Текст книги "Белые пятна безбрежного океана"

Автор книги: Борис Фрадкин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 9 страниц)

Магнитная вода

Первыми на это необычное явление обратили внимание в 30-годах советские физики: скорость выпадания кристалликов из пересыщенных водных растворов резко возрастала, если сосуд с раствором помещали в магнитное поле. Вслед за этим итальянскому физику Пиккарди удалось продемонстрировать влияние магнитного поля на скорость протекания химических реакций опять-таки в водных растворах.

Вскоре уже ни у кого не оставалось сомнений в том, что вода, подвергнутая воздействию магнитного поля, меняет свои физико-химические свойства. Особенно заметно меняются растворимость солей и скорость химических реакций. Еще нет единого мнения о характере взаимодействия между водой и магнитным полем, а магнитная вода уже нашла широкое применение в народном хозяйстве.

Первыми магнитной водой заинтересовались теплоэнергетики, для которых накипь в котлах и на стенках труб паросиловых установок всегда являлась настоящим бедствием. Сотни километров труб ежегодно выбрасывали не потому, что их съела ржавчина, а потому, что они оказывались намертво забитыми отложениями. Котлы периодически приходилось подвергать трудоемкой очистке, удалению накипи. Правда, существовали антинакипины, но эффект от них получался весьма незначительный. Первые же опыты с магнитной водой дали поразительные результаты. Оказалось, что магнитная вода не только не дает накипи, но и смывает ранее имевшиеся отложения.

В нашей стране работают уже тысячи магнитоводных установок на морских и речных судах. Без них теперь не обходится ни одна ТЭЦ. Исследованиями магнитной воды и возможностью ее более широкого применения заняты десятки специальных учреждений.

Схема устройства для магнитной обработки воды показана на рис. 8.

Рис. 8. Схема магнитной обработки воды. 1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – сердечник

Круг использования магнитной воды непрерывно расширяется. Выяснилось, что применение магнитной воды повышает прочность бетона, значительно ускоряет его затвердевание. При флотационном обогащении полезных ископаемых магнитная вода весьма заметно повышает процент выхода обогащенной руды.

До сих пор общенародной проблемой остается периодическая замена труб (текущий ремонт!), по которым горячая и холодная вода поступает в наши квартиры. Нужно ли приводить то астрономическое число труб, которые превращаются в труху, – это же тысячи тонн металла! А сколько тысяч организаций занимается этой заменой, сколько людского труда расходуется впустую.

А теперь представьте, что в наши квартиры пришла магнитная вода. И трубы в домах станут вечными. Удивительной белизной засверкают раковины и ванны, ибо вода не только не будет оставлять на них осадков, но и станет смывать всякую попавшую туда грязь. Отпадет необходимость в чистке, в производстве специальных моющих средств.

Поскольку у магнитной воды такая волшебная способность на давать осадков, отчего бы не использовать это обстоятельство в городских очистных сооружениях? Может быть, именно магнитному способу предстоит стать тем принципиально новым средством, которое и решит проблему очистки в будущем.

Наконец, не следует упускать из вида, что растительный и животный мир, наш организм – все это, по сути, водные растворы, которые тоже никак не могут оставаться безучастными к воздействию на них магнитного поля. Но... об этом речь впереди.

Вода в роли молота

В конце прошлого столетия строители московского водопровода столкнулись с загадочным явлением: лопались только что проложенные трубы. Лопались без всяких видимых причин. Их заменяли, но они лопались снова то в одном месте, то в другом. Трубы рвала изнутри таинственная сила, которую, казалось бы, никак не могла создать насосная станция. Стенки труб были рассчитаны по всем правилам, толщина их взята с достаточным запасом прочности. Катастрофические поломки водопровода заставили поколебаться «отцов» города, финансирующих строительство: «Не возвратиться ли к старому, но надежному способу снабжения города водой – развозить ее в бочках на лошадях, как это делалось испокон веков?» Отчаявшись справиться с коварной водой, инженеры-водопроводчики обратились за помощью к известному русскому ученому Н. Е. Жуковскому, и тот довольно быстро нашел ответ.

Причина разрушения труб оказалась на удивление проста: резкое закрытие кранов. В момент внезапной остановки потока воды в трубах возникало явление, которое было названо гидравлическим ударом. Возле крана мгновенно подпрыгивало давление. Оно многократно превышало давление, создаваемое насосами. А затем "на сцену" выступали упругие свойства воды. Скачок давления в виде упругих колебаний, или так называемой ударной волны, со скоростью звука бежал вдоль трубы и, найдя уязвимое место, рвал стенки трубы. Разрушение зачастую происходило вдали от крана, и потому виновник происшествия – удар – оставался незамеченным.

Чем быстрее останавливали поток воды, тем мощнее становился гидравлический удар. Дело в том что на первых водопроводах устанавливали пробковые краны (наподобие самоварных). Короткое движение – и кран закрыт. По совету Н. Е. Жуковского эти краны были заменены вентильными, постепенно закрывающимися (которыми мы пользуемся и поныне), и таинственные разрушения труб прекратились.

Вскоре, однако, гидравлический удар дал знать о себе и в других быстро развивающихся отраслях гидравлической техники. И чем большие скорости движения жидкости использовало человечество, чем сложнее и чувствительнее становилась аппаратура, тем суровее напоминал о себе гидравлический удар.

Ныне он подкарауливает нас в каждом насосе, в каждом клапане, в каждой трубе, т. е. всюду, где возможна резкая остановка движущейся жидкости. Зачастую никакие ухищрения не помогают избавиться от гидравлического удара, и тогда конструкторы вынуждены повышать прочность деталей, делать устройства более тяжелыми и громоздкими. Или остается мириться с тем, что деталь раньше времени выходит из строя – выкрашивается, лопается, деформируется.

Кавитация действует постепенно. Гидравлический удар подобен удару молота или, точнее, тысяче ударов, следующих один за другим. Как и кавитация, он неизбежный и непримиримый враг гидравлической техники.

Вода – штамповщик

Подобно тому как при кавитации разрушительные способности воды могут быть направлены на выполнение полезных операций, так с неменьшей перспективой они могут быть использованы и при гидравлическом ударе.

И вот уже созданы установки, в которых с помощью высоких давлений, возникающих при гидравлическом ударе, штампуются детали, производится прессовка металлокерамических порошков, выполняется холодная сварка путем прижатия друг к другу свариваемых деталей.

До последнего времени гидравлический удар в таких промышленных установках создавался с помощью взрывчатки. В момент взрыва на поверхность воды "выстреливался" поршень, а далее взрывное давление передавалось уже по всей массе жидкости. Давления при этом достигались порядка 7*10 ⁹Па.

Однако такое давление современную технику уже не удовлетворяет. Да и сама технология получения удара довольно примитивна. Установка при этом получается неуклюжей, громоздкой и небезопасной.

Новые горизонты в области использования гидравлического удара открывает лазерная техника. Луч лазера, пронизывая массу воды, вызывает в ней поистине фантастические давления – в миллионы атмосфер. Таким "сверхпрессом" в принципе можно штамповать детали из любых ныне непрессуемых сверхтвердых металлических и неметаллических материалов.

Световой взрыв в воде, с невероятной силой прижимающий друг к другу детали, неограниченно расширит возможности контактной сварки, полностью сведя на нет существующие в настоящее время "несвариваемые сочетания".

Вода в роли наковальни

А что же вода? Остается ли она все той же водой при создании в ней давления в сотни тысяч и миллионы атмосфер?

Опыты показали, что вода, подвергнутая даже сравнительно невысокому давлению в 3*10 ⁷Па, а затем освобожденная от него, уже «не та» – на некоторое время она резко меняет свои физические свойства: кипит не при +100°С, а при +200°С, не дает возникнуть кавитации там, где прежде она возникала. Такую воду можно слегка растягивать, создавая в ней отрицательные напряжения до величины в 100 кПа. Похоже, что подвергнутая предварительной «ковке» давлением вода становится прочнее.

Довольно интересно меняются и другие физические свойства воды, например температура замерзания (плавления), при повышении давления:

давление, 10 ⁵ Па температура, °С

1 0

130 -1

500 -4

2200 -22

3530 -17

6380 0

16500 +60

20670 +76

Как видно, при давлениях свыше 6380*10 ⁵Па мы имеем «горячий лед». Плотность его при давлении 2200*10 ⁵Па становится равной 1,2 г/см ³и продолжает расти, достигая при давлении 20670*10 ⁵Па 2 г/см ³. Такой лед, разумеется, будет тонуть в воде. Точнее было бы сказать, что это уже не лед, а твердая вода – вода в новом качественном состоянии.

Отчетливо видно, что качественное превращение начинается в области давления 6000*10 ⁵Па. Не здесь ли давления начинают «ткать» полимерные нити из Н ₂О?

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления и аномалии не проявляет.

Вода – источник энергии

Мы уже говорили, что, проследив за взаимоотношением человека и воды, можно было бы написать своеобразную историю возникновения древних цивилизаций. Вода сыграла важную (если не решающую) роль в современном техническом прогрессе. Есть ли надобность повторять слова К. Маркса о «революционере-паре»?

В своем безостановочном движении в будущее, создавая все более современные средства производства, человек так или иначе опирается на использование воды.

Наш век называют веком электричества. Но ведь турбины тепловых, гидравлических и атомных станций приводятся в движение все тем же "революционером-паром". Откажитесь от использования воды – и вы оставите мир без электричества. Это ли не будет мировая катастрофа?

Правда, появляются новые источники электроэнергии, например плазменные (МГД-генераторы). Придет время, и человечество безусловно откажется от использования громоздких турбин, приводимых в движение паром или водой. Электроэнергия будет добываться непосредственным преобразованием тепла в электричество (с помощью полупроводниковых или других устройств). Но сырьем для плазмы, для термоядерного синтеза останется все та же вода. Откуда же еще добывать дейтерий или тритий, как не из вод океана?

Самое известное и непознанное свойство воды

Перспективы грядущего использования воды все требовательнее ставят вопрос о точном познании ее внутренней структуры. И науке поневоле все снова и снова приходится возвращаться к старой, как мир, проблеме, которая волновала умы еще средневековых флорентийских академиков: почему течет вода?

Казалось бы, нелепо спрашивать такое. Вода течет потому, что она жидкая. Но тогда возникает новый вопрос: а, собственно, что такое жидкость? Твердое или газообразное состояние вещества мы представить себе более или менее ясно можем. В нашем воображении возникают картины пространственного расположения атомов в кристаллах металлического сплава. Мы "видим" хаотическое движение молекул в газовых смесях. Но как выглядят частицы воды, каково их взаимное расположение? Конечно, существуют гипотезы (и мы их еще приведем), но они расплывчаты и экспериментально не подтверждены. Вопрос "почему течет вода?" остается пока трудным для науки.

Многие теоретики предпочитают проводить аналогию между жидкостью и твердым телом (например, плохая сжимаемость)" А при гидродинамических расчетах проектировщики и ученые-экспериментаторы применяют к жидкостям (в том числе и к воде) те же математические зависимости, что и к газам. Весьма нелогично.

Необходимость решения этого вопроса становится все более острой. Ибо, раскрыв структурное строение воды, мы вместо сомнительных, весьма приближенных и не всегда применимых аналогий, вместо грубых и неточных эмпирических зависимостей получим истинную картину происходящего. Появится возможность раскрыть закономерности, присущие только воде. Физики чисто аналитически, без всяких приближений получат точные математические зависимости. И лишь тогда откроется путь к созданию сверхпрочной воды как машиностроительного материала, путь к полимеризации воды – основы будущего текстильного производства.

Рис. 9. Агрегатные состояния вещества

И очень хотелось бы, чтобы, наконец, был создан такой протонный или иной микроскоп, с помощью которого удалось заглянуть в воду, увидеть ее молекулы, их движение, возникновение и распад. Наблюдают же физики-атомщики поведение единичных элементарных частиц – протонов, нейтронов, мезонов, позитронов, размеры которых в сравнении с молекулой воды, как байдарка в сравнении с океанским лайнером, Да, очень важно визуально исследовать молекулы воды.

А пока... для воды мы довольствуемся тем положением, которое изображено на рис. 9. Твердое тело (например, лед) имеет кристаллическое строение. В глазах частицы находятся в состоянии хаотического движения. Агрегатное состояние жидкости – пока загадка.

Секреты аномальных свойств воды

«Кирпичики» воды

Секрет воды, конечно же, следует искать в специфическом строении ее молекулы и в особенностях тех «кирпичиков», из которых складывается эта молекула.

Действительно, оба элемента – водород и кислород – заметно выделяются из многочисленной семьи химических элементов, представленной в периодической системе Менделеева.

Водород как "горючий воздух" был известен еще в XVI в. немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу. Но подлинная природа этого газа была установлена лишь в 1783 г. Антуаном Лавуазье. За способность, сгорая, производить воду, "горючий воздух" впоследствии переименовали в "гидрогениум", т. е. рождающий воду.

Водород – единственный элемент, не имеющий даже одной полностью заполненной электронной оболочки. Из-за исключительной простоты его строения – один протон (ядро) и один электрон – ему присущи совершенно особые свойства. Между молекулами, образованными водородом с другими элементами, возникают единственные в своем роде водородные связи, сила взаимного притяжения которых по величине совершенно несравнима с взаимодействием всех прочих, неводородных молекул.

Забегая вперед, скажем, что именно наличие водородных связей не только определяет аномальные свойства воды, но и играет решающую роль в образовании живой материи – нуклеиновых кислот, молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), белковых молекул.

Водород – один из наиболее распространенных элементов. Он обнаружен всюду: на других планетах Солнечной системы, на самом Солнце, в атмосферах всех доступных наблюдению звезд, в туманностях, межзвездной пыли.

Значение водорода во вселенной исключительно велико. Достаточно сказать, что он играет роль "космического топлива", дает жизнь, энергию звездам (в том числе и нашему Солнцу).

В настоящее время известно пять изотопов атома водорода с атомными массами 1 (протий), 2 (дейтерий), 3 (тритий), 4 и 6 (названия пока не даны). Наиболее распространенные соединения водорода (по крайней мере, на Земле) – вода, в основе которой находится протий.

Дейтерий отличается от протия строением ядра. Оно состоит из протона и нейтрона, поэтому масса ядра дейтерия в 2 раза больше массы ядра протия. Такое резкое расхождение в массах изотопов является единственным случаем среди изотопов всех других элементов. В обычной (земной) воде один атом дейтерия приходится на 5500 атомов протия.

В ядре трития один протон и два нейтрона. Тритий радиоактивен. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп гелия с массовым числом 3. Период полураспада трития около 12,3 лет. В земной воде трития крайне мало: один атом на миллиард миллиардов (1/10 ¹⁸) атомов протия.

Недавно обнаружены изотопы водорода с атомными массами 4 и 5. Но физические и химические свойства обоих изотопов пока не изучены. Известно только, что время их существования ничтожно мало. Например, изотоп с атомной массой 4 "живет" всего лишь 10 ^-11с.

Кислород открыт в 1774 г. английским химиком Джозев Пристли. Но свое крещение получил в лаборатории французского ученого А. Лавуазье; открытый Пристли газ назвали оксигеном – рождающим кислоту.

На нашей планете кислород – распространенный элемент. Земная кора до глубины 10-15 км почти на 50 % (по массе) состоит из кислорода. Песок содержит 53% кислорода, глина 56%, вода 89 %, в теле человека его 70 %.

Кислород – не менее своеобразный элемент, чем водород. Он занимает восьмое место в периодической системе Менделеева. Если его внутренняя электронная оболочка (слой k) укомплектована полностью (два электрона), то на внешней (слой h) вместо восьми положенных "по штату" электронов имеется только шесть. Два места остаются вакантными. Элемент с резко выраженными электроположительными свойствами, кислород атакует все атомы, отдающие электроны (к каковым, прежде всего, относится водород), и потому представляет собой один из наиболее агрессивных элементов в природе.

Известны три изотопа кислорода с атомными массами 16, 17 и 18. На Земле на каждые 3150 атомов ¹⁶О приходится по пять атомов ¹⁷О и по одному атому изотопа ¹⁸О. К сожалению, никаких данных о физико-химических свойствах изотопов ¹⁷О и ¹⁸О у нас нет, наукой они пока не изучены.

Вода – это не просто Н ₂О.

Вода представляет собой химическое соединение водорода с кислородом. В молекуле воды один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Химическая формула обыкновенной воды Н ₂О. Молекулярная масса ее 18,016. При нормальных атмосферных условиях температура кипения воды составляет +100°С (373 К), а температура замерзания 0°С (273 К). Вода является отличным растворителем, бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса. Таковы общеизвестные физические и химические свойства воды.

После того как в прошлом столетии были изучены и, казалось бы, вполне исчерпывающе физико-химические свойства воды, интерес к этой заурядной жидкости со стороны исследователей надолго угас.

Но вот в 1932 г. американский физик Гарольд Юри обнаружил в обычной чистой воде примесь, химический состав которой был тот же – атом кислорода на два атома водорода, но молекулярная масса составляла не 18, а 20. Это, как мы теперь знаем, была окись дейтерия, она получила название тяжелой воды. Ее формула Д ₂О. Она кипит при 101,4 °С (374,4 К) и замерзает при – 3,8 °С (269,2 К). В противоположность жизненной силе Н2О, тяжелая вода в физиологическом отношении инертна. Семена растений, политые тяжелой водой, не прорастают. Если тяжелой водой поить животных, они погибают от жажды. После открытия дейтерия интерес к воде резко повысился. В 1943 г. вокруг тяжелой воды разыгрались весьма драматические события.

Фашистская Германия форсировала создание атомной бомбы. В качестве замедлителя нейтронов в атомном реакторе немецкие исследователи намеревались использовать тяжелую воду. Однако ее получение в больших количествах представляло (да и сейчас представляет) значительные трудности. Организовать производство тяжелой воды гитлеровцам удалось в оккупированной ими Норвегии, где можно было использовать дешевую энергию гидростанций и в фиордах которой вода имела повышенное содержание окиси дейтерия.

Следившая за работами гитлеровских атомщиков английская разведка предприняла отчаянные меры для уничтожения добытой немцами тяжелой воды. В Норвегии был выброшен десант парашютистов. С помощью норвежских патриотов десантникам удалось взорвать цех по производству тяжелой воды, но захватить и уничтожить запасы уже добытой тяжелой воды они не смогли.

Германское командование попыталось этот запас переправить из Норвегии в Германию. В условиях чрезвычайной секретности его доставили в один из портов. И только тут, в самый последний момент, ценой огромного риска бойцам армии сопротивления удалось взорвать судно, на которое были погружены емкости с водой. 16 м ³окиси дейтерия было пущено ко дну. Работы по созданию атомной бомбы в Германии были сорваны.

Тяжелая вода не единственный компонент, входящий в обычную воду. Мы уже сказали, что имеется пять изотопов водорода и три кислорода. Поскольку каждый изотоп водорода способен соединяться с любым изотопом кислорода в соотношении 2:1, может быть получено 42 сочетания атомов в молекулах воды. Из них вполне устойчивы 9 сочетаний: ¹⁶Н ₂О, ¹⁷Н ₂О, ¹⁸Н ₂О, ¹⁶НДО, ¹⁷НДО, ¹⁸НДО, ¹⁶Д ₂О, ¹⁷Д ₂О, ¹⁸Д ₂О.

Итак, обыкновенная вода, текущая в реках, заполняющая озера, моря и океаны, снеговыми шапками укрывающая горные вершины, дождями низвергающаяся на землю, послушно бегущая из кранов в наших квартирах, – все это не просто Н ₂О. Это сложнейшая смесь различных видов воды, молекулы которых обладают далеко не одинаковыми физико-химическими свойствами. Правда, количественные соотношения этих смесей разнятся весьма сильно. К сожалению, на сегодня более или менее изучены лишь две разновидности воды: ¹⁶Н ₂О и ¹⁶Д ₂О. Прочие «воды» остаются белыми пятнами в науке.

Процент содержания "прочих вод" в обыкновенной воде чрезвычайно мал: тяжелокислородной ( ¹⁸Н ₂О) в ней всего 0,18 %, тяжелой воды ( ¹⁶Д ₂О) и того менее – 0,017%. Во много раз меньшую долю составляют другие сочетания водорода и кислорода. Но сколько воды в масштабах нашей планеты! А стремительное развитие науки и техники наверняка приведет к тому, что со временем мы научимся переводить одну модификацию в другую. И невольно напрашиваются прогнозы. Скажем, тяжелая вода – это мертвая вода. Она угнетает все живое. Но не окажется ли среди 42 возможных сочетаний изотопов водорода с изотопами кислорода... живой воды? Живой в полном смысле этого слова. Вода, которая вдвое, втрое... в десять раз ускорит рост растений, животных, человека! Вода, которая позволит выращивать капусту величиной с легковую машину и пшеницу с зернами в куриное яйцо. А может, объявится и такая вода, которая станет панацеей от всех недугов, позволит мгновенно заживлять самые тяжелые раны, возвращать бодрость. Или даже возвращать молодость.

Не вода ли принесет человечеству страстно желаемое бессмертие? Не улыбайтесь. От воды можно ожидать всего.