|
Автор книги крупный советский ученый академик И. В. Петрянов в форме вопросов и ответов рассказывает о том, что такое вода, каковы ее физико-химические свойства.
Юный читатель узнает, что всем известная вода среди необозримою множества веществ занимает совершенно особое, исключительное место.
Автор рассказывает о некоторых загадочных свойствах воды, которые до сих пор ученые не могут еще понять и объяснить.
Те, кто прочтет эту книгу, узнают о воде много нового, загадочного, удивительного.
СОДЕРЖАНИЕ
Что такое вода? 5
Вода во Вселенной 24
Свойства воды 33
Что такое вода?
Такой вопрос может показаться не только странным, но и немного невежливым. Кто же этого можёт не знать? Всякий знает, что вода — это соединение водорода и кислорода. Вот ее всем известная формула: H2O.
С водой очень хорошо знаком каждый кто привык 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 — фтору, хлору, брому, и в I группу за его сходство со щелочными металлами — литием, натрием, калием. Так что же такое водород?
Совсем недавно, в 1974 г., советские исследователи, изучая свойства водорода при высоких давлениях, обнаружили, что при давлении около трех миллионов атмосфер сжатый водород внезапно приобретает удивительное свойство — он становится электропроводным, 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 учебнику.
Сколько существует различных водородов?
В природе 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 2H, его чаще 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 сверхтяжелый 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 излучения. 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.
Физики научились получать тритий искусственно в ядерных реакторах.
Ученые заподозрили, что возможно существование четвертого изотопа водорода — 4Н и даже пятого — 5Н. Они тоже должны быть радиоактивными.
А больше нет никаких водородов?
Да, как будто бы больше нет. По крайней мере, ученые пока новых водородов еще не нашли. Но зато известны антипротон и позитрон. Значит, можно говорить об антиводороде, в атомах которого вокруг отрицательного ядра (антипротона) вращается положительный электрон (позитрон). Найден также и антидейтрон, следовательно, возможно, что существует- и антиизотоп 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 антиатомов антиводорода никто еще не наблюдал.
Сколько на свете кислородов?
В природе найдены три различных изотопа кислорода. Больше всего легкого кислорода 160, значительно меньше тяжелого 180, и совсем мало кислорода 170. В кислороде воздуха; которым мы дышим, на каждые 10 атомов 170 приходится 55 атомов 180 и более 26 ООО атомов изотопа кислорода 160.
Физики сумели создать в своих ускорителях и реакторах еще пять радиоактивных изотопов кислорода: 130, 140, l80, 190, 200. Все они живут очень недолго и через несколько минут распадаются, превращаясь в изотопы других элементов.
Сколько может быть различных вод?
Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н20, то результат покажется неожиданным: всего могут существовать сорок восемь разных вод. Из них тридцать девять вод будут радиоактивными, но и стабильных, устойчивых вод тоже будет немало — девять: (...)
Если же окончательно подтвердится сообщение о том, что существуют еще два сверхтяжелых изотопа водорода — 4Н и 5Н, то будут возможны уже сто двадцать различных вод. Но и это еще не все. Советские физики совсем недавно (1970 г.) на большом ускорителе многозарядных ионов создали совершенно удивительный кислород — сверхтяжелый изотоп 240. В его ядре огромный избыток нейтронов, и оно очень неустойчиво. Если принять во внимание и этот новый изотоп кислорода, то тогда различных вод можно будет насчитать уже сто тридцать пять!
Подсчитайте сами, сколько различных вод, молекулы которых содержат тритий, может образовываться на границе с космосом и постепенно вместе с дождями выпадать на землю. Попробуйте сосчитать также, сколько различных радиоактивных вод возникает в воде, охлаждающей атомный реактор. Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воды, в нем всегда окажется смесь различных молекул, неодинаковых по изотопному составу. Конечно, вероятность образования молекул с разным изотопным составом далеко не одинакова. Молекулы, содержащие сразу два или три редко встречающихся изотопных атома, будут возникать так редко и их будет так мало, что, по мнению физиков, их пока можно не принимать во внимание.
Что же такое обыкновенная вода?
Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необыкновенная. 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 испарении 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 каждом источнике свой изотопный состав воды.
Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился: в нем уменьшилось содержание тяжелого водорода, но повысилось количество тяжелого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лед был получен.
Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водород, то получится снова вода, но совсем другая, потому что в воздухе изотопный состав кислорода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. Но зато в отличие от воды изотопный 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 — 1H216O. Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили ученЬхе. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.
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 — D2180; 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 тяжелого кислорода в природной воде сколько угодно.
В науке и ядерной технике принято условно называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. Она
содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Формулу тяжеловодородной воды написать нельзя. Это не химическое соединение, а смесь нескольких различных вод, в которых во всех содержится дейтерий, легкого водорода нет совсем, а стабильные изотопы кислорода в этой смеси вод с разным изотопным срставом 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 странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из нее дейтерий й 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 непрерывно переходят из одной молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но благодаря реакции обмена
2HDO Н20+D20
она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом: Н20, HDO, D20.
Что такое нулевая вода?
Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. И для нулевой воды формулу не напишешь. Она тоже смесь нескольких вод, каждая из которых состоит из легкого водорода и одного из ста-
бильных изотопов кислорода. Соотношение между кислородами в нулевой воде тоже точно такое же, как в воздухе. Тяжелого водорода в нулевой воде нет.
Эту воду физико-химики выбрали в качестве эталона: 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 тяжелокислородная вода — Н21вО. Получить ее из природной воды очень сложно и трудно. До сих пор эту воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел приготовить. Тяжелокислородная вода очень нужна для исследования многих биологических и химических процессов, поэтому довольно концентрированные растворы этой воды в воде обычной получают теперь на заводах.
А радиоактивная вода существует?
Да. Физики научились получать тритиевую воду искусственным путем в атомных реакторах. Из-за сильной радиоактивности эта вода очень опасна. Пока такая вода нужна только ученым.
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 любую из них.
Должна ли существовать антивода?
К сожалению, физики на этот вопрос пока ответить не могут. Хотя и есть все основания утверждать возможность существования антиводорода, но говорить об антикислороде еще рано. Советские исследователи, правда, уже получили ядра одного из изотопов антигелия — антигелий-3. Если уже получен антиэлемент № 3, то можно 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 антиводоррда и обычного кислорода, как вы сами понимаете, немыслима. Их встреча может только привести к большой катастрофе.
Поэтому не следует пока подсчитывать число различных 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), состоящие из антивещества. В этих антимирах и существует, может быть, столько же различных антивод, сколько мы их насчитали нашем мире. Так это или нет, никто еще сказать не може. 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 D2leO около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (Н21тО и Н21вО вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тяжелой воды почти 165 г на тонну.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
