нашей планеты, где бы они ни находились: в атмо- сфере, гидросфере, биосфере. Геологи считают, что даже из глубоких недр планеты ежегодно выносится до одного кубического километра первозданной, ювенильной воды. Может быть, благодаря этому выносу за миллиарды лет существования земного шара и образовались все запасы воды на его поверхности. Правда, астрофизики уверяют, что вода имеет космическое происхождение.

Круговорот воды на Земле происходит за счет энергии Солнца. Вода испаряется, под действием воз- душных течений разносится по всему свету, конден- сируется, выпадает на земную поверхность, снова возвращается — стекает в Океан.

И так без конца.

Каждый год с поверхности Океана и с материков испаряется 520 тыс. куб. км воды, и вся она выпадает обратно в виде осадков — дождя и снега. Причем большая часть сразу попадает обратно в Океан —

410.5  тыс. куб. км, а остальное количество —

109.5  тыс. куб. км орошает сушу, обеспечивая суще- ствование всего живого на всех континентах нашей планеты. Всего только 37,4 тыс. куб. км стекает в те- чение года по руслам всех рек на всем свете обрат-

85

но в Океан. Остальное испаряется снова. При этом бо- лее одной трети воды с суши испаряется расте- ниями.

Почему же воды на Земле очень мало, когда ее так много? Вот этот вопрос особенно важен. В самом деле, много воды на Земле или мало? А что такое «много» и что значит «мало»?

Как было уже сказано, ученые еще точно не знают, сколько воды на нашей планете, но они уверены, что не менее 16 млрд. куб. км.

А масса всего нашего земного шара равна прибли- зительно 6,0 • 10^21 т. Значит, воды на Земле не менее чем четверть процента от массы всей планеты. Разве это мало?

А теперь попробуйте-ка наглядно представить себе только 1 куб. км воды. Вообразите (для вообра- жения ведь все возможно) фантастический водяной куб высотой в километр. Он будет выше облаков. Целый небольшой город разместится свободно на его основании. В нем будет содержаться 1 млрд, т воды, и этого хватит всем людям на свете, всему челове- честву, чтобы утолить жажду примерно в течение полугода.

Только одни реки выносят в Мировой океан каж- дый год около 40 тыс. куб. км воды. Значит, только один годовой сток рек может обеспечить питьевой пресной водой всех людей на Земле, по крайней мере, на двадцать пять тысяч лет. Разве это мало?

Да, конечно, это очень много! Но дело в том, что человеку нужно воды тоже очень много. Его потреб- ности в воде уже стали сравнимыми с возобновляе- мыми ресурсами пресной воды на планете.

Человеку нужна хорошая, чистая пресная вода. Без нее он жить не может.

Без воды не будет расти хлеб на полях. Без воды не могут работать заводы. Встанут и тепловые и

86

атомные электростанции. Вода нужна и сельскому хозяйству, и промышленности.

Сколько же ее нужно обществу? На что это дра- гоценное вещество тратит человек?

Уже теперь, в наши дни, люди каждый год заби- рают из рек и озер для своих нужд приблизительно 2 тыс. куб. км пресной воды, что составляет около одной двадцатой части годового стока всех рек зем- ного шара, или около 13% их устойчивого стока. Больше всего воды расходуют на орошаемое земле- делие. В засушливых зонах часто значительная доля воды огромных рек расходуется на орошение полей. В Египте воды Нила поступают на поля наполовину, а из бурной и капризной реки Сырдарьи на орошение полей Казахстана расходуется две трети годового стока, и до Аральского моря доходит едва одна треть.

Для целей водоснабжения из рек земного шара извлекается 150 куб. км воды. Она идет на бытовые нужды и на снабжение промышленности. Этот расход с первого взгляда кажется незначительным — он составляет всего лишь 1% от устойчивого годового стока, и, казалось бы, можно не опасаться истощения водных ресурсов, но, к сожалению, это не так... перед человечеством встает совершенно реальная угроза жестокого водного голода, который в отдельных районах, в наиболее развитых промышленных стра- нах Запада, уже почти наступил.

Дело в том, что кроме 150 куб. км воды, что люди извлекают для своих нужд из рек, для водоснабже- ния расходуется еще 400—500 куб. км воды, заби- раемой из озер и из подземных источников. А всего же для обеспечения коммунального и промышленно- го водоснабжения во всем мире расходуется почти 600 куб. км пресной воды.

Из этого огромного количества расходуется безвоз- вратно всего только 150 куб. км воды, а остальная отработанная, загрязненная сточная вода поступает

87

обратно в реки и водоемы, отравляя их, делая их не- пригодными для человека и жизни.

Для того чтобы обезвредить сточные воды, необхо- димо их предварительно тщательно очистить, а по- том еще разбавить чистой природной водой прибли- зительно в 10 раз, а неочищенные сточные воды необходимо разбавлять перед сбросом в реки и водое- мы в 20—60 раз. На это в мире расходуется около 6 тыс. куб. км чистой воды. Сопоставив этот расход с величиной мирового устойчивого стока рек, не- трудно почувствовать страшную угрозу призрака водного голода, встающего перед человечеством.

Уже теперь на обезвреживание загрязненных про- мышленных и бытовых сточных вод расходуется ежегодно почти 40% всего устойчивого мирового стока пресной воды, что втрое больше ее расхода на все нужды человечества.

Водный кризис угрожает обществу не потому, что на Земле не хватает воды, а потому, что своей деятельностью человек при существующей техноло- гии, при современной организации промышленного производства вынужден загрязнять и портить огром- ные количества природной чистой воды. В загрязнен- ной сточными сбросами речной воде гибнет жизнь, исчезает рыба, сначала бурно разрастается сорная водная растительность, а затем гибнут и водоросли, развивается вредная микрофлора, загнивающие воды отравляют и воздух, становятся источником тяже- лых заболеваний.

Прославленные в легендах чистые воды Рейна — одной из главных рек Европы — уже больше не су- ществуют. Рейн стал грязной сточной канавой.

Значит, воду нужно беречь? Как? Да! На свете нет ничего более драгоценного, чем чудесная самая обыкновенная чистая вода. Без нее нет и не может быть жизни. Воду нужно беречь. Это должен понять

88

и запомнить каждый, какую бы дорогу он ни наме- тил для себя в будущем. Кем бы он ни хотел стать, где бы ни стал работать, что бы ни делал, каждый обязан помнить — воду нужно беречь! Это значит беречь жизнь, беречь здоровье, беречь благосостоя- ние, беречь красоту окружающей природы.

Все, что существует в природе, объединено в не- разрывное целое сложными и часто неожиданными связями. В этой маленькой книжке, к сожалению, нет места, чтобы об этом рассказать. Здесь будет все же уместен один пример. Чтобы река была полноводной, по ее берегам должны расти леса. Лес накапливает и охраняет запасы подпочвенной влаги, питающей реку. Чтобы сберечь воду — нужно беречь и выра- щивать лес. А леса от вредителей заботливо охра- няют муравьи (правда, они не могут защитить его от пилы и топора). И жизнь большой реки связана с жизнью маленького муравья. Каждый, кто даже просто гуляет в лесу, обязан беречь и охранять его жилище.

И это тоже будет забота о воде.

Кому в будущем придется заботиться о выращи- вании хлеба, следует помнить, что землю надо обра- батывать так, чтобы весенняя влага при таянии сне- гов не могла бы бесполезно стекать с полей.

Кто собирается занять место за рулем автомаши- ны, должен знать, что вылить на землю горючее или отработанное масло и мыть в реке машину — пре- ступление. Каждый килограмм нефти и бензина, попадающий в воду, отравляет тысячи кубометров воды в реке или почвенной влаги и сделает их вредоносными для всего живого.

Если из неисправного крана течет струйка во- ды — кран надо исправить и закрыть. Иначе пропа- дет немало кубометров драгоценной влаги, и ее кто-то не выпьет, кто-то где-то не умоется, а может быть, ее кому-то не хватит, чтобы замесить тесто

89

и выпечь хлеб. И кроме того, бесполезно пропадет огромный труд, затраченный на то, чтобы очистить воду от посторонних загрязнений, от множества бо- лезнетворных бактерий и кристально чистую под- вести ее к вашему крану. На это уже израсходовано немало киловатт-часов энергии, и из-за этой беспо- лезной потери где-то не загорится свет, кому-то не будет сшит костюм, не будет выплавлена сталь, задержится постройка дома.

Все те, кто будет держать в руках эту книжку, кем бы они ни мечтали стать — химиками, металлур- гами, машиностроителями; чтобы ни стали делать — создавать новые замечательные процессы, рассчиты- вать новые аппараты, проектировать и строить новые мощные тепловые и атомные электростан- ции, — все обязаны знать и помнить: все, что будет ими создано вновь, все новые предприятия, промышленные центры, города должны быть так разработаны, так спроектированы и так построены, чтобы эти новостройки не наносили ущерба природ- ной среде, чтобы они не загрязняли и не отравляли водные бассейны, воздушную среду, землю.

На нашей прекрасной Земле должно быть вволю чистой воды, человек на ней постоянно должен дышать чистым воздухом.

Современная наука, а главное, наш новый социа- листический общественный строй создали для вас все возможности успешного решения этой важнейшей задачи современности.

А. какое из свойств воды можно назвать самым важ- ным? Такой вопрос просто нельзя задавать. В нау- ке, как и в природе, нет ничего самого важного, равно как нет и ничего второстепенного. В великой и неразрывной цепи взаимодействия всего сущест- вующего в мире нет большого и малого. Если взять свойства воды — те, которые уже достаточно хорошо

90

исследованы учеными, — и мысленно, так, как это делается в фантастических романах, хоть немного их изменить, вряд ли найдется такой писатель- фантаст, который смог бы предугадать и описать все те величайшие последствия и изменения, которые это вызовет в мире, где мы живем. Сможем ли тогда мы его узнать и будем ли в нем мы?

Но если уж этот вопрос задан, то и на него при- ходится отвечать.

Все-таки самое важное в мире — это жизнь. Жизнь — вершина развития материи. А без воды нет жизни — такой жизни наука в мире еще не на- шла. Нет ни одного известного нам живого орга- низма, который мог бы жить и развиваться без воды. В нашем теле воды свыше 65%. Без воды мы не можем прожить и нескольких дней. Все про- цессы в нашем организме протекают в водной сре- де и с участием воды. И с этой точки зрения самое важное — то во многом еще загадочное и таинствен- ное свойство воды, которое делает ее основой жизни. Науке еще только предстоит его разгадать. Но ясно, что в природе нет для нас ничего драгоценнее воды.

Все ли свойства воды понятны ученым? Конечно, нет! Вода — загадочное вещество. До сих пор ученые не могут еще понять и объяснить очень многие ее свойства.

Можно ли сомневаться, что все подобные загадки будут успешно разрешены наукой. Но будет открыто еще немало новых, еще более удивительных, зага- дочных свойств воды — самого необыкновенного ве- щества в мире.

Все ли свойства воды уже перечислены в этой книге?Нет, к сожалению, далеко не все. Не хватило места даже для наиболее интересных. Но тот, кто захочет подробно познакомиться со всеми свойствами воды,

91

которые уже изучены, сможет это сделать самосто- ятельно.

Для этого ему нужно будет прочесть во всех научных библиотеках мира все уже вышедшие жур- налы и книги, где напечатаны научные работы по химии, физике, биологии, физиологии, биохимии, биофизике, геологии, геохимии.

Придется изучить и многие работы по астрономии и астрофизике (интересно, есть ли вода на планетах, в межзвездном пространстве, в далеких галактиках?

92

И как ее там изучают астрономы?). Надо будет изу- чить работы по зоологии и ботанике (ни животные, ни растения без воды жить не могут). Рыбы и микроорганизмы живут в воде — придется читать работы по ихтиологии и микробиологии.

Само собой разумеется, что нельзя пропустить книги по гидрологии, океанологии, лимнологии (это очень интересная наука об озерах), необходимо так- же изучить работы ученых по теории рек, их обра- зованию и жизни, тщательно проработать все, что

93

известно по гляциологии (это очень важная наука о свойствах льда — она помогает строить большие города на далеком севере), по спелеологии (ведь пе- щеры в недрах Земли созданы водой, и это тоже ее свойство).

Без термодинамики нельзя понять роль воды в энергетике (ведь все тепловые электростанции рабо- тают на водяном паре, а гидростанции — на воде). Придется изучить и ядерную физику (зачем атомной энергетике нужна тяжелая вода). Есть еще очень обширная и трудная наука — гидравлика.

Придется изучить ряд разделов электротехни- ки — без этой науки невозможно усвоить электро- химию, большинство процессов которой протекает в водных растворах.

Где и какие реки, моря и океаны расположены на Земле, рассказано в работах по географии. Совер- шенно особые свойства воды изучает навигация — наука о кораблевождении и теория кораблестроения.

Очень много интересного о воде можно узнать из книг по метеорологии — науке, которая изучает, по- чему рождаются тучи и идет из них дождь.

Нельзя оставить без внимания научные работы по медицине — ив человеке все жизненные процессы протекают в водной среде.

Может быть, вы думаете, что можно пропустить сочинения по истории, по экономике? Нет, их раз- витие определялось на нашей планете водными путями сообщения.

Наверное, можно назвать, если хорошенько поду- мать, еще много отраслей знаний, в которых изу- чаются свойства воды. Попробуйте подумать сами.

Все ли уже известно о воде? Сравнительно недавно, в 30-х годах нашего века, химики были уверены, что состав воды им хорошо известен. Но однажды одному из них пришлось измерить плотность остатка

94

воды после электролиза. Он был удивлен: плот- ность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной.

В науке нет ничего незначительного. Эта ничтож- ная разница потребовала объяснения. В результате ученые открыли много новых больших тайн приро- ды. Они узнали, что вода очень сложна. Были найде- ны новые изотопные формы воды. Добыта из обыч- ной тяжелая вода; оказалось, что она совершенно необходима для энергетики будущего. Теперь во всех странах мира физики упорно и неустанно ра- ботают над решением этой великой задачи. А на- чалось все с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины — плотность воды измерена точнее на лишний десятичный знак.

Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчет, каждое новое наблюдение не только повышает уверенность в знании и надеж- ности уже добытого и известного, но и раздвигает границы неведомого и еще не познанного и про- кладывает к ним новые пути.

Нет предела человеческому разуму, нет предела его возможностям; и то, что мы теперь так много знаем о природе и свойствах поистине самого удивитель- ного в мире вещества — о воде, открывает перед ва- ми, перед теми, кто читает книгу, еще большие, не- ограниченные возможности. И кто может сказать, что вы еще узнаете, что откроете но- вого, еще более необычайного.

Умейте только видеть и удивляться.

Вода, как и все в мире, неисчерпаема.

Содержание

Что такое вода?

3

Самое Игорь Васильевич

необыкно- Петрянов

венное вещество в мире

Для среднего и старшего школьного возраста

Художник Заведующий

редакцией

И. Доброхотова- в. ю. Кирьяпо»Майкова Редактор

Т. П. Минина

Художественный

редактор

В. П. Храмов

Технические

редакторы

Т. Е. Морозова.

Т. Г. Иванова.

Корректор

М. А. Суворова

Вода во Вселенной24

Свойства воды33

VY

ИЗДАТЕЛЬСТВО

«ПЕДАГОГИКА.

ИБ М 557

Сдано п набор 25.03.80. Подписано I» печать 28.11.80. А 14 194. Фор мат 70x 100/32. Бумага офсетная N* 2. Уел. печ. л. 3,87. Уч.-иод. л. 4,14. Тираж 200 000 экз. Печать офсет. Гарнитура «Школь- ная». Заказ М 1651. Це- на 25 коп.

Издательство «Педагоги- ка» Академии педагогичес- ких наук СССР и Государ- ственного комитета СССР по делам издательств, по- лиграфии и книжной тор- говли.

Москва, 107847, Лефортов- ский пер., 8.

Ордена Трудового Крас- ного Знамени Калининский полиграфический комби- нат Союэполиграфпрома при Государственном ко- митете СССР по делам из- дательств, полиграфии и книжной торговли, г. Калинин, пр. Ленина. 5.

25 коп

Читайте

следующую

книгу

библиотечки«Ученые — школьнику*!

Книга «Монеты рассказы- вают» посвящена науке нумиз- матике, показывает ее значе- ние в изучении истории человечества, экономической жизни и торговых связей на- родов, для раскрытия тайн прошлого.

В книге рассказывается о ро- ли изображений и надписей на монетах, о работе монетного двора, об истории названий монет и о многом другом.

Юные читатели найдут в кни- ге увлекательные истории о монетах Древней Греции и Рима, арабского Востока и Византии, Древней Руси и средневековой Европы, о день- гах и монетах недавнего про- шлого и современных, о разви- тии нумизматики в нашей стране.

Автор — советский ученый, доктор исторических наук Г. А. Федоров-Давыдов знако- мит читателей с историей ну- мизматики, ее основными по- нятиями и методами. Он доказывает, что нумизмати- ка — это не простое коллек- ционирование монет, а отрасль исторической науки, требую- щая огромного труда и серьез- ного увлечения. Показаны пути научного поиска в этой науке.

ИЗДАТЕЛЬСТВО

«ПЕДАГОГИКА.

Content

Петрянов-Соколов Игорь Васильевич Самое необыкновенное вещество в мире