|
О сухом лимонаде и о том, чему посвящена эта книга
Июль. Жара. Хочется пить. Автоматов с газированной водой поблизости нет. Но неподалеку расположился киоск, на котором затейливой славянской вязью выведено «Русский квас». Однако квас, как выясняется, давно кончился. Распродан и напиток «Буратино». Продавщица может лишь предложить «Лимонный напиток». Что ж, отведаем лимонного. «Дайте два стакана». Однако продавщица вместо стакана протягивает два небольших пакета, в которых шуршит какой-то сухой порошок. Да, жажду удастся утолить лишь дома. Но зато есть начало книги о растворах, этой книги.
Конечно, следовало бы начать с того, что тема «Растворы» — куда как важная, важнее не придумаешь! Потому что растворы — всюду. Чай — раствор. Одеколон — раствор. Морская волна — раствор. Рассол, в котором лежат огурцы, — раствор. Да и сам огурец — тоже раствор. Но ведь мало — взять и объявить, что растворы — это очень важно. Это надо еще и доказать. Вот этому и посвящена наша книга.
В размышлениях о поразительной распространенности растворов в природе я добрался до дому. Беру пакет с «Лимонным напитком» и в соответствии с незамысловатой инструкцией, напечатанной на упаковке, насыпаю порошок в стакан и заливаю водой из-под крана. Порошок очень быстро растворяется, и сейчас же из образовавшегося раствора с бурным шипением начинают выделяться пузырьки. Пробую образовавшийся напиток: сладкий и, главное, газированный.
Газ, что звонкими пузырьками выделяется сейчас из полусамодельного лимонада, конечно же не хранился в пакете. Он образовался при приготовлении напитка в результате химической реакции. В состав порошка входит (помимо сахара) пищевая сода и лимонная кислота.
А сода и кислота энергично взаимодействуют друг с другом, образуются при этом натриевая соль лимонной кислоты и углекислый газ. Как видите, все просто и никаких секретов.
Просто? Никаких секретов? А почему, спрашивается, сода и лимонная кислота не взаимодействовали друг с другом, когда смесь была сухой? Почему для осуществления реакции эту смесь потребовалось растворить?
Да потому, что Corpora non agunt soluta — «Тела (вещества) не взаимодействуют друг с другом, если не находятся в растворе». Это правило установили еще алхимики много веков назад.
Мы настолько привыкли к тому, что химические реакции осуществляются в растворах, что в наших рассуждениях это обстоятельство выносим как бы за скобки, а нередко и вовсе забываем об этом. В самом деле, проведем один, так сказать, психологический эксперимент. Скажите, пожалуйста, что представляете вы себе при словах: «При взаимодействии щелочи и кислоты протекает реакция нейтрализации NaOH + НС1 —»NaCl + Н20».
Вы, конечно, представили себе склянку со щелочью, из которой щелочь наливают в пробирку, куда затем из другой склянки добавляют кислоту. Вот и все. Все, за исключением того, что если уж вы сами не знаете, то сможете быстро установить с помощью любого справочника: NaOH, едкий натр, — твердое кристаллическое вещество, плавящееся при температуре 318°С; НС1, хлористый водород, — тот и вовсе газ, сжижающийся при — 84°С. Как видим, участники приведенной реакции вовсе не жидкости.
В описанном опыте сливали, конечно, не едкий натр и хлористый водород, а растворы этих веществ в воде. Дело известное. Неизвестно только, зачем и при чем здесь вода. Она, правда, образуется в результате взаимодействия щелочи и кислоты (и таким образом, по законам химических процессов вода должна препят-
ствовать протеканию реакции). Но из уравнения ясно видно, что вещества, вступающие в реакцию, никак в воде не нуждаются. Не нуждаются, а вот — ничего без нее не происходит. Как-то, каким-то непонятным (пока!) образом вода участвует в этой, да и в подавляющем большинстве остальных химических реакций, которые, как хорошо это знают химики, в 199 случаях из 200 протекают в растворах.
Только одно это обстоятельство могло бы послужить достаточно категорическим обоснованием высказанного выше утверждения: растворы — это очень важно. А ведь перечень подобных аргументов можно было бы сильно расширить.
Свойства растворов, описываемые в этой книге, названы необычными. Возможно, кто-то из читателей не согласится с таким определением. Дескать, много ли диковинного в том, что растворы солей проводят электрический ток, или в том, что раствор замерзает при температуре более низкой, чем чистый растворитель? Наука — она может объяснить все. А если что-нибудь еще и непонятно, то прояснится в будущем.
Не стоит удивляться? Как сказать... Все зависит от того, как смотреть и какими глазами. Вот стоит дерево. Дерево как дерево. А задумаешься, каким образом углекислый газ и вода превратились в эту пышную крону, то и впрямь подивишься.
Верно было сказано одним проницательным человеком, что наука начинается с удивления. Кто не видел, как падают выпущенные из рук предметы? А удивился этому Галилей. Кто не любовался ярким солнечным лучом? А поразился ему Ньютон. Кто не наблюдал замерзание воды? А счел это дивом диковинным Ломоносов.
Вот почему каждая книга о науке — это всегда приглашение к удивлению. И я приглашаю вас — давайте вместе подивимся необычным, таким необычным свойствам таких обычных растворов.
Что такое раствор
Вот уж что не должно составить труда — определение понятия «раствор». Раствор — это раствор. Все более чем очевидно. Но...
Но давно известно: нет в науке ничего опаснее очевидных понятий. И определение, строгое определение понятия «раствор» это с очевидностью доказывает:
РАСТВОР — ГОМОГЕННАЯ (однородная) ХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (смесь веществ), КАЖДЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОБЪЕМА (самая малая часть) КОТОРОЙ ОБЛАДАЕТ ОДИНАКОВЫМ ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ.
Здесь в скобках дана расшифровка новых понятий. Следовало бы дать подобную расшифровку и прилагательного «термодинамический». Но термодинамический — это... термодинамический. И для того, кто этот термин не понимает до конца, лучше всего обратиться к учебнику физики или к вышедшей в серии «Ученые — школьнику» книге И. Р. Кричевского и И. В. Петрянова «Термодинамика для многих».
Прочитайте приведенное определение еще раз. Вы заметили, что в нем не встречаются слова «жидкость», «жидкий»? Выходит, раствор может быть газообразным или, смешно сказать, твердым? Выходит, что может. Воздух — и впрямь раствор: однородная смесь газов. И золотое кольцо — тоже раствор, твердый раствор: однородный сплав золота и меди, каждая самая малая часть которого совершенно одинакова по всем свойствам.
Вот почему растворы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые. Разумеется, жидкие растворы в природе, технике и промышленности распространены в большей степени, чем их газообразные или твердые собратья. И поэтому в этой книге мы будем вести речь именно о жидких растворах. Таким образом, читателю не придется изменять своему уже установившемуся представлению о растворах. Но все же следует помнить, что раствор — это не только то, что можно переливать; иногда раствором можно оцарапаться.
Между газом и кристаллом
Что написано в учебниках. Итак, в центре нашего внимания — жидкое состояние вещества. И поэтому совсем нелишне будет разобраться в том, что такое жидкость. Надеюсь, читатель уже понял, что «очевидными» определениями, вроде того, что «жидкость — то, что льется», не обойтись.
Поэтому обратимся к учебникам.
Читаем: «Жидкость — промежуточное состояние между кристаллом и газом». Определение, несомненно, верное. Но все же... что такое жидкость?
Во втором учебнике говорится: «В кристаллических веществах — четко выраженная структура (т. е. положение относительно друг друга частиц, составляющих кристалл), в газе структура совершенно отсутствует, а жидкость в этом плане занимает промежуточное положение». Боюсь, что от этого определения понятие «жидкость» вразумительнее не стало.
Но, может быть, нам повезет с третьим учебником, в котором, однако, сказано: «В кристаллах молекулы сильно взаимодействуют друг с другом, в газах это взаимодействие столь мало, что им часто попросту можно пренебречь, жидкости же по энергии межмолекуляр-ного взаимодействия занимают промежуточное положение между кристаллами и газами». Вот как...
Всего только мы и вынесли из подобных определений, что жидкость — это нечто такое, что от газа ушло достаточно далеко, но к кристаллу не приблизилось нисколько.
Все процитированные определения приведены вовсе не для того, чтобы иронизировать над авторами учебников. Подобная неопределенность понятия «жидкость» связана с тем, что физика очень долго не могла составить четкого представления об особенностях жидкого состояния.
Кристалл или газ? Строение кристалла (полная упорядоченность) и газа (полный беспорядок) ученые представляли себе достаточно четко едва ли не в античные времена. А вот с жидкостями дело застопорилось. Установить, что они занимают промежуточное положение между кристаллами и газами, было несложно — этот факт лежал, так сказать, на поверхности. А вот нырнуть вглубь оказалось делом непростым. Только XX век (и даже не первые его десятилетия) внес некоторую, впрочем, довольно относительную ясность в вопрос, что такое жидкость. Во всяком случае, сегодня мы можем жидкостям отводить вполне определенное, а не какое-то невыразительное «промежуточное» место в учении об агрегатном состоянии вещества.
Начать придется все же с сопоставления жидкого состояния с двумя другими основными агрегатными состояниями — твердым и газообразным, ибо все познается в сравнении, и природа жидкого состояния в этом смысле исключения не составляет.
Одним из наиболее типичных признаков кристаллического вещества является строго определенная форма, которую оно без внешних воздействий не изменяет. Жидкость послушно принимает форму того сосуда, в который она помещена, причем жидкость стремится занять как можно меньший объем. Газ же, предоставленный сам себе, неудержимо стремится разбежаться, т. е. увеличить объем.
В газе, жидкости и в кристалле молекулы безостановочно движутся. Оказывается, характер этого движения самым определяющим образом связан с агрегатным
состоянием, в котором находится вещество. Частицы, образующие кристалл, не обладают никаким поступательным движением, они только, подобно маятнику, колеблются относительно какого-то положения равновесия. В газе, напротив, молекулы движутся весьма привольно. Длина свободного пробега молекулы газа (т. е. средняя протяженность пробега молекулы до столкновения ее с другой молекулой) составляет целых 10-5 см, одну стотысячную долю сантиметра. Это очень много. Ведь 10-5 см примерно в тысячу раз больше диаметра молекулы. Действительно, если вы проживаете в местности, где до ближайшего соседа надо добираться полтора, а то и два километра, то перенаселенной эту местность никак не назовешь. В жидкости же молекулы могут передвигаться разве только на один «шаг» — на расстояние, равное диаметру молекулы (10-8 см). Это уже походит на толпу.
Знакомство с литературой, посвященной строению жидкости, быстро обнаруживает, что существуют точки зрения, которые, кажется, исключают друг друга. В одних статьях и книгах пишут, что жидкость — это почти что кристалл: такая же строгая структура и энергия взаимодействия между частицами, молекулами, весьма близко приближающаяся к энергии взаимодействия между частицами в кристаллах, но значительно превышающая энергию взаимодействия в газе.
Авторы других научных работ отстаивают точку зрения, согласно которой жидкости своими родственными узами связаны вовсе не с кристаллами, а с газами. Действительно, частицы в жидкости движутся почти так же хаотично, как и в газе. А при достаточно высокой температуре (своей для каждого вещества), называемой критической, и вовсе исчезает различие между газом и жидкостью — физики это знают очень хорошо.
Кто же прав? Правы все. Бывает (и не только в науке) такая ситуация, когда в споре правыми оказываются обе стороны.
Соседи в жидкости. Первым навел мосты между сторонниками теорий «кристаллической» и «газообразной» жидкости известный английский химик Джон Бернал, в будущем председатель Всемирного Совета Мира. Эксперимент, который предпринял Бернал в 30-х годах, внешне напоминал немудреную детскую забаву. На металлический противень, поверхность которого намеренно была изборождена хаотичными неровностями, Бернал высыпал горсть мелких стальных шариков. Шарики должны были моделировать молекулы жидкости. А затем Бернал обильно полил «молекулы» краской. После того как краска застыла, экспериментатор осторожно, по одному, отделял шарики и рассматривал их через лупу. Там, где шарики соприкасались друг с другом, на поверхности оставались незакрашенные точки. Подсчет точек позволил определить число ближайших соседей каждой молекулы. И тут вдруг выяснилось, что...
Но прежде следует пояснить, как обстоит дело с соседями в кристалле. Обычный кристалл представляет собой по сути одну большую молекулу. Вот на рисунке фрагмент (увеличенный, конечно) кристалла хлористого натрия. Как видим, очень простая и вместе с тем строгая структура: каждый ион окружен 8 соседями — вокруг каждого катиона Na+ находится 8, и только 8, анионов С1_, вокруг каждого аниона С1" — 8, и только 8, катионов Na+. В других кристаллах число постоянных соседей будет равно 4 или 6, но, главное, оно в каждом данном кристалле постоянно.
О числе соседей в газе говорить не приходится, там их, соседей, можно считать, нет.
А что касается жидкостей, то, как выяснилось в опытах Бернала, число соседей у каждой молекулы в жидкости непостоянно. Хотя число соседей в жидкости, как и в кристалле, невелико (не более 10), но одна молекула окружена в данный момент 5 соседями, другая — 7 И т. д.
Кристаллическая решетка хлористого натрия.
Впрочем, налицо были все признаки упорядоченности, потому что можно было подсчитать, и достаточно точно, сколько молекул жидкости в какой-то момент имеют 6 соседей, а сколько — 8. А это в свою очередь позволило считать жидкость кристаллоподобной, как бы состоящей из смеси очень маленьких кристалликов. Но «подобный кристаллу» — это все же не кристалл. И изменение свойств жидкости при нагревании это доказывало с наглядностью. Чем выше температура жидкости, тем энергичнее движутся молекулы, тем менее устойчивы микрокристаллики. И тем больше, следовательно, жидкость напоминает газ.
И кристалл и газ. Все сказанное позволяет сделать весьма важный вывод относительно структуры жидкости: при температурах, близких к температуре замерзания, жидкость по своим свойствам приближается к кристаллу; при температурах, близких к температуре кипения, — к газу.
Но как бы то ни было, жидкость не хаос. И это с бесспорностью доказали эксперименты по рассеянию жидкостями рентгеновских лучей. Если в образце исследуемого вещества молекулы ориентированы как попало, хаотично, то они будут рассеивать направленные на них рентгеновские лучи тоже как попало: в рассеянном излучении не будут наблюдаться никакие закономерности.
В рассеянии рентгеновских лучей от газа, понятно, никаких закономерностей не обнаруживается. В случае же кристаллов закономерности рассеяния, и это тоже понятно, проявляются очень отчетливо. Эти закономерности тесно связаны со строением кристалла. Именно поэтому рентгенография стала мощным средством изучения кристаллов.
В рассеянном от молекул жидкости рентгеновском излучении закономерности обнаруживаются не так отчетливо, как у кристаллов, но достаточно четко, во всяком случае, для того чтобы говорить о закономерностях в строении жидкости. Изучением рассеяния рентгеновских лучей жидкостями много занимался советский физик В. И. Данилов, который начиная с 30-х годов последовательно изучал с помощью рентгенографии структуру многих типов жидкости.
В научной литературе, посвященной жидкостям, часто можно встретить термины «ближний порядок» и «дальний порядок». Теперь, когда мы, пусть в самых общих чертах, познакомились со строением жидкости, понять эти термины не составит труда. Кристаллы являют собой пример дальнего порядка. Действительно, на любом отдалении от какой-либо структурной ячейки кристалла можно встретить точно такую же ячейку. Не то в жидкости. Правильная упорядоченность сохраняется лишь на очень малых расстояниях, что-то около диаметра одной молекулы. Вот почему порядок в жидкости — ближний. Ну а в газе, как понятно, нет никакого порядка — ни ближнего, ни тем более дальнего.
Да, жидкость — это действительно промежуточное состояние между кристаллом и газом. Но теперь уже это прилагательное наполнено для нас совсем иным содержанием.
Свойство, присущее только жидкостям. В свое время этот снимок обошел газеты почти всех стран: в кабине космического корабля перед космонавтом неподвижно висит шар. Физики давно предвидели, что любая жидкость, в том числе и вода, будучи предоставленной сама себе, т. е. находящаяся без поля тяготения и без сосуда, примет форму шара, потому что среди тел любой мыслимой формы, но одинакового объема именно шар обладает наименьшей площадью поверхности. И теперь физикам очень приятно было убедиться в собственной правоте.
Стремление жидкости как можно сильнее уменьшить свою поверхность связано с особым свойством
Схема возникновения поверхностного натяжения.
жидкости, которое называется поверхностным натяжением.
Вот перед нами на рисунке увеличенный в громадное число раз малый элемент объема жидкости. Стрелки, идущие от каждой молекулы, означают силы, которыми молекулы в жидкости притягиваются друг к другу. Из схемы видно, что молекулы, находящиеся в глубине, достаточно сильно отличаются от молекул, расположенных на поверхности жидкости. Если у «глубинных» молекул насыщены все силы сродства, то у «поверхностных» молекул компенсирована лишь часть этих сил. Поэтому молекулы, расположенные на поверхности, испытывают особенно сильное притяжение друг к другу. Можно сказать, что каждая жидкость с поверх-
ности как бы покрыта особой самостягивающейся пленкой, состоящей из слоя толщиной в одну молекулу. Эти силы, стягивающие поверхность жидкости, и называются поверхностным натяжением.
Именно благодаря поверхностному натяжению тонкая пластинка металла, обладающего значительно большей плотностью, чем жидкость, плавает на ее поверхности. Именно благодаря этому свойству по поверхности воды, деловито перебирая лапками, ходит, как посуху, жук-водомерка. И наконец, именно поверхностное натяжение стягивает жидкость в кабине космического корабля в шар, поверхность которого минимальна.
До сих пор мы вели разговор о свойствах, присущих всем жидкостям. Теперь же поговорим о воде. Такое выделение воды из громадного числа жидкостей вполне оправдано. Во-первых, хотя растворы можно приготавливать на основе любого растворителя, любой жидкости (об этом пойдет речь в последующих главах книги), но с водными растворами приходится сталкиваться несравненно чаще, чем с неводными. А во-вторых... Самое главное и заключается в этом «во-вторых».
Вода удивляющая и удивительная
При обычном атмосферном давлении вода должна была бы закипать при — 70 ° С. Здесь стоит именно минус, а не тире. А выделенное слово означает, что вода действительно обязана кипеть на 170 градусов ниже, чем она закипает в действительности.
Замерзать же воде положено при — 90° С, а вовсе не при 0°. И лед, образующийся при этом, должен был бы сразу тонуть, а не плавать на поверхности воды.
И из плохо закрученного крана вода не должна была бы капать, а должна была бы литься тоненькой струйкой.
А сахар в воде должен был бы растворяться медленно и плохо — в лучшем случае несколько крупинок на стакан воды. Так что меда в природе быть не должно. И сладкий чай или варенье тоже не имеют особых прав на существование.
Неумеренное количество глаголов в сослагательном наклонении означает лишь удивление перед необычным, действительно во всех отношениях необычным поведением воды. Не более чем удивление, потому что (надеюсь, читатель это понял) автор, употребляя глагол «должен», вовсе не намерен навязывать природе свой вкус (это было бы, конечно, во всех отношениях пустым занятием).
Сейчас осталось немногое — обосновать, объяснить, почему вода должна была бы себя вести «иначе», а тем не менее ведет себя «так».
В физике и химии существует вряд ли подсчитываемое число закономерностей, установленных на основании подобия. Сейчас попробую пояснить, что имею в виду.
Представим себе достаточно экстравагантную, даже фантастическую ситуацию: вода химикам неизвестна, более того, она еще не синтезирована. И какой-то ученый только собирается приступить к получению соединения водорода с кислородом. И для этого ему надо составить прогноз относительно важнейших свойств этого вещества — «кислородоводорода».
Проследим за цепочкой рассуждений нашего химика. Кислород расположен в VI группе периодической системы Д. И. Менделеева. Вместе с кислородом в этой группе (точнее, в подгруппе) находятся сера, селен и теллур. Надо проследить за закономерностями изменения температур кипения и замерзания соединений этих элементов с водородом и на основании установленной закономерности составить прогноз относительно температур кипения и замерзания еще не полученного соединения н2о.
Химик снимает с полки объемистый справочник, листает его несколько минут и быстро составляет табличку: (...)
Теперь остается сделать немногое: химик строит график, откладывая по оси абсцисс молекулярную массу, а по оси ординат — соответственно температуру кипения или температуру замерзания. Вот он, этот график. Нанесенные точки химик соединяет плавными кривыми, которые продолжает до пересечения с ординатой, отвечающей молекулярной массе «кислородоводорода». Действительно, кривая температур кипения пересекает ординату воды в точке — 70°С, а кривая температур замерзания — в точке — 90° С. Как видим, вода действительно должна (была бы!) кипеть и замерзать при гораздо более низких температурах, чем это наблюдается в действительности.
Конечно, такое несовпадение прогноза с действительным положением вещей причинит много неприятностей нашему химику. Проводя эксперимент, он предпримет целый ряд предосторожностей против того, чтобы синтезируемый им «кислородоводород» не улетучился. Для этого он поместит реакционный сосуд в твердую углекислоту (сухой лед), а вероятнее всего — в жидкий воздух. Проведя реакцию и обнаружив кристаллы, химик поначалу обрадуется, но, когда он нагреет их до — 90°, а они не расплавятся, химик немного (пока еще немного) удивится. Но когда он будет продолжать нагревание и до — 70° («кислородоводород» должен был бы уже давно расплавиться и даже закипеть!) и до -50° и т. д., а кристаллы и не подумают плавиться, тут химик загрустит. И грустить ему еще долго: нелегко понять истоки этих двух первых (в данном случае связанных с температурами плавления и кипения), но далеко не последних аномалий воды.
Теплоемкость воды. Рассказ о следующей аномалии воды лучше всего, пожалуй, начать с описания... ощущений неопытного путешественника, впервые попавшего в пустыню Сахару (Каракумы, Долину Смерти и т. д.). Путешественник, конечно, предполагал, что в пустыне жарко, но чтобы до такой степени... От раскаленного песка веет таким нестерпимым жаром, что кожа на участках тела, не защищенных одеждой, кажется, лопнет. Скорее бы зашло солнце и наступила долгожданная прохлада.
И солнце заходит. И действительно сразу же становится прохладнее. Еще прохладнее. Совсем прохладно. Холодно. Очень холодно. Подумать только, что такой холод почти у экватора. Скорее бы взошло солнце...
Конечно, у читателя возник вопрос: причем здесь пустыня Сахара в этой главе книги, где речь идет о воде? Ведь чего-чего, а воды в Сахаре как раз и нет. Именно в этом и лежит причина только что описанного климатического своеобразия пустынь.
Для того чтобы поднять температуру 1 г разных веществ на 1 градус, надо затратить, как это хорошо известно, разное количество тепла. В случае ртути на это пойдет немногим больше 0,1 Дж, для серной кислоты — около 1 Дж, для этилового спирта — чуть больше 2 Дж. Но чемпионом, абсолютным чемпионом здесь будет вода. Для того чтобы повысить температуру 1 г
воды на 1 градус, требуется 4,2 Дж. Да, теплоемкость воды — а здесь идет речь именно об этом свойстве — намного превышает теплоемкость подавляющего большинства других веществ.
В местностях, богатых водой, даже при сильно палящем солнце температура поднимается сравнительно медленно: значительная часть приходящего тепла захватывается водой. Но и после того, как светило скрывается за горизонтом, температура в таких местностях падает тоже медленно: вода постепенно отдает воздуху значительное количество тепла, накопленного ею. Вот почему вода служит прекрасным регулятором климата. И вот почему температура в, скажем, близкой к морю Прибалтике летом редко превышает +20°, но зато и зимой редко опускается до — 10°. В лежащей на той же широте области Якутии колебания температуры во много раз больше — от +40° летом до — 50° зимой.
Теперь становится ясным, что именно должен был учесть путешественник, отправившийся в Сахару. Воды в Сахаре нет. Зато есть песок. Теплоемкость песка впятеро меньше, чем воды. Поэтому днем под жарким солнцем песок быстро, очень быстро нагревается — ему для этого тепла требуется совсем немного. Но зато ночью песок, отдав весь свой небогатый запас тепла, быстро остывает. И именно поэтому в южных пустынях по ночам так холодно, очень холодно.
Чтобы вода закипела. Возьмите любую жидкость (не обязательно воду) и, предварительно опустив термометр, начинайте ее нагревать. Термометр, понятно, начнет фиксировать повышение температуры жидкости. Но как только появятся первые пузырьки пара, свидетельствукгцие о начале кипения, столбик ртути в термометре застынет на месте и будет пребывать в неподвижности до тех пор, пока не испарятся последние капли жидкости. После этого температура начнет повышаться, но это будет нагреваться уже пар.
График зависимости температуры кипения и замерзания гидридов элементов VI группы.
Молекулярная масса Н20 H2S H2Se Н2Те
Наши наблюдения можно выразить графиком, на котором изображена зависимость температуры от количества подводимого тепла (если считать, что в единицу времени к сосуду подводится одно и то же количество тепла, а так оно чаще всего и бывает, то на оси абсцисс можно проставлять вместо единиц теплоты также и время). Процессу кипения на графике отвечает горизонтальный участок.
Легко понять, почему при кипении температура жидкости, несмотря на то что к ней подводится тепло, остается постоянной. Тепло расходуется на то, чтобы придать молекулам энергию, необходимую для отрыва от жидкости и перехода в пар. Вот это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы 1 г жидкости при температуре кипения перевести в пар, называется скрытой теплотой испарения (парообразования). Теперь сущность термина стала полностью понятной, даже слово «скрытая» здесь оказывается уместным: действительно, подвод тепла к жидкости проходит как бы скрыто, потому что не влечет за собой изменения температуры.
Читатель, по-видимому, подготовлен к тому, что и по величине скрытой теплоты парообразования вода является абсолютным чемпионом. Еще бы! Для того чтобы заставить испариться 1 г воды, находящейся при нормальном атмосферном давлении, надо затратить целых 2260 Дж. На перевод же в пар 1 г ртути уходит всего 290 Дж, для бензола эта величина составляет 390 Дж, а для этилового спирта — около 850 Дж.
Нам еще предстоит выяснить, в чем причина и этой аномалии воды. Но сразу же можно отметить, что эта аномалия безусловно полезная. Не имей вода такой высокой теплоты парообразования, вряд ли на нашей планете были бы реки и озера, да и с океанами дело бы обстояло не так хорошо — большая частв воды, а то и вся вода находилась бы в виде паров в атмосфере. Хорош был бы ландшафт нашей планеты, которая не имела бы жидкой воды, но зато была бы окутана плотной и непроницаемой атмосферой, состоящей почти сплошь из паров воды!
Высокое значение скрытой теплоты испарения воды объясняет и регулирующее действие воды на климат планеты. Вода, испаряясь, охлаждает атмосферу, а проливаясь дождем, нагревает ее. Кто засомневался в том, что облака и дождик могут оказывать сильное влияние на климат планеты, пусть учтет, что за один час на Земле испаряется и, следовательно, конденсируется 50 кубических километров воды. Подсчитайте, какому количеству джоулей соответствует этот процесс.
После сказанного совсем нетрудно будет пояснить, что такое скрытая теплота плавления, та теплота, которая необходима для того, чтобы расплавить 1 г кристалла, находящегося при температуре плавления. График зависимости температуры системы от подводимого тепла (от времени) будет походить на предыдущий график, как близнец. Судите сами, вот он, этот график. Действительно, похож на предыдущий. Только здесь горизонтальный участок отвечает процессу плавления.
Конечно, и в этом случае вода ведет себя аномально. Скрытая теплота плавления у нее (335 Дж) почти в 30 раз больше, чем у ртути, втрое больше, чем у бензола и этилового спирта. И это обстоятельство в свою очередь оказывает сильное влияние на климат планеты.
Вы, несомненно, обратили внимание на то, что в большинстве случаев обильный снегопад сопровожда-
ется заметным потеплением, причина которого очевидна: каждый грамм воды, превращаясь в красивые снежинки, возвращает воздуху те самые 335 Дж, которые он в свое время позаимствовал у него. А если учесть, что снег большей частью образуется непосредственно из па^ов воды, то сюда следует приплюсовать те две тысячи с лишним джоулей, которые составляют скрытую теплоту испарения.
И еще ряд аномалий. Раз мы заговорили о льде, то тут естественно вспомнить об одной аномалии воды, связанной со свойствами именно кристаллической модификации этого вещества. Как великолепно искусство Ирины Родниной и Александра Зайцева, когда они, сопровождаемые прекрасной музыкой, несутся по льду Дворца спорта!
Предыдущие две фразы тесно связаны. Потому что речь идет об аномальном изменении свойств льда с изменением давления. Конькобежец так легко катится по льду потому, что под давлением, которое оказывают на лед лезвия коньков, лед плавится и образующаяся жидкая вода является великолепной смазкой. Об этом знают все. Но не все знают, что этого быть не должно. Потому что у всех иных веществ, сколько их насчитывает химия, за исключением разве двух-трех, при повышении давления температура плавления не понижается, а повышается. У воды же наоборот: понижение давления ведет к понижению температуры плавления льда.
Поверхностное натяжение... И здесь вода никого не пропустила вперед. Разыщите таблицу, в которой приводятся величины поверхностного натяжения жидкостей. У подавляющего большинства жидкостей эта величина составляет 20 — 30 диц^см. И только у воды — 73! Природа в полной мере использовала и эту аномалию воды.
Скажите, вы никогда не задумывались, каким образом влага поднимается от корней к верхушкам высоких деревьев? Ведь в соответствии с известными законами механики невозможно путем создания разности давлений осуществить самопроизвольный подъем воды на высоту более 10 м. Впрочем, в растениях природа подъема воды иная, капиллярная. Известно, что если опустить в жидкость капилляр, то жидкость в нем поднимется. Подъем этот будет тем больше, чем меньше диаметр капилляра и чем выше поверхностное натяжение жидкости.
Для нашего рассказа о растворах очень важна еще одна аномалия воды — аномалия диэлектрической проницаемости. Несмотря на достаточно мудреное название, происхождение которого мы сейчас устанавливать не станем, диэлектрическая проницаемость — свойство жидкости, определение которого достаточно очевидно:
величина, показывающая, во сколько раз энергия взаимодействия между зарядами в этой жидкости меньше, чем в вакууме.
В таблице, в которую сведены данные по диэлектрической проницаемости жидкостей, значится, что величина этого свойства у бензола составляет 2,27. Это означает, что какие-то два заряда взаимодействуют друг с другом в бензоле в 2,27 раз слабее, чем в вакууме. С помощью той же таблицы мы устанавливаем, что подавляющее большинство жидкостей характеризуется значениями диэлектрической проницаемости в интервале 2 — 10. Существует ряд жидкостей, их, правда, немного, у которых диэлектрическая проницаемость достигает 35. Даже в самой подробной сводке, где приведена диэлектрическая проницаемость тысяч веществ, с трудом можно отыскать десяток жидкостей, у которых величина этого свойства располагается в интервале 40 — 60.
И только теперь начинаешь понимать исключительность воды и в этом отношении: диэлектрическая проницаемость воды составляет 78. Только две-три жидкости могут похвалиться, что обладают диэлектрической проницаемостью большей, чем вода (к ним относится, например, серная кислота).
Как построена молекула воды. Разговор об аномалиях воды можно было бы вести и дальше. И вышел бы он таким обширным, что занял бы всю эту книгу. Но ведь эта книга не о воде, а о растворах. Поэтому пора уже приступить к объяснению перечисленных (и многих не упомянутых здесь) аномалий воды. Скажем сразу, многие, если не все, необычные свойства воды проистекают от строения ее молекулы.
С позиций, так сказать, геометрических в строении воды трудно усмотреть что-либо необычное: атом кислорода, к которому присоединены два атома водорода (читатель, разумеется, понимает, что палочки, связывающие атомы кислорода и водорода, воображаемые). Конечно, все составляющие молекулу Н20 атомы лежат в одной плоскости (через три точки всегда можно провести плоскость).
Важная деталь: угол между связями О — Н составляет 109°. Это обстоятельство предопределяет многое. Приводит это прежде всего к тому, что отрицательный заряд молекулы воды (кислород) и положительный заряд (водород) собрались как бы на разных концах молекулы. Поэтому в целом электронейтральная, конечно, молекула воды имеет положительный и отрицательный полюса.
Молекулы, у которых разделены положительные и отрицательные заряды, называются дипольными, или диполями. Степень разделения зарядов характеризуется величиной дипольного момента: произведением величины зарядов на расстояние между ними. Для такой небольшой и простой молекулы, как Н20, дипольный момент ее весьма высок — почти вдвое больше, чем у ближайшего химического родственника воды — сероводорода H2S, почти в 7 раз больше, чем у двуокиси азота
no2.
Наличие значительного дипольного момента у воды приводит к тому, что ее молекулы-магнитики сильно притягиваются друг к другу. Они могут объединяться попарно и даже в квартеты. На рисунке приведена схема таких агрегатов, которая наглядно объясняет, как происходит взаимодействие. Уже это одно приводит к выводу, что жидкая вода не просто совокупность одиночных молекул Н20. Это смесь молекул различной степени сложности.
Водородная связь. Теперь разговор пойдет о некоторых особенностях атомов водорода. Тема выбрана не случайно: в воде 2/3 атомов — это водород. Имеется одна особенность, которая резко, именно резко, отличает водород от всех остальных элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Все химические элементы, которые в реакциях отдают электроны (большей частью это металлы), все же после этого остаются с какими-то электронами. Литий, отдав в реакции один электрон, остается еще с двумя электронами. Натрий, перейдя из состояния нейтрального атома в состояние катиона, остается с целым десятком электронов, калий — с 18 электронами и т. д. Словом, любой химический элемент, образуя химическую связь, остается с большим или меньшим числом электронов. Любой, но не
водород. Потому что у водорода всего-то только и есть, что один электрон. Отдав его, водород остается совсем без электронной оболочки. Другими словами, то, что мы называем катионом водорода, Н+, есть голое ядро, элементарная частица протон.
Размеры атомного ядра во много раз — примерно в 100 000 — меньше размеров атома. Поэтому катион Н* по сравнению с другими однозарядными катионами, например Li+, Na+, К+ и другими, обладает нечувствительными размерами. В соответствии же с известным законом физики тела, обладающие одинаковым зарядом, создают поле, напряженность которого обратно пропорциональна квадрату их радиуса. Поэтому напряженность поля, которое создает протон, в громадное количество раз превышает напряженность поля, создаваемого другими катионами.
Это обстоятельство и обусловливает необычность поведения катиона водорода. Вступив во взаимодействие с анионом кислорода О2-, два катиона Н+, казалось бы, должны были нейтрализовать заряды*. Да, так произошло бы, если к О2- присоединились «нормальные» катионы, например Na+ или К+, образовавшие «нормальные» соединения Na20 или К20. Но поле, создаваемое протоном в соединении Н20, не насыщается отрицательными зарядами кислорода. Катионы водорода еще сохраняют способность вступать во взаимодействие. Эта дополнительная связь, которую образует водород, так и называется водородной. Посмотрите на рисунок. Каждый атом водорода соединен с двумя атомами кислорода. Поэтому кислород как бы удваивает свою валентность — он соединен одновременно с четырьмя атомами водорода.
Водородная связь и является тем основным фактором, который заставляет молекулы воды крепко держаться друг за друга. Слово «крепко» в данном случае применено вполне к месту: общая энергия водородных связей в 1 грамм-молекуле воды (18 г) составляет примерно 25 кДж. Именно поэтому молекулы в жидкой воде испытывают сильнейшее притяжение друг к другу. Это обстоятельство, в частности, оказывается причиной того, что вода является практически несжимаемой жидкостью.
Молекулы воды, энергично притягивающиеся друг к другу, создают громадное внутреннее давление в жидкости, что-то около 20 000 атм.
Аномалии находят объяснение. Водородные связи являются причиной многих из перечисленных (и неупомянутых) аномалий воды.
Аномально высокие температуры кипения и плавления. Ну, здесь настолько все ясно (водородная связь заставляет молекулы воды так крепко держаться друг за друга, что для «расшатывания» этой связи и необходима высокая температура), что уже придется пояснять,
почему же, судя по всему, водородная связь отсутствует у водородных соединений других элементов VI группы — H2S, H2Se и Н2Те.
Несмотря на внешнее (по написанию формул) подобие, соединения Н20, H2S, H2Se и Н2Те существенно отличаются друг от друга, и первое от трех последних в особенности.
Кислород притягивает к себе электроны очень энергично. Можно сказать, что он получает электроны водорода в полное свое владение. Вот и остается водород в соединении Н20 обездоленным, т. е. безэлектронным протоном.
Сера оттягивает на себя электроны уже гораздо менее интенсивно, во всяком случае в сравнении с кислородом. Поэтому электроны в этом соединении находятся как бы в общем владении — серы и водорода.
Вот почему в сероводороде водород не лишен электронной оболочки. А раз так, то водород в H2S лишается той исключительной способности, какой он наделен в том случае, когда соединен с кислородом, — способности образовывать водородную связь. Еще менее эта способность свойственна водороду в селеноводороде и теллуроводороде.
Аномалия теплоемкости. И здесь корень зла в водородной связи. Повышение температуры, по сути, означает, увеличение скорости движения молекул. Понятно, что на ускорение молекул воды, зафиксированных водородными связями, надо затратить значительно больше тепла, чем на такое же повышение температуры жидкости, молекулы которой не так крепко держатся друг за друга.
Вряд ли стоит особенно долго останавливаться на пояснении аномалий скрытых теплот испарения и плавления. На что расходуются эти килоджоули в данном случае, ясно: помимо обычных уз, которые привязывают молекулу любой жидкости к ее подругам, здесь необходимо еще разорвать и водородные связи.
Поверхностное натяжение воды, вернее, аномально высокое значение этого свойства также объясняется тем особо тесным притяжением молекул воды, которое возникает вследствие водородных связей.
С точки зрения физики
Мера раствора — концентрация, о каких бы особенностях раствора ни шла речь, первой его характеристикой будет концентрация, потому что именно от концентрации зависит большинство свойств раствора.
Концентрацию соли в рассоле либо сахара в стакане чая можно определить по вкусу. Но вряд ли стоит ориентироваться на этот показатель, на который, как известно, двух товарищей (т. е. двух согласных) сыскать трудно. Поэтому для научных целей предпочитают концентрацию раствора выражать более объективными показателями. Хотя бы с помощью процентов, т. е. через количество граммов растворенного вещества, приходящееся на 100 г раствора. Способ этот часто применяется в быту (в аптеке продается 30%-ная перекись водорода, в бакалейном магазине — 6%-ная уксусная кислота, в молочном магазине — 20%-ные сливки). В физике же и химии к процентному способу выражения концентрации прибегают редко. Причина ясна: взаимодействуют друг с другом не граммы, а атомы. А если сопоставить два раствора различных веществ и одинаковой процентной концентрации, то очевидно, что одинаковые объемы их содержат различное количество молекул (грамм-молекул).
Именно поэтому вы еще в самом начале изучения школьного курса химии знакомитесь с более «объективным» способом выражения концентрации раствора — молярным, а именно количеством грамм-молекул (молей) растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора.
Пользоваться молярной концентрацией значительно удобнее, чем цроцентной: два различных раствора, характеризующихся одинаковой молярной концентрацией, в равных объемах содержат одинаковое число молей и, значит, молекул растворенных веществ.
Теперь познакомимся с новым для вас способом выражения концентрации — мольно-долевым. В данном случае концентрацию выражают через отношение числа молей растворенного вещества к сумме молей растворенного вещества и растворителя. Так, если количество молей растворенного вещества составляет тп, а количество молей растворителя ms, то мольная доля растворенного вещества N будет равна: (...)
Понятно, что мольно-долевая концентрация всегда меньше 1. Существенно важно и то, что, в отличие от предыдущих способов выражения концентрации, мольно-долевая концентрация — величина безразмерная.
Много, очень много различных способов выражения концентрации растворов — размерных и безразмерных, объективных и не очень, простых и сложных — придумали ученые, и, конечно, всех их не перечислить. Мы упомянем только еще один — так называемую мо-ляльную концентрацию: количество молей растворенного вещества, приходящееся на 1000 г растворителя.
Об одном генерал-законе. Можно считать, что законы природы подразделяются по табелю о рангах: имеются законы нужные и необходимые, полезные и всеобщие, просто важные, очень важные и, наконец, самые важные. Автор не настаивает на этой в значительной степени эмоциональной классификации. Но в том, что законы располагаются по какому-то своему табелю о рангах, сомневаться не приходится.
В естествознании, т. е. в совокупности наук о природе, самым основным, так сказать, генералиссимус-зако-
ном, несомненно, является закон сохранения энергии. В каждой же отдельной отрасли естествознания имеются свои маршал-законы. В физике — это закон эквивалентности массы и энергии (Е = тс2), в химии — периодический закон Д. И. Менделеева. Соответственно в каждом из разделов названных наук имеются свои генерал (или полковник...)-законы. В учении о растворах одним из таких генерал-законов безусловно является закон Рауля. Но прежде чем познакомиться с этим законом, надо уяснить некоторые понятия.
Начнем со сводки погоды, которую несколько раз в день передают по радио. Собственно, не со всей сводки, а только с фразы: «Относительная влажность воздуха 90 (или 70, 55...) процентов».
Перед нами стакан с водой, накрытый стеклянным колпаком. Что находится под колпаком? Нет, не только воздух, а еще и пары воды. Если держать стакан под колпаком достаточно долго, то в конце концов установится равновесие между водой в стакане и водой в газовой фазе.
Слово «равновесие» в данном случае означает, что вода из стакана будет переходить в пар, а молекулы воды из пара будут «нырять» в жидкость, причем количества воды, переходящей из жидкости в пар и из пара в жидкость, будут строго равны. Этому состоянию равновесия отвечает максимально возможное при данной температуре количество воды в паре. Такой пар называется насыщенным.
Чем выше температура, тем больше количество воды, находящееся в паре, тем выше давление насыщенного пара. Вот почему насыщенность газовой фазы паром очень удобно характеризовать величинами давлений.
Слова «90 процентов влажности» вовсе не означают, что сегодня воздух на 90% состоит из паров воды. Это было бы многовато даже для сибирской парильни. Нет, это значит, что давление паров воды в воздухе составляет 90 % того давления, которое (при данной температуре) отвечало бы насыщенному.
Жара при высокой влажности, как правило, переносится трудно. В самом деле, основной механизм охлаждения человека — это испарение пота. Понятно, что чем водяные пары в окружающем воздухе ближе к насыщению, тем медленнее происходит испарение пота, тем менее эффективно охлаждение. Вот почему температура + 35° во влажном Батуми и в сухой Хиве переносится по-разному.
Все сказанное о насыщенном паре воды полностью может быть перенесено на любую иную жидкость. Для нас важно усвоить вот что: над каждой жидкостью обязательно имеется газовая фаза, причем пар этот при известных условиях может быть насыщенным. (...)
Мы познакомились со всеми величинами, составляющими сущность закона Рауля, и теперь можем привести формулировку самого закона: ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА НАД РАСТВОРОМ РАВНО ДАВЛЕНИЮ НАСЫЩЕННОГО ПАРА НАД ЧИСТЫМ РАСТВОРИТЕЛЕМ, ПОМНОЖЕННОМУ НА МОЛЬНУЮ ДОЛЮ РАСТВОРИТЕЛЯ.
Для того и применяют в физике уравнения, потому что алгебра часто позволяет в гораздо более наглядном виде, чем слова, выразить сущность явления. Воспользуемся уравнением и мы. Обозначим давление насыщенного пара над раствором буквой р, а давление насыщенного пара над чистым растворителем через ps (здесь и далее индекс s будет относиться к растворителю, s — это первая буква английского слова solvent — «растворитель» и, наконец, обозначим мольную долю растворителя через Ns. Тогда закон Рауля запишется в компактной, я бы сказал, даже изящной форме: (...)
Раз уж мы обратились к алгебре, то воспользуемся теми преимуществами, которые открывает эта прекрасная наука перед каждым, кто пожелает к ней обратиться, и проведем анализ уравнения Рауля. Анализ этот краток и категоричен: поскольку NS1, то pps. Собственно, можно было бы этим и ограничиться, потому что сказано все. Но, по-видимому, придется разбавить эту слишком уж сухую алгебру комментариями.
N8 1. Ну, это понятно. Мольная доля (доля — часть целого!), по определению, всегда меньше единицы. А раз так, то pps, т. е. давление насыщенного пара над раствором всегда ниже, чем давление насыщенного пара над чистым растворителем.
Когда в популярных книгах (да и в учебниках) говорят о связи температуры кипения с давлением, то при этом всегда приводят одну и ту же, признаться, порядком надоевшую историю о незадачливом альпинисте, который, забравшись на вершину Эльбруса, безуспешно пытается там сварить яйцо всмятку. В разные периоды своей жизни я жалел этого беднягу по разным причинам. В детстве (достаточно раннем) мне было жаль проголодавшегося спортсмена: естественно, я не мог допустить мысли, что горовосходитель, несмотря на всю свою очевидную отвагу, решится на то, чтобы позавтракать сырым яйцом. Став повзрослее, я озада-
чивался (да и сейчас, признаться, не могу найти ответа на вопрос): зачем было альпинисту тащить на вершину сырое яйцо? Да и как он ухитрился его туда доставить? Разве что нес все время в руке. Теперь я знаю, что, если альпинисту так уж захотелось отведать яйцо всмятку, он не должен был находиться в унизительной зависимости от внешнего давления. Лучше бы он позаботился о том, чтобы доставить на вершину герметическую кастрюлю. Поэтому займемся сейчас связью температуры кипения раствора не с внешним давлением, а с давлением насыщенного пара. Оно-то как раз у раствора всегда ниже, чем у чистого растворителя. Стало быть, раствор всегда кипит при более высокой температуре, чем растворитель.
Раствор кипит... Закон Рауля позволяет установить количественную зависимость температуры кипения раствора от его концентрации. Поскольку каждый растворитель кипит при «своей» температуре, удобнее устанавливать связь с концентрацией не непосредственно температуры кипения, а величины превышения температуры кипения раствора над температурой кипения растворителя. Эту величину обозначают символом Тк. Таким образом, температура кипения раствора равна ТК + ДТК (Тк — температура кипения растворителя). Связь АТК с концентрацией совсем простая: (...)
В этом простеньком уравнении Ст — моляльная концентрация, или моляльность (на с. 32 рассказывалось об этом способе выражения концентрации растворов). Уравнение переводится на «физический» язык очень просто: повышение температуры замерзания раствора прямо пропорционально концентрации (моляльной) растворенного вещества, т. е. чем выше концентрация растворенного вещества, тем выше температура кипения раствора.
Впрочем, в уравнении есть еще непонятная величина — Кк. На вопрос, что это такое, учебники дают краткий и, безусловно, верный ответ: коэффициент пропорциональности.
Позволено будет мне сделать здесь небольшое полу-лирическое отступление. Коэффициенты пропорциональности!.. Как я не любил вас в школе, да и из вуза я не вынес в сердце своем горячую любовь к вам. Посудите сами, выводится какая-то формула, идут строгие рассуждения, применяется еще более строгая математика. И вдруг — неизвестно откуда и непонятно зачем появляется коэффициент пропорциональности.
Попробую реабилитировать эти пресловутые коэффициенты. Последнее из приведенных уравнений, связывающее повышение температуры кипения раствора с его концентрацией, — хороший к тому повод. Можно категорически утверждать, что без коэффициента пропорциональности это да и все остальные уравнения были бы бессмысленны. Попробуем на минуту (не больше!) убрать коэффициент Кк из уравнения. Получается, мягко говоря, чушь: градусы (повышение температуры кипения выражается, естественно, в градусах) равны концентрации. Температура не может быть равна молям. Поэтому, чтобы оправдать знак «=», надо какую-то из сторон уравнения помножить на что-то такое, что навело бы порядок хотя бы с размерностями. Это «что-то» и есть коэффициент пропорциональности Кк с
размерностью гРаДУс Как видите, подстановка этого коэффициента ставит все на место, теперь «градусы» равны «градусам» и уравнение приобретает совершенно конкретный физический смысл.
Теперь еще не мешало бы отыскать такой смысл и для самого коэффициента Кк. Сделать это нетрудно — надо всем величинам, которые находятся в одной компании с коэффициентом, придать единичные значения. Так, будем считать, что приведенное уравнение отно-
сится к раствору с концентрацией 1 (1 моль на 1000 г растворителя). Тогда Кк — это повышение температуры кипения одномоляльного раствора. И всё.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
