Самое необыкновенное вещество в мире - страница 15

51

52

В круге изображено: в нижней части — схематическое расположение атомных ядер водорода и кислорода в молекулах воды, образовавших кристаллическую

решетку льда; в верхней части — молекулы воды, образовавшие ледяной кристалл с сохранением масштабов электронных оболочек. Обратите внимание на рыхлую структуру льда.

плотность. Эту редкостную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершен- но необычайного состава: это раствор воды в воде.

При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворе- ны в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры эти большие молекулы разрушаются,

и поэтому плотность воды растет, пока не начнет преобладать обычное тепловое расширение, при кото- ром плотность воды снова падает. Если это верно, то возможны несколько состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда-нибудь это сделать. Такое необычайное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоемах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока темпера- тура всего водоема не достигнет 4°С. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остается сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создается необычайное положение: тонкий слой хо- лодной воды становится как бы «теплым одеялом» для всех обитателей подводного мира. При 4°С они чувствуют себя явно неплохо.

Положительные заряды в молекуле воды связаны с атомами водорода.

Отрицательные заряды — это валентные электроны кислорода.

Их взаимное расположение в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.

Что должно быть легче — вода или лед? Кто же этого не знает... Ведь лед плавает на воде. В океане плавают гигантские айсберги. Озера зимой покрыты плавающим сплошным слоем льда. Конечно, лед легче воды.

53

Но почему «конечно»?.. Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном рас- плаве. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды — аномалия в природе, исключение, и притом совершен- но замечательное исключение.

Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами и лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды.

Зимой намерзающий сверху более плотный лед тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно водо- ема. Летом лед, защищенный толщей холодной воды, не мог бы растаять.

Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи про- мерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледя- ные глыбы. Наконец, промерзли бы моря, а за ними и океаны. Наш прекрасный цветущий зеленый мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где по- крытой тонким слоем талой воды.

Сколько существует льдов? В природе на нашей Земле — один: обычный лед. Это самый прекрасный из всех минералов. Никакие алмазы не могут срав- ниться блеском и красотой со снежинками, искря- щимися на солнце. Из этого голубовато-зеленого камня сложены на Земле не только горы и колос- сальные ледники, им покрыты целые материки. Лед — горная порода с необычайными свойствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с вы- соких гор. Лед изменчив — он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долго- вечен — десятки тысячелетий хранит он в себе без изменений тела мамонтов, случайно погибших в лед- никовых трещинах.

В своих лабораториях человек сумел открыть еще,

54

по крайней мере, шесть различных, не менее удиви- тельных льдов. В природе их найти нельзя. Они могут существовать только при очень высоких давле- ниях. Обычный лед сохраняется до давления 208 МПа (мегапаскалей), но при этом давлении он плавится при —22°С. Если давление выше, чем 208 МПа, возникает плотный лед — лед-Ш. Он тяже- лее воды и тонет в ней. При более низкой температу- ре и большем давлении — до 300 МПа — образуется еще более плотный лед-П. Давление сверх 500 МПа превращает лед в лед-V. Этот лед можно нагреть почти до 0°С, и он не растает, хотя и находится под огромным давлением. При давлении около 2ГПа (гигапаскалей) возникает лед-VI. Это буквально горя- чий лед — он выдерживает, не плавясь, температу- ру 80°С. Лед-VII, найденный при давлении ЗГПа, пожалуй, можно назвать раскаленным льдом. Это самый плотный и тугоплавкий из известных льдов. Он плавится только при 190° выше нуля.