Исследование атомарного состава воды

Современники А. Лавуазье были уверены, что наконец-то природа воды установлена и можно объяснить ее весьма необычайные физико-химические свойства. Однако это были только первые шаги на пути исследования свойств и строения воды.

Жозеф Луи Гей-Люссак и Александр Гумбольдт, проведя совместные опыты в 1805 году, впервые установили, что для образования воды необходимы два объема водорода и один объем кислорода. Подобные мысли были высказаны и итальянским ученым Амедео Авогадро. По его мнению, реакция образования воды осуществляется по формуле

2H2+O2->H4O2->2Н20

Позднее Жан Батист Дюма нашел точный весовой состав воды, в 1843 году проведя опыты по восстановлению окиси меди газообразным водородом в соответствии с реакцией:

CuO+ H2->Cu+ H2O

При этом были взвешены исходные и полученные продукты. Экспериментально удалось определить, что окись меди потеряла в исходной массе столько же, сколько весит кислород в полученной воде.

Однако в силу того что с атомными массами элементов в первой половине XIX века было много неразберихи и эта обстановка еще больше осложнилась в связи с введением понятия «эквивалентный вес», то долгое время формула воды записывалась в самых различных вариантах: то как НО, то как H2O и даже H2O2. Об этом писал Д. И. Менделеев: «В 50-х годах одни принимали 0 = 8, другие 0=16, если H = 1. Вода для первых была НО, перекись водорода HO2, для вторых, как ныне, вода H2O, перекись водорода H2O2 или НО. Смута, сбивчивость господствовали…».

После Международного конгресса химиков в Карлсруэ, состоявшегося в 1860 году, удалось внести ясность в некоторые вопросы, сыгравшие заметную роль в дальнейшем развитии атомно-молекулярной теории, а следовательно, и в правильном толковании атомарного состава воды. Была установлена единая химическая символика.

Экспериментальные исследования, выполненные в XIX веке весовыми и объемными методами, в конце концов убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражена формулой H2O.

Изучение свойств и особенностей воды было неразрывно связано с изучением водных растворов. Как взаимодействует растворяемое вещество с растворителем, а именно с водой? Этот вопрос во второй половине XIX века вызывал многочисленные споры и серьезные разногласия. Появляется довольно большое количество работ, посвященных воде и водным растворам. И это не случайно, к 80-м годам теория жидкого состояния переживает бурный подъем. В этот период разрабатываются такие выдающиеся концепции, как химическая теория Менделеева, теория непрерывности газового и жидкого состояний Ван-дер-Ваальса, осмотическая теория растворов Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации Ap-рениуса. И надо сказать, что во всех этих исследованиях вода являлась краеугольным камнем, на котором базировались многие фундаментальные положения.

В конце XIX века считалось, что природа растворов станет понятной, если при исследовании строения растворителя, прежде всего воды, будут учтены его аномальные свойства. Изучение воды, основного компонента водных растворов, привлекало внимание все большего числа исследователей, поскольку идеи гидратации ионов получали широкое признание, и все громче и решительнее химики начали говорить о сложной физической природе воды.

В чем же эта сложность? Химики задумались над очень важным вопросом — из чего состоит водяной пар, жидкая вода и лед. В какие формы, или ассоциаты, соединены молекулы воды, образуя каждое из трех ее фазовых состояний? В чем уникальность воды? Каковы ее аномальные свойства?

Было установлено, что плотность воды достигает максимума при 4 0C. Охлаждаясь до этой температуры, вода уменьшается в объеме до минимальных значений, а при дальнейшем понижении температуры, от 4 до О °С, расширяется. Это свойство приводит к чрезвычайно важным последствиям. Зимой поверхностная вода, охлаждаясь до 4 0C, опускается на дно, процесс идет до тех пор, пока вся вода не охладится до температуры максимальной плотности, конечно, оставаясь при этом незамерзшей.

При температуре ниже 4 0C вода, поскольку она легче, занимает верхние слои и до полного промерзания образует своеобразную поверхностную оболочку, как «шубой» укрывая нижележащие слои и препятствуя их охлаждению. Таким образом создаются оптимальные условия для жизни обитателей водоемов в зимнее время.

Дальнейшее понижение температуры приводит к образованию ледяного покрова, который также надежно защищает воду от полного вымораживания. Только очень неглубокие водоемы при резком понижении температуры промерзают до самого дна.

Морская вода в отличие от пресной ведет себя по-другому. Наличие различных солей заметно меняет ее физико-химические свойства. Она замерзает при —1,9 0C (переохлажденная вода) и имеет максимальную плотность при —3,5 0C. В этом проявляется весьма интересное свойство морской воды: она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Поэтому вертикальное перемешивание морской воды происходит даже при температуре ниже О °С, до тех пор, пока вода находится в жидком состоянии. Если в пресных водоемах при охлаждении всей массы воды до 4 0C вертикальная циркуляция прекращается, то в морской воде таких ограничивающих условий не существует. Процесс обмена между верхними и нижними слоями идет практически непрерывно.

Благодаря такой циркуляции вод в море нижние слои постоянно обогащаются кислородом. А вода, вытесненная из нижней зоны, богатая питательными солями, так называемыми биогенными элементами, поднимается на поверхность и обеспечивает в верхнем, трофогенном (питательном) слое активное развитие животных и растительных организмов. В результате характерных для океанических вод процессов создаются области высокой продуктивности, т. е. богатые планктоном — как растительными, так и животными организмами. Естественно, что в таких зонах содержится обильное и разнообразное питание и поэтому обитает довольно большое количество рыбы. Именно здесь и ведется основной ее промысел.

А вот другая аномалия воды может доставить много неприятностей, если относиться к ней невнимательно и беспечно.

Известно, что обычно вещество при переходе из жидкого состояния в твердое как бы уплотняется, т. е. сжимается. Поэтому, затвердевая, оно всегда стремится опуститься ниже жидкого слоя. Вода не подчиняется этому правилу: лед держится на поверхности. Его объем на 9 % больше объема незамерзшей воды. Поэтому только часть ледовой массы возвышается над зеркалом воды, а остальная скрыта на глубине. По этой причине айсберги представляют серьезную опасность для судоходства, поскольку огромные ледяные острова, в основном находящиеся под водой, трудно поддаются правильной визуальной оценке. Особенно в ночное время, когда надводная часть льда различима лишь на близком расстоянии и определить его объем очень трудно, особенно контуры скрытой под водой части айсберга. Встречи с айсбергами подчас приводят к трагическим последствиям. Подобная катастрофа произошла с суперлайнером «Титаник» 14—15 апреля 1912 года.

Вода, превращаясь в лед, благодаря увеличению объема приобретает огромную силу. Замерзая, она может разрушать крепчайшие породы, приводит к обвалам и оползням в горах. А вспомните грозные селевые потоки, вызванные ливневыми дождями и снежными лавинами, способные смыть на своем пути любые сооружения! Только специальные селевые плотины, создаваемые в последнее время, могут укротить разбушевавшуюся стихию.

Способность воды расширяться при замерзании спасает нашу планету от оледенения. Не обладай вода этой важной аномалией, все водоемы промерзали бы до дна и жизнь, скорее всего, вряд ли могла бы возникнуть. Если бы лед опускался на дно, то все моря, реки и озера постепенно наполнились бы ледяными пластами и глыбами. Процесс накопления льда шел бы значительно быстрее, чем его таяние. От полюсов ледяные гиганты двинулись бы к самому экватору. Лед доставил бы, неприятности глобального масштаба еще по той простой причине, что «скрытая теплота* его плавления составляет довольно большую величину.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *