Удивительные вещества. Десятка необычных веществ с уникальными свойствами на планете… Необычные вещества
Человек всегда стремился отыскать материалы, которые не оставляют никаких шансов своим конкурентам. Издревле учёные искали самые твердые материалы в мире , самые лёгкие и самые тяжелые. Жажда открытий привела к открытию идеального газа и идеально чёрного тела. Представляем вам самые удивительные вещества в мире.
1. Самое черное вещество
Самое чёрное вещество в мире называется Vantablack и состоит из совокупности углеродных нанотрубок (см. углерод и его аллотропные модификации). Проще говоря, материал состоит из бесчисленного множества «волосков», попав в которые, свет отскакивает от одной трубки к другой. Таким образом поглощается около 99,965% светового потока и лишь ничтожная часть отражается обратно наружу.
Открытие Vantablack открывает широкие перспективы применения этого материала в астрономии, электронике и оптике.
2. Самое горючее вещество
Трифторид хлора является самым горючим веществом из когда-либо известных человечеству. Является сильнейшим окислителем и реагирует практически со всеми химическими элементами. Трифторид хлора способен прожечь бетон и легко воспламеняет стекло! Применение трифторида хлора практически невозможно из-за его феноменальной воспламеняемости и невозможности обеспечить безопасность использования.
3. Самое ядовитое вещество
Самый сильный яд — это ботулотоксин. Мы знаем его под названием ботокс, именно так он называется в косметологии, где нашел свое основное применение. Ботулотоксин — это химическое вещество, которое выделяют бактерии Clostridium botulinum. Помимо того, что ботулотоксин — самое ядовитое вещество, так он ещё и обладает самой большой молекулярной массой среди белков. О феноменальной ядовитости вещества говорит тот факт, что достаточно всего 0,00002 мг мин/л ботулотоксина, чтобы на полдня сделать зону поражения смертельно опасной для человека.
4. Самое горячее вещество
Это, так называемый, кварк-глюонная плазма. Вещество было создано с помощью столкновением атомов золота при почти световой скорости. Кварк-глюонная плазма имеет температуру 4 триллиона градусов Цельсия. Для сравнения, этот показатель выше температуры Солнца в 250 000 раз! К сожалению, время жизни вещества ограничено триллионной одной триллионной секунды.
5. Самая едкая кислота
В этой номинации чемпионом становится фторидно-сурьмяная кислота H. Фторидно-сурьмяная кислота в 2×10 16 (двести квинтиллионов) раз более едкая, чем серная кислота. Это очень активное вещество, которое может взорваться при добавлении небольшого количества воды. Испарения этой кислоты смертельно ядовиты.
6. Самое взрывоопасное вещество
Самое взрывоопасное вещество — гептанитрокубан. Он очень дорогой и применяется лишь для научных исследований. А вот чуть менее взрывоопасный октоген успешно применяется в военном деле и в геологии при бурении скважин.
7. Самое радиоактивное вещество
«Полоний-210» — изотоп полония, который не существует в природе, а изготавливается человеком. Используется для создания миниатюрных, но в тоже время, очень мощных источников энергии. Имеет очень короткий период полураспада и поэтому способен вызывать тяжелейшую лучевую болезнь.
8. Самое тяжёлое вещество
Это, конечно же, фуллерит. Его твердость почти в 2 раза выше, чем у натуральных алмазов. Подробнее о фуллерите можно прочитать в нашей статье Самые твердые материалы в мире .
9. Самый сильный магнит
Самый сильный магнит в мире состоит из железа и азота . В настоящее время, широкой общественности недоступны детали об этом веществе, однако уже сейчас известно, что новый супер-магнит на 18% мощнее самых сильных магнитов применяющихся сейчас — неодимовых. Неодимовые магниты изготавливаются из неодима, железа и бора.
10. Самое текучее вещество
Сверхтекучий Гелий II почти не имеет вязкости при температурах близких к абсолютному нулю. Этим свойством обусловлено его уникальное свойство просачиваться и выливаться из сосуда, изготовленного из любого твёрдого материала. Гелий II имеет перспективы использования в качестве идеального термопроводника, в котором не рассеивается тепло.
Если вы считаете, что химия - очень скучная наука, тогда я советую вам посмотреть далее на 7 очень интересных и необычных химических реакций, которые точно вас удивят. Возможно, гифки в продолжении поста смогут вас переубедить, и вы перестанете думать, что химия - это скучно;) Смотрим далее.
Гипнотизирующая бромноватая кислота
Согласно науке, реакция Белоусова-Жаботинского – это «колебательная химическая реакция», в ходе которой «ионы металлов переходной группы катализируют окисление различных, обычно органических, восстановителей бромноватой кислотой в кислой водной среде», что позволяет «наблюдать невооруженным глазом образование сложных пространственно-временных структур». Это научное объяснение гипнотического явления, которое происходит, если бросить немного брома в кислотный раствор.
Кислота превращает бром в химическое вещество под названием бромид (который приобретает совершенно другой оттенок), в свою очередь, бромид быстро превращается обратно в бром, потому что научные эльфы, живущие внутри него – чересчур упрямые засранцы. Реакция повторяется снова и снова, позволяя вам бесконечно наблюдать за движением невероятных волнообразных структур.
Прозрачные химические вещества мгновенно становятся черными
Вопрос: что произойдет, если смешать сульфит натрия, лимонную кислоту и натрия йодид?
Правильный ответ внизу:
Когда вы смешиваете вышеупомянутые ингредиенты в определенных пропорциях, в конечном счете получается капризная жидкость, которая поначалу имеет прозрачный цвет, а после резко становится черной. Этот эксперимент называется «Йодные часы». Попросту говоря, данная реакция происходит тогда, когда специфические компоненты соединяются таким образом, чтобы их концентрация постепенно менялась. Если она достигает определенного порога – жидкость приобретает черный цвет.
Но это еще не все. За счет изменения пропорции ингредиентов у вас есть возможность получить обратную реакцию:
Кроме того, при помощи различных веществ и формул (например, как вариант – реакция Бриггса-Раушера) вы можете создать шизофреническую смесь, которая постоянно будет менять свой цвет с желтого на голубой.
Создание плазмы в микроволновке
Вы хотите затеять с вашим другом что-нибудь интересное, но у вас нет доступа к куче непонятных химических веществ или элементарных знаний, необходимых для того, чтобы смешать их безопасно? Не отчаиваетесь! Все, что вам понадобится для проведения данного эксперимента – это виноград, нож, стакан и микроволновка. И так, возьмите виноградинку и разрежьте ее напополам. Один из кусочков снова разделите ножом на две части так, чтобы эти четвертинки остались связанными кожурой. Поместите их в микроволновку и накройте перевернутым стаканом, включите печь. Затем сделайте шаг назад и наблюдайте за тем, как инопланетяне похищают разрезанную ягодку.
На самом деле, то, что происходит на ваших глазах – это один из способов создания очень незначительного количества плазмы. Еще со школы вы знаете, что существует три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Плазма, по сути, является четвертым типом и представляет собой ионизированный газ, полученный в результате перегревания обычного газа. Виноградный сок, оказывается, богат ионами, и поэтому является одним из самых лучших и доступных средств для проведения простых научных экспериментов.
Тем не менее, будьте осторожны, пытаясь создать плазму в микроволновке, поскольку озон, который образуется внутри стакана, в больших количествах может быть токсичным!
Зажигание потухшей свечи через дымный след
Этот трюк вы можете попытаться повторить в домашних условиях без риска взрыва гостиной или же всего дома. Зажгите свечу. Задуйте ее и сразу же поднесите огонь к дымному следу. Поздравляем: у вас получилось, теперь вы настоящий мастер огня.
Оказывается, между огнем и свечным воском существует некая любовь. И это чувство намного сильнее, чем вы думаете. Неважно, в каком состоянии находится воск – жидком, твердом, газообразном – огонь все равно его найдет, настигнет и сожжет ко всем чертям.
Кристаллы, которые светятся во время дробления
Перед вами химическое вещество под названием европий-тетракис, демонстрирующее эффект триболюминесценции. Впрочем, лучше раз увидеть, чем сто раз прочитать.
Данный эффект возникает при разрушении кристаллических тел благодаря преобразованию кинетической энергии непосредственно в свет.
Если вы хотите все это увидеть собственными глазами, но под рукой у вас нет европия-тетракиса, не беда: подойдет даже самый обычный сахар. Просто сядьте в темной комнате, положите в блендер несколько кубиков сахара и наслаждайтесь красотой фейерверка.
Еще в XVIII веке, когда многие люди думали, что научные явления вызывают призраки или ведьмы или призраки ведьм, ученые использовали этот эффект, чтобы подшутить над «простыми смертными», разжевывая в темноте сахар и смеясь над теми, кто бежал от них как от огня.
Адское чудовище, появляющееся из вулкана
Тиоцианат ртути (II) – на вид невинный белый порошок, но стоит его поджечь, как он тут же превращается в мифическое чудовище, готовое поглотить вас и весь мир целиком.
Вторая реакция, изображенная ниже, вызвана сгоранием дихромата аммония, в результате которого образуется миниатюрный вулкан.
Ну а что будет, если смешать два вышеупомянутых химических вещества и поджечь их? Смотрите сами.
Однако не пытайтесь повторить эти эксперименты дома, поскольку и тиоцианат ртути (II), и дихромат аммония являются очень токсичными и при сгорании могут нанести серьезный вред вашему здоровью. Берегите себя!
Ламинарное течение
Если вы смешаете кофе с молоком, у вас получится жидкость, которую вы вряд ли когда-нибудь снова сможете разделить на составные компоненты. И это касается всех веществ, находящихся в жидком состоянии, верно? Верно. Но есть такое понятие, как ламинарное течение. Чтобы увидеть это волшебство в действии, достаточно поместить несколько капель разноцветных красителей в прозрачный сосуд с кукурузным сиропом и аккуратно все перемешать…
… а затем снова перемешать в том же темпе, но только теперь в обратном направлении.
Ламинарное течение может происходить в любых условиях и с использованием различных типов жидкостей, однако в данном случае такое необычное явление обусловлено вязкими свойствами кукурузного сиропа, который при смешивании с красителями образует разноцветные слои. Так что, если вы так же аккуратно и не спеша выполните действие в обратном направлении, все вернется на прежние места. Похоже на путешествие во времени!
Какое из известных науке веществ самое необычное? Н 2 О! Вода , или оксид водорода, – самое необычное вещество из всех известных современной науке. За исключением, пожалуй, воздуха она же – и самое знакомое. Вода покрывает 70 % площади Земли и составляет 70% наших с вами мозгов.
Вода – это кислород, связанный с водородом (самым простым и самым распространенным элементом во всей Вселенной) простейшим возможным способом. Любой другой газ в сочетании с водородом дает еще один газ; лишь кислород и водород вместе – жидкость.
И жидкость эта, надо сказать, ведет себя столь отлично от всего остального, что теоретически ее не должно существовать совсем. Известно шестьдесят шесть признаков, по которым вода считается аномалией, и самый своеобразный из них такой: ничто более в природе не встречается одновременно в трех состояниях – газообразном, жидком и твердом. Море, полное айсбергов под облачным небом, может, и выглядит совершенно естественным, но с точки зрения химии это отнюдь не так. Большинство веществ сжимаются при охлаждении – но не вода: когда температура достигает 4 °C, вода расширяется и теряет в плотности. Вот почему лед плавает, а оставленная в морозильнике бутылка с вином взрывается.
Каждая из молекул воды может образовывать связи с четырьмя другими такими же молекулами. Из-за этих межмолекулярных связей воде для перехода из одного состояния в другое требуется много энергии. К примеру, чтобы нагреть воду, энергии требуется в десять раз больше, чем для нагрева железа.
Поскольку вода способна, не нагреваясь, поглощать много тепла, она помогает поддерживать устойчивый климат на нашей планете. Температуры в океанах в три раза стабильнее температур на суше, а благодаря прозрачности воды свет проникает в самые ее глубины, обеспечивая возможность жизни в море. Без воды жизни не было бы вообще. И хотя вы без труда можете опустить в воду руку, сжать ее в три раза труднее, чем сжать алмаз, а удариться на большой скорости о воду – это все равно что влепиться в бетон.
Несмотря на прочность связей между молекулами воды, связи эти, увы, не прочны. Они беспрерывно разрываются и создаются вновь: за секунду каждая из молекул воды сталкивается с другими молекулами воды 10 000 000 000 000 000 раз.
В воде можно растворить так много всего, что ее называют «универсальным растворителем». Если растворить металл в кислоте, можно забыть о нем навсегда. Но если в воде растворить, скажем, гипс, то после выпаривания он так и останется гипсом. Столь удивительная способность растворять вещества, не уничтожая их, делает воду, как это ни парадоксально звучит, самой разрушительной субстанцией на планете. Рано или поздно вода разъедает все – от железной водосточной трубы до Большого каньона.
И она – всюду. На Луне и Марсе есть солидные отложения льда; даже на поверхности Солнца (в более прохладных его участках) обнаружены следы пара. На Земле лишь крошечная часть всей воды находится в атмосфере. Если бы вся атмосферная вода равномерно выпала на землю по всему миру дождевого осадка получилось бы не более 25 мм. Большая часть воды на Земле недоступна для человека: она заперта глубоко в недрах, унесенная туда при перекрытии тектонических плит либо удерживаемая внутри минеральной структуры самих скальных пород.
Если бы скрытая вода прорвалась на поверхность Земли, она еще тридцать раз заполнила бы все наши океаны.
Мы можем смеяться над нашими предками, считавшими порох волшебством и не понимавшими, что такое магниты, однако и в наш просвещённый век существуют материалы, созданные наукой, но похожие на результат настоящего колдовства. Зачастую эти материалы трудно получить, но оно того стоит.
1. Металл, который плавится в ваших руках
Существование жидких металлов, таких как ртуть, и способность металлов принимать жидкое состояние при определенной температуре общеизвестны. Но твёрдый металл, тающий в руках как мороженое - это необычное явление. Этот металл называется галлием. Он плавится при комнатной температуре и для практического использования непригоден. Если поместить предмет из галлия в стакан с горячей жидкостью, он растворится прямо на ваших глазах. Кроме того, галлий способен сделать алюминий очень хрупким - достаточно просто поместить каплю галлия на алюминиевую поверхность.
2. Газ, способный удерживать твёрдые предметы
Этот газ тяжелее воздуха, и если наполнить им закрытый контейнер, он осядет на дно. Так же, как вода, гексафторид серы способен выдержать менее плотные объекты, например, кораблик из фольги. Бесцветный газ удержит предмет на своей поверхности, и создастся впечатление, что кораблик парит. Гексафторид серы можно вычерпать из контейнера обычным стаканом - тогда кораблик плавно опустится на дно.
Кроме того, за счет своей тяжести газ снижает частоту любого звука, проходящего сквозь него, и если вдохнуть немного гексафторида серы, ваш голос будет звучать как зловещий баритон Доктора Зло.
3. Гидрофобные покрытия
Зелёная плитка на фото - вовсе не желе, а подкрашенная вода. Она находится на плоской пластине, по краям обработанной гидрофобным покрытием. Покрытие отталкивает воду, и капли принимают выпуклую форму. В середине белой поверхности есть идеальный необработанный квадрат, и вода скапливается там. Капля, помещенная на обработанную область, немедленно потечет к необработанной части и сольётся с остальной водой. Если вы макнёте обработанный гидрофобным покрытием палец в стакан с водой, он останется полностью сухим, а вокруг него образуется «пузырь» - вода будет отчаянно пытаться убежать от вас. На основе таких веществ планируется создание водоотталкивающей одежды и стёкол для автомобилей.
4. Спонтанно взрывающийся порошок
Нитрид трииода выглядит как комок грязи, но внешность обманчива: этот материал настолько нестабилен, что легкого касания пера достаточно, чтобы произошел взрыв. Используется материал исключительно для экспериментов - его опасно даже перемещать с места на место. Когда материал взрывается, появляется красивый фиолетовый дым. Аналогичным веществом является фульминат серебра - он также не применяется нигде и годится разве что для изготовления бомбочек.
Горячий лёд, известный также как ацетат натрия, представляет собой жидкость, затвердевающую при малейшем воздействии. От простого прикосновения он из жидкого состояния мгновенно трансформируется в твёрдый как лёд кристалл. На всей поверхности образуются узоры, как на окнах в мороз, процесс продолжается несколько секунд - пока всё вещество не «замёрзнет». При нажатии образуется центр кристаллизации, от которого молекулам по цепочке передается информация о новом состоянии. Конечно, в итоге образуется вовсе не лёд - как следует из названия, вещество на ощупь довольно тёплое, охлаждается очень медленно и используется для изготовления химических грелок.
6. Металл, обладающий памятью
Нитинол, сплав никеля и титана, имеет впечатляющую способность «запоминать» свою первоначальную форму и возвращаться к ней после деформации. Всё, что для этого требуется - немного тепла. Например, можно капнуть на сплав тёплой водой, и он примет первоначальную форму независимо от того, насколько сильно был до этого искажён. В настоящее время разрабатываются способы его практического применения. Например, было бы разумно делать из такого материала очки - если они случайно погнутся, нужно просто подставить их под струю теплой воды. Конечно, неизвестно будут ли когда-нибудь делать из нитинола автомобили или ещё что-то серьёзное, но свойства сплава впечатляют.
В этом (2007 — П. З. ) году мы хотим рассказать вам, уважаемые читатели, о воде. Этот цикл статей так и будет называться: цикл воды. Наверное, нет смысла говорить о том, сколь важно это вещество для всех естественных наук и для каждого из нас. Не случайно многие пытаются спекулировать на интересе к воде, взять хотя бы нашумевший фильм „Великая тайна воды“, которые привлёк внимание миллионов людей. С другой стороны, нельзя упрощать ситуацию и говорить, что мы знаем о воде всё; это совсем не так, вода была и остаётся самым необычным веществом в мире. Чтобы в деталях рассмотреть особенности воды, нужен обстоятельный разговор. А начинаем мы его главами из замечательной книги основателя нашего журнала академика И.В. Петрянова-Соколова, которая вышла в издательстве „Педагогика“ в 1975 году. Эта книжка, кстати, вполне может служить образцом научно-популярного разговора крупного учёного с таким непростым читателем, как ученик средней школы.
Всё ли уже известно о воде?
Совсем ещё 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 воды после электролиза. Он был удивлён: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной. В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объяснения. В результате учёные открыли много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна. Были найдены новые изотопные формы воды. Добыта из обычной тяжёлая вода; оказалось, что она совершенно необходима для энергетики будущего: при термоядерной реакции дейтерий, выделенный из литра воды, даст столько же энергии, как 120 кг угля. Теперь во всех странах мира физики упорно и неустанно работают над решением этой великой задачи. А началось всё с простого измерения самой обычной, будничной и неинтересной величины — плотность воды была измерена точнее на лишний десятичный знак. Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчёт, каждое новое наблюдение не только повышает уверенность в знании и надёжности уже добытого и известного, но и раздвигает границы неведомого и ещё не познанного и прокладывает к ним новые пути.
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 её 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 озёрах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьёв. 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 нём уменьшилось содержание тяжёлого водорода, но повысилось количество тяжёлого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лёд был получен.
Что такое лёгкая вода?
Это та самая вода, формулу которой знают все школьники — H 2 16 O . Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили учёные. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения её плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.
Что такое тяжёлая вода?
И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжёлой воду, состоящую только из одних тяжёлых изотопов водорода и кислорода, D 2 18 O , но такой воды нет даже и в лабораториях учёных. Конечно, если эта вода понадобится науке или технике, учёные сумеют найти способ, как её получить: и дейтерия, и тяжёлого кислорода в природной воде сколько угодно.
В науке и ядерной технике принято условно называть тяжёлой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного, лёгкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха.
Ещё 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 неё дейтерий и получить чистую тяжёлую воду.
Много ли различных вод содержится в воде?
В какой воде? В той, что льётся из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжёлой воды D 2 16 O около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (H 2 17 O и H 2 18 O вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тяжёлой воды почти 165 г на тонну.
В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжёлой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, D 2 16 O оказалось меньше на 7 г, а H 2 18 O — на 23 г больше, чем в речной.
Тритиевая вода T 2 16 O выпадает на землю вместе с осадками, но её очень мало — всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды. В океанской воде её ещё 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 сказать — мало это или много.
В чём же различие между лёгкой природной и тяжёлой водой?
Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Каждый из нас не сомневается, что с водой-то он знаком хорошо. Если каждому из нас показать три стакана с обычной, тяжёлой и лёгкой водой, то каждый даст совершенно чёткий и определённый ответ: во всех трёх сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. Это всё — вода. Химик на этот вопрос ответит почти так же: между ними нет почти никакой разницы. Все их химические 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 почти совпадать. Оно и понятно: ведь химический состав у них одинаков. Это вода.
Физик не согласится. Он укажет на заметную разницу в их физических свойствах: и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, упругость их пара тоже немного различна. И при электролизе они разлагаются с разной скоростью. Лёгкая вода чуть быстрее, а тяжёлая — помедленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащённым тяжёлой водой. Таким путём она и была открыта. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, меняются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.
Биолог, пожалуй, станет в тупик и не сразу сумеет найти ответ. Ему нужно будет над вопросом о различии между водой с разным изотопным составом ещё немало поработать. Совсем недавно все считали, что в тяжёлой воде живые существа не могут жить. Её даже мёртвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, осторожно и постепенно заменять протий в воде, где живут некоторые микроорганизмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжёлой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться, а обычная вода для них станет вредной.
Сколько молекул воды в 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 нём содержится молекул H 2 O . Но такой ответ будет не вполне верен. Вода — вещество особенное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счёт такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя соседними молекулами.
Как же всё-таки построены молекулы воды в воде?
К сожалению, этот очень важный вопрос изучен ещё недостаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лёд плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры становятся меньше.
Взаимное притяжение ведёт к тому, что средний размер сложной молекулы воды в жидкой воде значительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает её необычайные физико-химические свойства.
Какова должна быть плотность воды?
Правда, очень странный вопрос? Вспомните, как была установлена 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 её молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°C она была бы равна не 1,0, а 1,8 г/см 3 .
При какой температуре вода должна кипеть?
Этот вопрос тоже, конечно, странен. Верно, при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°C. Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.
Если сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элементов, принадлежащих к одной и той же группе таблицы 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. H 2 Te, H 2 Se и H 2 S — химические аналоги воды. Если определить температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при -80°C. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды — это наиболее обычное её свойство — оказывается необычайным и удивительным.
При какой температуре вода замерзает?
Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущие? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? 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 природой? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.
Из того, что температура плавления и кипения гидрида кислорода — его аномальные свойства, следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твёрдое состояния его также аномальны. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние воды.
Сколько существует газообразных состояний воды?
Только одно — пар. А пар тоже только один? Конечно нет, паров воды столько же, сколько существует различных вод. Водяные пары, различные по изотопному составу, обладают хотя и очень близкими, но всё же различными свойствами: у них разная плотность, при одной и той же температуре они немного отличаются по упругости в насыщенном состоянии, у них чуть-чуть разные критические давления, разная скорость диффузии.
Может ли вода помнить?
Такой вопрос звучит, надо признать, очень необычно, но он вполне серьёзен и очень важен. Он касается большой физико-химической проблемы, которая в своей наиболее важной части ещё не исследована. Этот вопрос только поставлен в науке, но ответа на него она ещё не нашла.
Вопрос в том, влияет или нет предыдущая история воды на её физико-химические свойства и возможно ли, исследуя свойства воды, узнать, что происходило с ней ранее, — заставить саму воду „вспомнить“ 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.
Лёд — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Лёгкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжёлой.
При испарении природной воды состав изменяется по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжёлого кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.
Недавно учёные поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечён гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нём были отчётливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжёлых изотопов водорода и кислорода — дейтерия и 18 O были определены температуры образования годичных слоёв льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчётом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода всё это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.
В результате изотопных анализов слоёв льда была построена учёными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV веке, в конце XVII века и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.
То, что сохранила в памяти вода, полностью совпало с записями в исторических хрониках. Обнаруженная по изотопному составу льда периодичность изменения климата позволяет предсказывать среднюю температуру в будущем на нашей планете.
Это всё 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 чём же состоит загадка «памяти» воды?
Дело в том, что за последние годы в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непонятных фактов. Одни из них установлены твёрдо, другие требуют количественного надёжного подтверждения, и все они ещё ждут своего объяснения.
Например, ещё 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 происходит, подкрепляя свою убеждённость вполне достоверными теоретическими расчётами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.
Из обычной воды в паровом котле растворённые соли, выделяясь, отлагаются плотным и твёрдым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной воды (так её теперь стали называть в технике) выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно важна, так как омагниченная вода обеспечивает нормальную и бесперебойную 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 учёные. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, изменяется смачивание… правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы. Но каким образом в науке можно оценить, что такое мало и что — много? Кто возьмётся это сделать? Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а „помнит“ вода об этом десятки часов. Почему — неизвестно. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь даже неизвестно, на что именно действует магнитная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.
„Память“ воды не ограничивается только сохранением 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 раньше 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 талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; даже как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например талая вода отличается по вязкости, по значению диэлектрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает своё 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, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей истории воды на её свойства объясняются изменением тонкой структуры её молекулярного состояния. Может быть, это и так, но… назвать — это ещё не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода „помнит“, что с нею было.
Знает ли вода, что происходит в космосе?
Этот вопрос затрагивает область столь необыкновенных, столь таинственных, до сих пор совершенно непонятных, наблюдений, что они вполне оправдывают образную формулировку вопроса. Экспериментальные факты как будто бы установлены твёрдо, но объяснения для них пока ещё не найдено.
Поразительная загадка, к которой относится вопрос, была установлена не сразу. Она относится к малозаметному и как будто бы пустяковому явлению, не имеющему серьёзного значения. Это явление связано с самыми тонкими и пока непонятными свойствами воды, трудно доступными количественному определению, — со скоростью химических реакций в водных растворах и главным образом со скоростью образования и выпадения в осадок труднорастворимых 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 ещё часто бывает, объяснением „случайными причинами“. Но постепенно, по мере развития теории скоростей реакции и усовершенствования методики исследования, этот странный факт стал вызывать недоумение.
Несмотря на самые тщательные предосторожности в проведении опыта в совершенно постоянных условиях, результат всё равно не воспроизводится: то осадок выпадает сразу, то приходится довольно долго ждать его появления.
Казалось бы, не всё 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 всё более и более занимала учёных. И наконец был организован и осуществлён совершенно небывалый эксперимент. Сотни добровольных исследователей-химиков во всех частях земного шара по единой, заранее разработанной программе одновременно, в один и тот же момент по мировому времени снова и снова повторяли один и тот же простой опыт: определяли скорость появления первых следов осадка твёрдой фазы, образующейся в результате реакции в водном растворе. Опыт продолжался почти пятнадцать лет, было проведено более трёхсот 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 учёных к поразительному выводу: оказалось, что зависимость скорости реакции от времени для разных частей земного шара совершенно одинаковая.
Это означает, что существуют какие-то таинственные условия, изменяющиеся одновременно на всей нашей планете и влияющие на свойства воды.
Дальнейшая обработка материалов привела учёных к ещё более неожиданному следствию. Оказалось, что события, протекающие на Солнце, каким-то образом отражаются на воде. Характер реакции в воде следует ритму солнечной активности — появления пятен и вспышек на Солнце.
Но и этого мало. Было обнаружено ещё более невероятное явление. Вода каким-то необъяснимым путём отзывается на то, что происходит в космосе. Была установлена чёткая зависимость от изменения относительной скорости Земли в её движении в космическом пространстве.
Таинственная связь воды и событий, происходящих во Вселенной, пока необъяснима. А какое значение может иметь связь между водой и космосом? Никто ещё не может знать, насколько оно велико. В нашем теле около 75% воды; на нашей планете нет жизни без воды; в каждом живом организме, в каждой его клеточке протекают бесчисленные химические реакции. Если на примере простой и грубой реакции подмечено влияние событий в космосе, то пока даже и представить себе нельзя, как велико может быть значение этого влияния на глобальные процессы развития жизни на Земле. Наверное, будет очень важной и интересной наука будущего — космобиология. Одним из её главных разделов станет изучение поведения и свойств воды в живом организме.
Все ли свойства воды понятны учёным?
Конечно нет! Вода — загадочное вещество. До сих пор учёные не могут ещё понять и объяснить очень многие её свойства.
Можно ли сомневаться, что все подобные загадки будут успешно разрешены наукой. Но будет открыто немало новых, ещё более удивительных, загадочных свойств воды — самого необыкновенного вещества в мире.
http://wsyachina.narod.ru/physics/aqua_1.html