на тему: «Вода. Структура и необычные свойства» (стр. 5 из 11)

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

Быть может, тяжелую воду можно чем-нибудь заменить? Ничем. Тяжелая вода как источник тяжелого водорода для термоядерных реакций с целью получения энергии, по-видимому, незаменима. Это следует из того, что необходимая для начала реакции температура сильно возрастает по мере увеличения атомного номера элемента. В самом деле, попробуйте сама подсчитать, какой температуре будет соответствовать кинетическая энергия частиц, способных преодолеть электростатическое отталкивание ядер атомов бериллия или кремния. Часть дейтерия можно заменить на тритий, но этого изотопа в природе почти нет.

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

Во всяком газе при любой температуре есть частицы с разными скоростями, от очень малых до очень больших. Благодаря этому реакция между атомами дейтерия будет идти с достаточной скоростью даже и при температуре, в несколько раз меньшей, чем 109 К. Это намного облегчает задачу. Кроме того, существует так называемый туннельный эффект, благодаря которому всегда есть некоторая вероятность, что реакция между ядрами все же может произойти, даже если их кинетическая энергия будет несколько ниже, чем необходимо для преодоления электростатического отталкивания.

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

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

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

3.Свойства воды

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

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

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

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

Это великий художник природы — вода.

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

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

Почему же одно из бесчисленных химических соединений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для мироздания химических элементов, молекула которого состоит всего из трех атомов, — простая окись водорода, самая обычная, всем известная вода занимает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?

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

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

Вода удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источником энергии будущего, но и своими самыми обычными свойствами.

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

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

Теоретики, рассчитывающие структуры молекул, нашли термодинамическим путем, что при достаточно низких температурах кроме молекул:

Н—О—Н и Н—О—О—Н

могут быть устойчивы еще молекулы Н—О—О—О—Н.

Других молекул водород и кислород образовать больше не могут, потому что молекулы с еще большим содержанием кислорода

Н—О—О—О—О—Н

должны быть нестабильными даже при очень низких температурах.

Другая группа ученых, не приняв во внимание предсказания теории, пыталась на опыте доказать невозможность существования молекул Н2О3. Они хотели опровергнуть результаты всех предшествующих попыток получить это соединение; и... сами открыли трехокись водорода. Молекула этого нового соединения водорода с кислородом построена в виде зигзагообразной цепочки:

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

Таким образом, открытие трехокиси водорода еще раз подтвердило, что теоретические расчеты вполне заслуживают доверия. Больше родственников у воды как будто бы нет.

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

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

А если взглянуть «сверху» — со стороны атома кислорода, то так (3): т.е. геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле можно изобразить как простой тетраэдр.

Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.

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 нем содержится молекул Н2О. 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 счет такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя другими соседними. Правда, эта схема чересчур упрощена. Представим себе несколько более верную картину. Для этого нужно учесть, что плоскость, в которой расположены водородные связи, в молекуле воды направлена перпендикулярно к плоскости расположения водородных атомов.

Все отдельные молекулы Н2О в воде оказываются связанными в единую сплошную пространственную сетку — в одну гигантскую молекулу. Поэтому вполне оправдано утверждение некоторых ученых физико-химиков, что весь океан — это одна молекула. Но не следует понимать это утверждение слишком буквально. Хотя все молекулы воды в воде и связываются между собой водородными связями, они в то же время находятся в очень сложном подвижном равновесии, сохраняя индивидуальные свойства и единичных молекул и образуя сложные агрегаты.

Подобное представление приложимо не только к воде: кусок алмаза тоже одна молекула.

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

А что такое снежинки? Сростки ледяных кристалликов, образовавшиеся при конденсации водяного пара в верхних слоях атмосферы, где очень низкая температура.

Правильное кристаллическое строение льда
выражается в изумительном изяществе снежинок