Жидкое — второе состояние вещества

Жидкое — второе состояние вещества

Помня о силах, действующих между молекулами или атомами твердых тел, нетрудно догадаться, почему эти тела плавятся. Потому что при повышении температуры колебания каждого отдельного атома около его нормального положения становятся все сильнее и это необратимо нарушает весь порядок. Постепенно усиление колебаний одних атомов станет отражаться на движении соседних: те будут все больше отклоняться от средних положений в кристалле. Их отклонения, в свою очередь, ослабят стремление раскачавшихся атомов вернуться к нормальным движениям. Хаос будет нарастать, и все кончится тем относительно свободным движением молекул или атомов, которое отличает жидкость.

Можно объяснить, как вещество становится жидкостью, труднее — откуда присущие ей свойства.

Почему твердое тело твердо, газ газообразен, а жидкость жидкая? Физика отвечает на первые два вопроса. Твердость тел — следствие одновременного существования сил притяжения и сил отталкивания между частицами, образующими тела — молекулами, атомами или ионами. При уменьшении расстояния между частицами преобладают силы отталкивания, при возрастании — верх берут силы притяжения. Газ состоит из молекул, которые, за исключением моментов соударений, почти не взаимодействуют между собой. Они свободно движутся во все стороны и распространяются на весь предоставленный им объем. Отсюда то, что называется газообразностью.

А почему жидкость жидкая, то есть текучая?

Жидкость занимает промежуточное положение между газом и твердым телом. Она имеет черты сходства с тем и другим.

С газом жидкость особенно близка в так называемой критической точке, определяемой «критической температурой» и соответствующим ей «критическим давлением». «Критическая точка» — своеобразный погранзнак между жидкостью и газом. Выше ее, точнее, выше «критической температуры», может существовать только газ; ниже, в зависимости от давления, вещество может быть и газообразным и твердым. В самой «критической точке» различие между жидкостью и газом в некотором смысле исчезает.

С твердым телом жидкость родственна по ряду признаков. Плотность жидкости отличается от плотности твердого тела всего лишь на десять и менее процентов. Жидкость обладает некоторой прочностью на разрыв.

И все же в жидкости есть много такого, что резко отличает ее и от твердых тел и от газов.

Жидкость совершенно не имеет твердости. Она течет. Если в твердом теле средние положения образующих его частиц расположены в правильном порядке, то в жидкости такого порядка нет. В жидкости молекулы непрерывно перемещаются относительно друг друга, и упаковка их, почти такая же плотная, как у твердых тел, не препятствует этому перемещению.

Построение молекулярной теории жидкого состояния — задача чрезвычайно сложная и пока еще не решенная. Но именно потому, что это сложно, все большее число ученых пытается решить задачу, предлагает различные гипотезы.

Любопытно, что в самые последние годы «тайна жидкости» стала еще глубже, еще заманчивей. Был сделан ряд таких ошеломляющих открытий новых свойств вещества в его жидком состоянии, что во всем ученом мире это вызвало самый острый интерес, породило множество исследований.

Начать с того, что, как было неожиданно установлено, жидкость, подобно твердому веществу, обладает упругостью — ничтожной, но обладает.

Раньше все считали, что течение жидкости определяется исключительно внешними силами, хотя бы незначительными (пример: течение рек под влиянием небольших наклонов земной поверхности, то есть силы тяготения), и тем сопротивлением движению, которое оказывает вязкость. А вязкость, как известно, носит совершенно пассивный характер: она замедляет выливание жидкости из опрокинутого сосуда (замедляет изменение прежней формы жидкости этим выливанием), но не имеет и следа той силы, которая активно сопротивлялась бы изменению прежней формы, старалась бы вернуть вещество в первоначальное положение. В этой отсутствующей как будто бы в жидкостях силе и выражается суть упругости.

Открытие упругости жидкости, или, говоря точнее, упругости ее формы, означает, что когда жидкость течет, то что-то в ней старается этого течения не допустить, что-то как бы тянет струи жидкости обратно, пусть без заметного внешне эффекта.

Советский ученый, ныне член-корреспондент Академии наук СССР Борис Владимирович Дерягин установил это свойство на воде, в фантастически тонком ее слое (меньше одной тысячной миллиметра). Теперь физикам уже известно, что свойством упругости формы обладают все без исключения жидкости. Различие лишь в том, что у одних жидкостей (вода, спирты и др.) упругость увеличивается с уменьшением слоя после одной десятитысячной миллиметра, а у других (например, у бензола или у четыреххлористого углерода) остается неизменной, сколько бы толщина слоя ни уменьшалась.

Второе поразительное открытие — открытие, по выражению Б. В. Дерягина, «меняющее, быть может, радикально (то есть чрезвычайно сильно, коренным образом) наши взгляды на природу жидкого состояния вещества», это находка того, что жидкости обладают… «памятью».

До последних лет слово «память» обычно связывали с жизнедеятельностью самых высокоорганизованных существ: во-первых, человека, а во-вторых, в гораздо меньшей степени, высших животных.

Сенсацией прогремело открытие несколько лет назад московским профессором Сергеем Степановичем Чахотиным памяти у простейших, одноклеточных (точнее, у так называемых туфелек). Чахотин пускал такую одноклетку в каплю воды и наблюдал через сильный микроскоп, что она там делает. Оказывается, «изучив и запомнив», что ее мир — прудик с круглым бережком, в который бесполезно тыкаться, одноклетка начинала резво кружить по кругу возле бережка, не задевая его. Потом Чахотин перегораживал частично туфельке путь: он пускал с одного бережка тонкий и короткий ультрафиолетовый лучик и туфелька, обжегшись о него несколько раз, «запомнила», где он находится, и стала его обходить не касаясь. Потом профессор гасил лучик. Однако туфелька, «помня» об опасности и сперва «не веря», что ей ничто уже не грозит, продолжала двигаться по-прежнему: полный почти кружок — вдруг скачок внутрь своего прудика, снова кружок и опять скачок, пока постепенно «не забывалось». Срезая и срезая внутренний уступ (бестолковых движений не любят, как оказывается, и существа из одной лишь клетки), туфелька в конце концов возвращалась к своей исходной, идеально круглой траектории.

Повторяю: это было сенсацией. И вдруг — открытие «памяти» у воды!

В чем же эта «память» проявляется?

А вот в чем. Плавили лед и получали воду. Тут же исследовали ее свойства и вдруг убеждались, что некоторыми свойствами получающаяся вода продолжала походить на лед, хотя и была уже жидкостью. Какими, например? Например, вязкостью (и лед и вода обладают этим свойством, но значения их разные).

Выходило, что вода как бы «помнила» некоторое время свое прошлое. «Помнила» и не хотела с ним расставаться. По данным новосибирских физико-химиков А. Н. Каргинцева, В. М. Соколова и Л. Н. Ефанова, а также пакистанца М. Кураши и некоторых других ученых, вода «помнит» свое прошлое много часов. Только после этого она его окончательно «забывает» и становится водой, ничем уже не отличаясь от всех прочих вод такого же состава и в одинаковых условиях.

«Память» была установлена и у других жидкостей, например у расплавленного таллия.

Поговорим теперь особо о воде, о самой распространенной на Земле жидкости.

Известнейший советский геохимик и исследователь истории Земли академик Александр Павлович Виноградов сказал однажды: «Вода — самая удивительная жидкость, с которой встречается человек».

Как это точно сказано! Кажется, нет теперь специалиста, который не подписался бы под этими словами. Кто бы из ученых ни «смотрел на воду своими глазами», то есть не изучал бы ее с позиций своей науки, всякий видит в ней что-то совершенно исключительное, что-то существующее у нее одной.

«Для физиков и химиков вода — это вещество, занимающее особое место среди миллионов веществ, известных науке, — писал, развивая мысль А. П. Виноградова, профессор И. А. Хвостиков, — почти все физические и химические свойства воды — нечто исключительное, необычное в природе».

В самом деле, почему если объем всех твердых тел при плавлении увеличивается и они тонут в своем расплаве, то лед не тонет, а плавает в воде? — спрашивает физик.

Химика поражает другое. Это способность воды растворять в себе всевозможные вещества. Растворять так много, как ни одна другая земная жидкость.

Физиолог заметит то же и добавит, что все жизненно важные процессы идут в организме в водных растворах.

Биохимики и астрофизики убедительно доказывают, что сама жизнь на Земле обязана своим зарождением воде. Многие при этом добавляют: не пресной, а соленой воде (средняя соленость океанической воды 3,5 процента). Не будь вода в океанах соленой — не было бы на Земле ничего живого, жизнь на нашей планете не могла бы зародиться. Ведь соли те — это питание живого.

И еще три мнения, отмечающих важность и исключительность воды.

Географ: «Вода — это строитель природы. Весь облик планеты постоянно меняется, а это ведь проявляет себя работа воды. Нет на Земле ни одного твердого тела, в котором не было бы воды».

Метеоролог: «Круговорот воды в природе составляет главный процесс в биосфере Земли».

Наконец, физико-химик: «Заметьте, какое большое поверхностное натяжение свойственно воде! Благодаря ему вода в капиллярах, то есть в тонких трубках, может подниматься на несколько метров. Вместе с огромной способностью растворять в себе соли это свойство капиллярности воды делает возможным земледелие: поднимающаяся из почвы вода снабжает питательными растворами всю растительность, в том числе и самые высокие деревья». (Все эти примеры я взял из статьи профессора И. А. Хвостикова «Самая удивительная на Земле жидкость — вода», опубликованной в журнале «Земля и Вселенная» № 3 за 1969 г.)

Что же можно сказать о происхождении этих свойств воды? Как можно их объяснить, хотя бы в некоторых случаях приблизительно?

Ответим на вопросы, которые могли бы возникнуть у любознательного человека, узнавшего впервые о некоторых из приведенных выше мнениях.

Почему при расплавлении все твердые тела тонут в своем расплаве, а лед плавает?

Это объясняется тем, что во льду каждая молекула связана с четырьмя соседними. Находятся же все они, судя по микромасштабам, далеко одна от другой, поэтому лед сравнительно мало плотен: в нем много внутренних пустот. Когда же лед расплавляется, то часть связей, соединяющих его молекулы, разрушается, и молекулы, оторвавшиеся от соседей, устремляются в пустоты. Вода получается плотнее, и легкий, нерастаявший лед всплывает на поверхность. У других твердых тел дело обстоит иначе. Там плотность вещества при расплавлении не увеличивается, а уменьшается и, скажем, «металлические льдины» тонут в своей «металлической воде».

Почему вода — хороший растворитель?

Популярно это объяснить непросто. Ответим в самом общем смысле: это связано с молекулярным строением воды и вытекающими отсюда ярко выраженными электрическими свойствами молекул. Тело, оказавшееся в воде, очень чувствует эти свойства. На поверхности тела чрезвычайно ослабляется молекулярное притяжение. Настолько, что это притяжение уже не может сопротивляться ударам молекул друг о друга при их тепловом движении. Атомы или молекулы начинают постепенно отрываться от поверхности тела и переходить в воду. А это и есть процесс растворения.

Какова, с современной точки зрения, общая картина перемещения воды на нашей планете?

Ученые отвечают так. Миллионы лет вода постепенно переходит из недр Земли на поверхность, образуя и заполняя океаны. С поверхности водной оболочки Земли вода каждодневно испаряется, образует облака и туманы. Затем, сгустившись в дождь, снег или росу, вода опять возвращается на Землю — в почву и в океаны. Но возвращается не вся. Часть паров увлекается воздушными потоками через стратосферу в более высокие слои атмосферы, и там под действием солнечных ультрафиолетовых лучей молекулы H₂O распадаются на водород и кислород. Водород, частицы которого самые легкие и быстрые, преодолевает в какой-то своей доле земное притяжение и ускользает в мировое пространство.

Выходит, что Земля наша все время «испаряется», но страшного здесь, кажется, ничего нет. Она не только испаряется: одновременно она захватывает своей атмосферой водород из плазмы так называемого солнечного ветра (о плазме смотри чуть дальше: «Четвертое состояние вещества»). Такой захваченный водород проникает в более глубокие слои атмосферы и образует там новые молекулы H₂O.

Может быть, как полагают некоторые ученые, эти именно молекулы дают начало «солнечному дождю» на высотах около 100 км над уровнем моря, в слоях, где иногда появляются самые высокие облака Земли — серебристые облака.