Окись водорода, она же гидрид кислорода... Самое распространенное, самое важное, самое обычное вещество. Вода. Казалось бы, что может быть проще, обыденнее?

Мы не будем здесь говорить, где встречается вода, как и для чего она используется,— такие вещи знакомы даже людям, далеким от химии, даже малым детям. Но вот что удивительно: вода по своим свойствам — сплошное исключение из правил.

Более ста лет назад Д. И. Менделеев навел порядок в мире элементов, расположив их в единую систему. У каждого элемента оказалось несколько родственников, «живущих» с ним в одной группе. Свойства элементов-родственников и их соединений похожи и изменяются очень закономерно. Именно эти наблюдения позволили Менделееву не только предсказать существование новых элементов (например, скандия, германия, галлия), но и довольно точно вычислить некоторые их физические константы — удельный вес, температуры плавления.

Кислород находится в одной группе с серой, селеном и теллуром. Располагаются они в своей группе в том же порядке, в котором перечислены здесь.

Предположим, что мы ничего не знаем о кислороде и его соединениях. Попытаемся вычислить температуру кипения гидрида кислорода, имеющего формулу Н₂О.

Исходные данные: температуры кипения гидрида теллура Н₂Те —2°, гидрида селена Н₂Sе —41°, гидрида серы (сероводорода) Н₂S —60°. Отсюда вывод: температура кипения гидрида кислорода должна быть еще ниже, чем для сероводорода, где-то около —80°.

А между тем все мы прекрасно знаем, что вода кипит при +100°С. Мы ошиблись в расчетах на 180°! Стоит ли говорить, что также аномальна и температура плавления воды (то есть льда)? Вместо 0°С расчет, подобный только что проведенному, дает что-то около —100°С.

Все дело в том, что в жидком состоянии молекулы воды в отличие от других веществ соединяются между собой при помощи так называемых водородных связей и образуют полимерные ассоциаты (см. рис. 3).

Далее. Все «нормальные» жидкости, затвердевая, сжимаются. Вода — наоборот. Плотность льда всего 0,92 г/см³, он легче воды. Убедиться в этой аномалии проще простого. Зимой налейте в бутылку воду и поставьте ее за окно. Через некоторое время, собирая осколки бутылки, вы наглядно убедитесь, что при переходе в лед вода расширяется. Значение этого факта огромно: лед плавает по поверхности воды, предохраняет весь водоем от полного промерзания, спасает тем самым жизнь многочисленным его обитателям.

Еще одно удивительное свойство воды — очень большая теплоемкость. Это тоже полезное для живности свойство — водоемы медленно охлаждаются и медленно прогреваются, температура в них всегда примерно одинакова.

Весьма неохотно вода испаряется (у нее очень высокая теплота испарения). Если бы не это обстоятельство, многие озера да и реки летом испарялись бы досуха.

Мы уже говорили, что при переходе в твердое состояние вода расширяется. Но непоследовательно ведет себя при нагревании и охлаждении и жидкая вода. Если охлаждать комнатную воду, она сжимается плавно, постепенно и лишь до тех пор, пока температура не упадет до +4°С. При дальнейшем охлаждении вода начинает расширяться. Что это значит? А то, что четырехградусная вода самая тяжелая. И зимой в водоемах такая вода опускается на дно. Но +4° для рыб и прочей живности — вполне теплая «погода», им лишь бы не вмерзнуть в лед.

Можно рассказать еще о многих удивительных свойствах воды, но мы посвятим весь остаток нашей беседы лишь одному из ее достоинств, быть может, самому важному с точки зрения химика. Речь пойдет о воде как растворителе. С этой точки зрения она удивительна хотя бы тем, что спектр растворимых в ней веществ чрезвычайно широк. Не случайно очень многие процессы химической технологии идут в водной среде. Не случайно и то, что человек примерно на две трети состоит из воды: она служит средой для биохимических процессов, протекающих в живой клетке.

Поговорим о видах водных растворов и их свойствах.

Большинство веществ растворяется в воде не беспредельно. Вот мы налили в стакан воды и, перемешивая ее ложечкой, присыпаем поваренную соль. Первые порции соли исчезают мгновенно, затем растворение замедляется. И наконец наступает момент, когда новые порции соли «не желают» растворяться, они так и лежат кристалликами на дне стакана. Такой раствор называется насыщенным.

Сколько же вещества надо насыпать в воду, чтобы получить насыщенный раствор? Оказывается, это зависит от того, какое вещество мы растворяем, и от температуры раствора — обычно, чем выше температура, тем больше вещества растворяется.

Естественно задаться вопросом: что будет, если насыщенный раствор охладить или выпарить из него часть воды? В нем окажется больше растворенного вещества, чем это соответствует новым условиям. Избыток, как правило, выпадает в осадок, но может и не выпасть: тогда раствор называется пересыщенным. Пересыщенный раствор — система неустойчивая, так что выпадение осадка вызвать нетрудно. Но об этом позже.

Явление насыщения лежит в основе так называемого метода перекристаллизации, применяемого для очистки растворимых в воде кристаллических веществ от незначительных примесей. Предположим ради простоты, что основное вещество загрязненного кристалла растворимо в воде так же, как и вещество примеси. При комнатной температуре зальем кристалл таким количеством воды, которое недостаточно для его полного растворения. Нагреем смесь ровно настолько, чтобы кристалл растворился полностью, иными словами, чтобы образовался насыщенный раствор. Насыщен он будет лишь основным веществом кристалла: примеси было слишком мало, чтобы насыщенный раствор смогла образовать и она. Теперь охладим раствор до прежней температуры. В новых условиях он будет уже пересыщенным. Но пересыщен он будет лишь основным веществом, и оно станет выпадать в осадок. Примесь же, если ее достаточно мало, будет по-прежнему образовывать ненасыщенный раствор и в осадок выпадать не станет. Это означает, что образующийся осадок не будет содержать примеси. Перекристаллизация позволила очистить вещество.

Некоторые соли, выделяясь из водного раствора, образуют очень красивые большие кристаллы. Размеры кристаллов зависят от того, насколько медленно ведется кристаллизация.

Налейте в стакан насыщенный при комнатной температуре раствор какой-либо соли (например, бесцветных алюмокалиевых квасцов, зеленого сернокислого никеля, синего медного купороса, фиолетовых хромокалиевых квасцов — эти соли можно купить в магазине фототоваров или в учебных коллекторах). Сверху на тонкой нитке опустите в раствор кристаллик той же соли. Теперь поставьте стакан в тихое место и наберитесь терпения. Вода будет постепенно испаряться, раствор станет пересыщенным, и соль будет выделяться на кристалле. Вы увидите, как кристалл растет.

Недавно одному американскому инженеру удалось вырастить кристалл хромокалиевых квасцов весом 27 килограммов и размером в поперечнике 35 сантиметров. На это ушло несколько лет. Советские космонавты на станции «Салют-5» исследовали рост кристаллов квасцов в невесомости.

При растворении веществ в воде обычно выделяется или поглощается тепло. Так, если медленно приливать концентрированную серную кислоту к воде, можно получить температуру в 150°. (Если вы думаете, что вода при этом выкипит, то это не так: температура кипения у раствора серной кислоты в воде выше, чем у чистой воды.) Сильно повышается температура и при растворении едкого натра или едкого кали.

Некоторые соли, растворяясь, напротив, очень охлаждают раствор. Если смешать 3 весовые части снега с 1 частью поваренной соли, то температура понизится до —21°С. При смешении 10 частей кристаллического хлористого кальция с 7 частями снега можно получить температуру —55°С. Для охлаждения часто используют также смеси снега с аммиачной селитрой. Те, кто занимается фотографией, обращали внимание на сильное охлаждение воды при растворении в ней гипосульфита (тиосульфата натрия).

Эта соль обладает и еще одним интересным свойством — она легко дает пересыщенные растворы.

Растворите в стакане с горячей водой (не больше четверти стакана) тиосульфат натрия так, чтобы на дне оставалось некоторое количество нерастворенной соли. Этот остаток свидетельствует, что раствор насыщен. Осторожно слейте раствор в другой стакан и дайте ему остыть. Для установившейся теперь более низкой температуры раствор будет уже пересыщенным. Теперь бросьте в стакан кристаллик тиосульфата — и начнут выпадать крупные красивые кристаллы соли.

Кристаллизацию из пересыщенного раствора можно вызвать не только внесением в раствор маленького кристаллика того же вещества, но и просто потерев палочкой о стенку стакана или встряхнув стакан; если в раствор попадет пыль, это также может вызвать кристаллизацию.

Вода — хороший растворитель. И все же не так уж редки вещества, которые не растворяются в ней. Часто, сливая два раствора, приходится наблюдать, как выпадает осадок — образующееся соединение нерастворимо в воде. Такие опыты можно обставить очень эффектно.

Налейте в стакан (наполовину) насыщенный раствор медного купороса и бросьте на дно несколько маленьких кусочков соды. Образуется нерастворимая углекислая медь, и в стакане возникают причудливые стволы деревьев, словно растущих на скалах, покрытых голубовато-зеленым мхом.

Взяв другие компоненты, можно получить «зимний пейзаж». В стакан с насыщенным раствором азотнокислого свинца насыпьте порошок хлористого аммония (нашатыря). В этом случае образующийся нерастворимый хлористый свинец «вырастает» в виде белых, запорошенных снегом деревьев.

Тут нужно сделать два замечания. Не все опыты (это относится и к нашим дальнейшим экспериментам) у вас будут получаться с первого раза эффектно, красиво. Вам придется повозиться, прежде чем вы научитесь выращивать красивые деревья в стакане. Но в этом-то и заключается «мастерство экспериментатора».

И второе. Помните, что соли свинца, меди, ртути весьма ядовиты. Поэтому ни в коем случае не употребляйте для опытов с ними посуду, из которой едят, проводите эти опыты как можно дальше от продуктов питания, а после тщательно мойте посуду и руки.

Красивы нерастворимые силикаты некоторых металлов. Их получить несложно.

В несколько стаканов налейте немного обычного силикатного конторского клея, разбавьте его водой в два раза. Теперь бросьте в первый стакан кристаллы уксуснокислого цинка. Через некоторое время вырастут красивые белые кристаллы силиката цинка. В другом стакане кристаллики уксуснокислого марганца «прорастут» в розовые нити силиката марганца. В третьем стакане кристаллы уксуснокислой ртути дадут темно-красные «водоросли» и «кораллы», словно со дна какого-то инопланетного океана.

Но красные водоросли — это экзотика. Можно получить «растения» и привычного зеленого цвета. Для этого в раствор силикатного клея бросьте кристаллы бромистого никеля или сернокислого железа (железного купороса). Медный купорос дает красивые сине-зеленые иглы силиката меди.

Итак, мы видели, что вода и какое-нибудь вещество могут быть в таких отношениях: либо вода растворяет вещество, растаскивает его на отдельные молекулы (образуя истинные, молекулярные растворы); либо вода не растворяет вещество, и если взболтать его порошок, то получим суспензию, взвесь.

Но бывают такие случаи, когда вещество образует малые частицы размером от одной до ста миллионных долей миллиметра, плавающие в воде. Это и не истинный раствор (в каждой частичке тысячи и тысячи молекул), но и не грубая суспензия (из суспензии при стоянии выделяется осадок — взболтайте в воде зубной порошок, и вскоре вы убедитесь в этом). Такие растворы называются, коллоидными.

Коллоидный раствор дает, например, обычное мыло — натриевая соль стеариновой и пальмитиновой кислот. При попадании в воду оно частично разлагается ею на свободный едкий натр и органические кислоты. Эти кислоты в воде нерастворимы и благодаря этому образуют коллоидные частицы. Сказанное объясняет моющее действие мыла: едкий натр снимает с рук или белья частицы жира, а с ними и всю грязь, которая затем прилипает к коллоидным частицам кислот и уносится водою.

Другой пример — молоко. В нем в виде коллоидного раствора содержится казеин. Добавьте в молоко уксус, и вы переведете казеин из коллоидного раствора в осадок — получите творог. Тот же процесс происходит при естественном скисании молока.

Налейте в один стакан раствор поваренной соли, в другой — раствор мыла. Поставьте поочередно стаканы под лампу, загородив ее свет плотной бумагой с небольшим отверстием, отчего в стакан упадет лишь тонкий луч. Он будет по-разному проходить через оба раствора. В толще мыльной воды будет виден светящийся мутноватый конус: частички мыла рассеивают свет во всех направлениях. Это характерный признак коллоидных растворов. Такой опыт позволяет отличать их от растворов истинных — например, от раствора поваренной соли. Тот выглядит однородным, в нем нет столь крупных частиц, как в растворе мыла, все растворенное вещество распалось в воде на ионы хлора и натрия.

1. Всыпьте в раствор азотнокислого свинца порошок хлористого аммония, и через некоторое время в сосуде вырастет «зимний сад» с запорошенными снегом деревьями.

2. Кристаллы хлористого никеля, помещенные в раствор силикатного клея, дают «тропические джунгли».

3. В молекуле воды два атома водорода и атом кислорода располагаются не на одной прямой, а образуют угол примерно в 104° (рисунок слева посредине). Расстояние от атома кислорода до любого из атомов водорода составляет около одного ангстрема (10^—8 см). Согласно современным представлениям, химическая связь между двумя атомами — это пара общих для них электронов, по одному от каждого атома. Пара общих электронов может смещаться к одному из атомов, соединенных химической связью. Именно так и происходит в молекуле воды. Атом кислорода притягивает к себе электроны, связующие его с атомами водорода, и на вершине уголка, форму которого имеет молекула воды, сосредоточивается избыток отрицательного заряда, концы же сторон этого уголка соответственно оказываются заряженными положительно. Естественно, при таком положении атомы водорода одной молекулы будут электростатически притягиваться к атомам кислорода других молекул. У атома кислорода в молекуле воды имеются две свободные пары электронов. Атом водорода, приблизившийся к атому кислорода благодаря электростатическому притяжению, начинает взаимодействовать с этими электронными парами, то есть какое-то время свободные электроны кислорода проводят возле ядра атома водорода другой молекулы. Так между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода другой завязывается своеобразная так называемая водородная связь (в отличие от обычной связи ее обозначают точками в химических формулах). Характерная особенность водородной связи заключается в том, что в ней принимает участие атом водорода, уже присоединенный к другому атому.

Итак, чтобы водород образовал водородную связь с другим атомом, последний должен иметь свободную пару электронов. Но этот атом должен еще быть небольшим по размеру. Достаточно прочные связи такого типа образуют, помимо кислорода, азот и фтор. А вот сера не очень расположена к образованию водородной связи. Это позволяет объяснить некоторые различия в свойствах между водой (Н₂О) и сходным с ней по молекулярной структуре сероводородом (Н₂S), например, разницу в их температурах кипения. Молекулы воды благодаря водородным связям между ними образуют полимерные ассоциаты (см. рисунок), причем наиболее устойчивы сцепки из двух молекул, так называемые димеры, но возможны и длинные цепи, полимеры. Разрушение таких сцепок и цепей требует затрат энергии. Из-за этого вода кипит при более высокой температуре, нежели сероводород. Водородные связи играют исключительно важную роль в живой природе. Именно благодаря им молекулы белков укладываются в характерные клубки, именно они удерживают рядом две нити дезоксирибонуклеиновои кислоты (ДНК).

4. Порошок азотнокислой ртути в растворе силикатного клея образует пейзаж «марсианской пустыни».

5. Кристаллы медного купороса (сернокислой меди) выбрасывают в силикатном клее голубые стрелы.

6. Из железного купороса (сернокислого закисного железа) и силикатного клея можно создать густой лес диковинных «водорослей».