Путешествие в Страну элементов

Рыболовы — народ неугомонный. Они и зимой удят рыбу. Пробивают лед, забрасывают удочки в воду и… ждут. Рано или поздно приходит удача. И вряд ли многие из них задумываются, что этим удовольствием они обязаны одной из аномалий воды. Не обладай она этой аномалией, уже при слабом морозе пруд или река покрывались бы коркой отвердевшей жидкости, а при сильном — просто вымерзали бы от дна до поверхности. И вот почему: с повышением температуры у всех тел объем увеличивается. Исключение составляют металлы таллий, висмут и… вода. Вода не подчиняется этому закону: в промежутке от 0 до +4 °C ее объем уменьшается. Потому-то зимой, когда температура воздуха ниже нуля, водоемы не вымерзают до дна.

Судите сами: перед нами пруд; температура его поверхности достигла +4 градуса. Вода при такой температуре обладает максимальной плотностью; следовательно, верхние слои ее идут на дно. Становится холоднее, температура достигает 0 градусов, поверхностные слои не идут на дно, а остаются на своем месте, превращаясь в лед. Чем сильнее мороз, тем толще корка льда, но под этой коркой все же вода.

Лед, обладающий малой теплопроводностью, как бы ватным одеялом предохраняет нижние слои воды от переохлаждения. Лед легче воды. При 0 градусов вода более легка, чем при +4 °C. Качественно новое состояние воды — лед («твердая вода») — обладает еще более «рыхлым» строением.

Как быстро нагревается вода и тает лед

Мы уже говорили, что вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус, нужна 1 калория. Это большая величина. Нагревая 1 литр воды от комнатной температуры до кипения, необходимо затратить столько энергии, сколько хватило бы для подъема собачки весом в 3 килограмма на высоту 10 тысяч метров. Вода медленно нагревается, но и столь же медленно охлаждается. Поэтому ее выгодно применять для водяного отопления зданий. Ее используют также в качестве теплоносителя в атомных реакторах.

Большая теплоемкость воды определяет в значительной мере климат планеты. Почва быстро нагревается, но и быстро отдает тепло. Вода же не транжирит летнее тепло, полученное от Солнца. В течение всей зимы океаны и моря подогревают воздух…

Вода медленно нагревается, и столь же медленно плавится лед. Чтобы превратить его в воду, надо сообщить определенное количество теплоты, называемое теплотой плавления. Теплота, необходимая для плавления 1 грамма вещества, называется удельной теплотой плавления. Для льда она равна 80 калориям, только алюминий обладает большей удельной теплотой плавления.

Как много тепла надо для того, чтобы 1 грамм воды превратить в пар? 538 калорий. Вода обладает наибольшей теплотой парообразования среди всех известных жидкостей. Энергия водяного пара вот уже много десятилетий движет паровозы и пароходы, лопатки паровых турбин.

Ажурная структура воды

Почему же вода так отличается от других жидкостей? Как объяснить то, что лед обладает меньшей плотностью, чем вода, что вода имеет максимум плотности, что на ее долю приходится наибольшая теплоемкость и теплота парообразования?

Аномальное поведение воды связано с особенностью ее структуры. Молекула воды несимметрична: центры «тяжестей» положительного и отрицательного заряда в ней не совпадают. Она полярна и, как магнит, обладает двумя полюсами: один — положительный заряд атомов водорода, другой — отрицательный заряд кислорода. В воде образуются так называемые водородные связи. Водород одной молекулы воды вступает в связь с кислородом другой.

Водород в воде соединен с двумя кислородами сразу: со «своим» и с «чужим». Со «своим» он связан крепче. Заметим, что в воде водородные связи гораздо прочнее, чем в других жидкостях, обладающих такой же способностью.

Следовательно, молекулы воды соединены друг с другом прочнее, чем молекулы какой-либо другой жидкости.

Ну, а как они расположены? Начнем со льда — воды в твердом состоянии. Предположим, нам дана задача расположить в ящике бильярдные шары так, чтобы их поместилось как можно меньше, и в то же время так, чтобы они образовали устойчивую структуру. Решив ее, мы обнаружим, что в нашем сосуде один шар соприкасается только с четырьмя другими. Укладка шаров здесь обладает малой плотностью: она ажурна, в ней много пустот, размеры которых несколько больше размеров шаров. Заменим теперь шары молекулами воды — перед нами структура льда. Молекулы между собой соединяются водородными связями. Потрясем сосуд — структура льда нарушится, и, конечно, в сторону уплотнения. Плавление льда — это своеобразная «встряска» его структуры.

Поскольку молекулы воды обладают довольно сильными водородными связями, ее структура — пространственная сетка ее молекул — в основном повторяет структуру льда. Это доказано рентгенографическими исследованиями. Когда лед плавится, происходит частичное заполнение пустот его структуры. Отсюда увеличение плотности и уменьшение объема.