О воде и грязных кастрюлях

В рубрике «Естествознание» много статей о воде и ее якобы таинственных и парадоксальных свойствах. Особенно отличился Алексей Кимяев, написав аж 12 опусов и создав свою «теорию». В большинстве случаев такие «теории» демонстрируют  непонимание авторами азов школьной химии и  физики либо (как в случае Кимячева) упование на книжные знания из популярной плохо написанной  литературы  либо  из Интернета.

В  конце шестидесятых в университете,  в который я поступил несколькими  годами позже, случилась трагедия: на  практикуме, во время перегонки  нефти, лопнула колба, содержимое  ее вспыхнуло и студентка, выполнявшая работу, обгорела.  Она умерла через сутки в больнице.  Следствие установило, что перед самой трагедией отключили электричество, и студентка воспользовалась вместо электроплитки спиртовой горелкой. Предположили, что она коснулась дна колбы фитилем горелки, который при горении остается холодным, и колба  лопнула.

Я разговаривал с человеком, бывшим свидетелем случившегося. Его версия  совсем иная: перед вспышкой раздался характерный звук удара; колба была новой, ни разу не использовавшейся; на месте пожара не нашли ни кусочков пемзы, ни стеклянных  капилляров, которые положено класть в  колбу при перегонке. Конечно, сыграло свою роль и  обычное разгильдяйство: не было ни маски, ни прорезиненного  фартука,  ни огнетушителя. Но что стало первопричиной беды?

Давайте  отвлечемся и  поговорим о том, что такое фазовая  диаграмма воды. Она (вернее, ее часть) есть в начале статьи. Фазовая диаграмма – это  графическое изображение  зависимости химического и фазового состава вещества от параметров состояния в термодинамическом  равновесии. Параметры состояния чаще всего – это температура и  давление. Равновесие же  означает (несколько упрощенно),что параметры состояния одинаковы во всех точках изучаемой системы и не изменяются во времени.

Мы со школы знаем, что температура кипения воды при атмосферном давлении -  ровно сто градусов, а температура замерзания – ноль градусов ровно. Многие полагают, что именно эти факты отображаются на диаграмме. Но так ли это? Нет, не так. Воду можно нагреть до температуры выше  ста  градусов, и он не закипит при атмосферном давлении,  а можно  охладить  ниже нуля – и она не  замерзнет!  Почему же так происходит?

На заре появления  компьютеров  дернул меня черт освоить азы программирования на теперь уже древнем  языке Qbasic. Из-за командировки начало занятий я пропустил и пришел уже тогда, когда остальные кое-что умели делать. Преподаватель с ходу предложил мне написать программу  сортировки массива чисел методом пузырька.  Я ляпнул, что ничего  в  пузырьках не понимаю, на что  тот с ехидцей ответил, что «тут вам не химия, и без  пузырька хрен что поймешь». Так что поговорим о пузырьках.

Кипение жидкости должно начаться с появления хотя  бы крохотного пузырька пара. Но есть уравнение Лапласа: избыточное (по отношению к внешнему и гидростатическому) давление газа   Р в пузырьке радиуса R связано с поверхностным натяжением А соотношением Лапласа: 
 Р=2А/R
 Отсюда следует, что чем меньше пузырек, тем  больше давление газа в нем. Если в качестве газа выступает водяной пар, то, очевидно, для существования пузырька, чтобы он не схлопнулся,  температура должна быть больше, чем та, при которой давление пара  равно атмосферному.  По этой причине вода (и другие жидкости) склонны к перегреву.  Если микроскопические пузырьки газа в жидкости есть, то перегрев будет незначительным. В водопроводной воде есть растворенный воздух, он выделяется при нагревании (чем выше температура, тем меньше его растворимость), и его пузырьки являются зародышами пузырей пара при закипании. Роль зародышей могут играть и неровности стенок посуды, и частички мути. Но если вода чистая (лучше – дистиллированная), а посуда гладкая, то жди беды: вода нагревается при кипячении всё сильнее, и в какой-то момент всё накопившееся тепло тратится на бурное образование пара. Это – почти взрыв, толчок выделившегося пара  выбрасывает воду из посуды и может вышибить дно. Нет ничего глаже, чем внутренность новой стеклянной колбы, она не менее гладкая, чем поверхность жидкой ртути. Поэтому чистые жидкости в такой посуде перегреваются  легко и значительно. Опытный химик всегда кладет в нагреваемую жидкость «кипелку»: кусочки пемзы, запаянные с одного конца стеклянные капилляры и т.д. для того, чтобы кипение проходило спокойно. Впрочем, в новом электрочайнике, в  котором на стенках еще нет накипи, вода часто закипает  с  сильными  толчками, так, что тот едва ли ни подпрыгивает. А шум, который слышен при начале кипения и ослабевает, когда кипение равномерное, связан  со схлопыванием паровых пузырьков: они отрываются от дна, отдают избыток тепла  жидкости и умирают.

Вот теперь нам понятна причина трагедии, произошедшей  в университете.

Вернемся к статье Кимяева: по его мнению, причина возникновения  пузырей пара состоит в том, что вода якобы организована в микроскопические  капли, разделенные слоем из пара. И потому она закипает ровно при ста градусах. Алло, г-н Кимяев,  она закипает там,   где температура гораздо больше ста градусов,  а на диаграмме это не отображено лишь потому,  что диаграмма описывает равновесные состояния,  а не метастабильные.  И потому температура кипения – это не та температура, когда вода  в  кастрюле шипит и булькает, а  та,  при которой давление пара равно внешнему  давлению.

Ну, а что же с переохлаждением воды? Да всё то же самое. Для образования кристалликов  льда нужно, чтобы молекулы  выстроились определенным образом в  кристаллическую решетку. Вероятность образования зародышевого кристаллика льда низка, особенно в посудине малого размера или в водяной капле. И поэтому на большой высоте в облаках,  где  воздух чист а капли мелки,  даже в мороз вода остается жидкой.  Иногда  она выпадает из низких туч – и тогда мгновенно замерзает, образуя ледяную корку везде, ломая деревья и обрывая провода. Что же такое температура замерзания воды? Это  та  температура,  при которой вода и лед в теплоизолированном сосуде  контактируют друг с другом  неопределенно долго.

Переохлаждаться может не только  вода:  мало кто знает, что всем известный глицерин плавится при температуре 18 градусов. Но заставить глицерин затвердеть – очень непростая задача: он и  на  морозе остается прозрачной, похожей на  мед жидкостью, которая  никак не  хочет затвердевать. В позапрошлом веке по морю перевозили глицерин в бочках. После нескольких дней болтанки в зимнем море в одной из бочек обнаружили вместо  привычной жидкости снегоподобную  массу.  Так его впервые случайно превратили в глицериновый лед, и потом измерили настоящую температуру плавления.

Лекции по  неорганике нам читал профессор  Роман Викторович Мерцлин, очень известный ученый. На одной из лекций он расплавил в стакане  какие-то кристаллы и отставил на время в сторонку, а  в  конце лекции взял в руки стакан, медленно наклонил его – было хорошо видно, что жидкость течет. Потом взял стеклянную  палочку, быстро перемешал содержимое стакана, и перевернул его над головой ассистента. Тот аж присел, бедняга. Но ни капли из  стакана не  вылилось, жидкость  полностью закристаллизовалась от перемешивания. Тем веществом был тиосульфат  натрия, широко применявшийся в фотографии под именем «гипосульфит». И даже металлы могут переохлаждаться. Расплавленный галлий может несколько дней оставаться при температуре ниже точки плавления, а потом  вдруг превращается в красивые гексагональные кристаллы.

Последнее.  Всё, что я тут  рассказал, имеет широчайшие выходы в  практику – начиная от работы паровых котлов и заканчивая кавитацией, разрушающей  гребные винты, ультразвуковым обезжириванием деталей, кристаллизацией различных веществ и т.д. Ну, а возвращаясь к чудачествам Кимяева и его последователей – пусть будет по поговорке:  чем бы дитя не тешилось, лишь бы  не плакало. Даже если дитю восьмой десяток. Кстати, советую заглянуть на его страницу: пишет не без изящества, иногда даже остроумно.