Самое загадочное вещество во вселенной
Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. На первый взгляд, это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности же, лед таит в себе множество загадок.
Лед, сотворенный африканцем
Эрасто Мпемба не помышлял о славе. Стояли жаркие дни. Ему хотелось фруктового льда. Он брал упаковку сока и клал ее в морозильник. Он проделывал это не раз и потому заметил, что особенно быстро сок замерзает, если перед этим подержать его на солнцепеке – прямо-таки накалить! Странно это, думал танзанийский школьник, поступавший наперекор житейской мудрости. Неужели, чтобы жидкость быстрее превратилась в лед, ее надо предварительно… нагреть? Юноша был так удивлен, что поделился своей догадкой с учителем. Тот сообщил об этом курьезе в печати.
Эта история случилась еще в шестидесятые годы прошлого века. Теперь «эффект Мпембы» хорошо известен ученым. Но долгое время этот как будто простой феномен оставался загадкой. Почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?
Лишь в 1996 году физик Дэвид Ауэрбах нашел решение. Чтобы ответить на этот вопрос, он целый год проводил эксперимент: подогревал воду в стакане и вновь охлаждал ее. Итак, что же он выяснил? При нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются. Вода, лишенная газов, легче намерзает на стенки сосуда. «Конечно, вода с высоким содержанием воздуха тоже замерзнет, – говорит Ауэрбах, – но не при нуле градусов Цельсия, а лишь при минус четырех-шести градусах». Понятное дело, ждать придется дольше. Итак, горячая вода замерзает раньше холодной, это научный факт.
По чему скользит конькобежец?
Едва ли найдется вещество, которое возникало бы на наших глазах с такой же легкостью, как лед. Он состоит лишь из молекул воды – то есть элементарных молекул, содержащих два атома водорода и один – кислорода. Тем не менее лед, возможно, самое загадочное вещество во Вселенной. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгадали недавно.
Лед таит в себе множество загадок
Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, коньки вовсе не скользят. Еще несколько лет назад ученые это объясняли следующим образом: под узкими полозьями коньков возникает высокое давление, в результате чего лед плавится. Значит, конькобежец на самом деле катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее.
Этому верили целые поколения физиков и химиков, но такое объяснение оказалось неверным.
Ошибка выявилась три года назад, когда американские ученые сканировали поверхность льда с помощью медленного электронного луча. Поверхность ледовой дорожки была и впрямь залита водой, но, удивительное дело, вода появлялась даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие самый верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому они почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре –60 °C поверхность льда становится вязкой. «Тогда и скользить на коньках будет проблематично», – замечает химик Габор Саморджаи из Берклийской лаборатории им. Лоуренса (Калифорния, США). Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда. Впрочем, каждому из нас – на бытовом уровне – это было известно давно: если выйти на лед не в коньках, звучно его режущих, а в обычных ботинках, все равно по льду будешь скользить.
Еще одно удивительное свойство льда откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: две скользкие поверхности, сложенные вместе, склеиваются! Как мы уже выяснили, поверхность любого куска льда являет собой череду слабо связанных между собой молекул. Когда мы прижимаем эти куски льда (или комья снега), молекулы их поверхностных слоев крепко сцепливаются, соединяя ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.
Итак, поверхность льда покрыта тонким влажным слоем. Это его свойство украшает нашу жизнь зимой – снежки, коньки. Это же свойство может разогреть нашу планету, чему свидетельством – озоновая дыра, разверзшаяся над Южным полушарием. Большую роль в ее появлении играют ледяные облака, расположившиеся в 35 километрах над землей. Антарктической зимой кристаллики льда улавливают из атмосферы соединения хлора и накапливают их до весны. «Когда Солнце начинает светить все ярче, частички льда ведут себя как катализатор», – говорит физик Алексей Глебов, сотрудник Института исследования течений при Обществе им. Макса Планка (Геттинген, Германия). По вине этих льдинок распадаются хлористые соединения, и в атмосферу устремляются многочисленные атомы хлора – агрессивные частицы, разрушающие молекулы озона. Если бы поверхность кристалликов льда была твердой, этого не случилось бы: соединения хлора попросту отскакивали бы от них, как мячи, отлетающие от стенки.
Чтобы спасти климатическое равновесие, надо сократить выброс хлористых соединений в атмосферу. Иначе перегрев планеты, таяние антарктических льдов и – читайте приведенный ниже сценарий!
Двенадцатый лед в воде не тонет
Когда мы произносим слово «лед», мы не совсем точны: нам следовало бы добавить «лед Ih». Ведь при более низких температурах и более высоких давлениях мы будем иметь дело с другими сортами льда. Сколько всего этих сортов? Пока их насчитывают двенадцать, в том числе «аморфный лед», который, как полагают, существует в космосе. Самой экзотической формой является, наверное, лед-Х. Этот лед образуется при давлении, в миллионы раз превосходящем атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, если на игольное ушко взгромоздить целый автомобиль. Такие сверхвысокие давления встречаются только в космосе.
Из этих двенадцати модификаций льда лишь одна легче воды – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Ее плотность равна 0,931 г/см3, в то время как плотность воды достигает 1 г/см3. Особенность строения этой формы льда состоит в том, что молекулы в ее кристаллах располагаются очень свободно; между ними имеются большие зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в лед Ih, расширяется. Объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая» и легкая структура.
Представим себе, что уникальное свойство воды – расширяться при замерзании – исчезло. Как изменился бы наш мир?
Сперва о приятном: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с пивом или минеральной водой. Плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.
