Путешествие в Страну элементов

Океаны из двух газов

«Мир отражается в капле воды». Это не только поэтическая метафора. Действительно, в капле воды можно увидеть жизнь зеленого листа и человека, дымящиеся трубы мощных заводов, зеленеющие поля, контуры будущих термоядерных электростанций и след космического корабля, мчащегося к далеким звездам…

Самая обыденная и самая известная жидкость — вода состоит из двух химически активных газов — водорода и кислорода. В литре воды содержится 111,1 грамма водорода и 888,9 грамма кислорода, иначе говоря — 1254,32 литра водорода и ровно вдвое меньше кислорода. На Земле 2·10¹⁸ тонн воды. Наглядно представить себе это количество можно так. Построим мысленно гигантский цилиндр с площадью основания в 1 квадратный метр. Этот цилиндр, высота которого равна величине диаметра земной орбиты, то есть 300 миллионам километров, вместит всю воду нашей планеты.

Как же распределяется на Земле вода? Большая часть ее находится в морях и океанах, остальная — в реках, озерах, льдах суши, горных породах и минералах. Атмосфера содержит одну стотысячную часть всей воды. По абсолютному значению это немалая величина: если бы атмосферные пары сгустились, уровень океанов повысился бы на четверть метра. Ежегодно в круговороте находятся громадные массы воды; если бы вся испаряющаяся вода удалялась в заатмосферные высоты, океаны мелели бы на 75 сантиметров каждый год.

Вода, по образному выражению Ферсмана, — нерв Земли. Вода везде. Даже в камне. И чтобы убедиться в этом, не надо вызывать великана из старой детской сказки, того, что может выжать воду из камня.

Любой химик скажет, что, например, в килограмме гипса содержится 210 граммов воды. Вода есть во всех живых организмах.

В учебниках обычно пишут, что вода — это прозрачная, бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

Шведский ученый Зоттерман утверждает, что животные ощущают вкус воды аналогично тому, как мы, например, вкус соли. У человека таких анализаторов нет, но вкус воды для нас — понятие обыденное и никак не абстрактное.

Одно дело — водопроводная вода, другое — вода из прозрачного родника. По вкусу они различаются резко, внешне не отличаясь ничем. Ведь вода — прекрасный растворитель, в ней всегда есть примеси солей и газов. В природе самая чистая вода — дождевая, но и она не без примесей. 1 килограмм дождевой воды при выпаривании дает 30 миллиграммов сухих остатков; к тому же в литре воды растворено не менее 200 миллиграммов газов. А если взять речную воду?

Тонна чистой на вид невской воды несет с собой 57 граммов растворенных веществ, днепровская — 187 граммов, а мутно-желтые воды Нила — до 1600 граммов. А вода, приходящая в наш дом по трубам? Любая хозяйка знает, что внутреннюю поверхность чайника, в котором ежедневно кипятится вода, со временем покрывает слой желтоватой накипи. Это углекислые соли магния и кальция. На своем долгом и длинном пути к водопроводному крану вода растворяет углекислый газ атмосферы, при соприкосновении с горными породами она вымывает из них углекислые соли магния и кальция.

Примеси причиняют немалый ущерб народному хозяйству. Достаточно сказать, что освобождение от накипи лопаток одной мощной турбины обходится в 25 тысяч рублей.

Как же очищают воду от вредных примесей? На первой стадии — обработкой химическими веществами. Чтобы смягчить воду, катионы магния и кальция осаждают добавкой извести, соды и щелочи. Образующиеся соединения этих элементов выпадают в осадок.

Химики в лабораторных опытах пользуются дистиллированной водой. Ее получают в специальных аппаратах. Обычную воду нагревают в перегонном кубе до кипения, пары поступают в холодильник, где охлаждаются и капельками воды стекают в приемник. Однажды перегнанная вода содержит 0,5–1 миллиграмм растворенных солей на литр. Такое количество примесей не влияет на ход реакций, которые проводятся в дистиллированной воде. Но для изучения ее свойств необходима более тщательная очистка.

В прошлом веке очень чистая вода была получена перегонкой дважды дистиллированной воды в маленьком аппаратике, из которого выкачали воздух. Колбочку, где собирали перегнанную воду, предварительно выщелачивали в течение десяти лет.

И сейчас получение очень чистой воды, например для изотопного анализа, — процесс непростой. Конечно, для этого не нужно тратить десяти лет на какую-то колбочку: современная химия обладает новейшими мощными средствами очистки.

Показателем чистоты воды служит обычно ее электропроводность. Чем меньше электропроводность, тем она чище.

Для получения воды высокой степени чистоты используется многократная неполная перегонка дважды дистиллированной воды с последующей обработкой ионитами. Чтобы избавиться от примесей органических веществ, воду подвергают действию гамма-излучения Со-60. Органические примеси окисляются в углекислый газ, который удаляют продуванием инертного газа. А образующуюся в результате кобальтового облучения перекись водорода разлагают действием ультрафиолетовых лучей. Науке чистая вода принесла большую пользу.

«Столько-то градусов по Цельсию», — говорим мы. Температурная шкала Цельсия — международная шкала. За единицу — градус — в ней принята сотая доля промежутка между температурами кипения и замерзания чистой воды при атмосферном давлении.

Вода — наиболее распространенное природное тело. Получить с ее помощью температуру в 0 °C и 100 °C довольно легко. Потому и не удивительно, что она послужила естественным стандартом температурных шкал. Вода связана не только с понятием температуры, но и массы, и веса, и теплоты.

Грамм — величина условная.

Грамм — это масса и вес 1 кубического сантиметра воды при 4 °C — температуре максимальной плотности воды.

И еще одно замечательное свойство воды нашло применение в системе единиц. Поставьте утюг весом в 1 килограмм на электрическую плитку, на такую же плитку поставьте килограмм воды в алюминиевой кастрюле. Через некоторое время до утюга не дотронешься, а вода будет лишь теплой. Ведь для нагревания на 1 градус она требует значительно больше тепла, чем любое другое вещество. Количество тепла, поглощенное одним граммом какого-либо вещества при нагревании на 1 градус, называется удельной теплоемкостью. Вода обладает самой высокой удельной теплоемкостью, которая и принята за единицу количества тепла — калорию.

Рыболовы — народ неугомонный. Они и зимой удят рыбу. Пробивают лед, забрасывают удочки в воду и… ждут. Рано или поздно приходит удача. И вряд ли многие из них задумываются, что этим удовольствием они обязаны одной из аномалий воды. Не обладай она этой аномалией, уже при слабом морозе пруд или река покрывались бы коркой отвердевшей жидкости, а при сильном — просто вымерзали бы от дна до поверхности. И вот почему: с повышением температуры у всех тел объем увеличивается. Исключение составляют металлы таллий, висмут и… вода. Вода не подчиняется этому закону: в промежутке от 0 до +4 °C ее объем уменьшается. Потому-то зимой, когда температура воздуха ниже нуля, водоемы не вымерзают до дна.

Судите сами: перед нами пруд; температура его поверхности достигла +4 градуса. Вода при такой температуре обладает максимальной плотностью; следовательно, верхние слои ее идут на дно. Становится холоднее, температура достигает 0 градусов, поверхностные слои не идут на дно, а остаются на своем месте, превращаясь в лед. Чем сильнее мороз, тем толще корка льда, но под этой коркой все же вода.

Лед, обладающий малой теплопроводностью, как бы ватным одеялом предохраняет нижние слои воды от переохлаждения. Лед легче воды. При 0 градусов вода более легка, чем при +4 °C. Качественно новое состояние воды — лед («твердая вода») — обладает еще более «рыхлым» строением.

Мы уже говорили, что вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус, нужна 1 калория. Это большая величина. Нагревая 1 литр воды от комнатной температуры до кипения, необходимо затратить столько энергии, сколько хватило бы для подъема собачки весом в 3 килограмма на высоту 10 тысяч метров. Вода медленно нагревается, но и столь же медленно охлаждается. Поэтому ее выгодно применять для водяного отопления зданий. Ее используют также в качестве теплоносителя в атомных реакторах.

Большая теплоемкость воды определяет в значительной мере климат планеты. Почва быстро нагревается, но и быстро отдает тепло. Вода же не транжирит летнее тепло, полученное от Солнца. В течение всей зимы океаны и моря подогревают воздух…

Вода медленно нагревается, и столь же медленно плавится лед. Чтобы превратить его в воду, надо сообщить определенное количество теплоты, называемое теплотой плавления. Теплота, необходимая для плавления 1 грамма вещества, называется удельной теплотой плавления. Для льда она равна 80 калориям, только алюминий обладает большей удельной теплотой плавления.

Как много тепла надо для того, чтобы 1 грамм воды превратить в пар? 538 калорий. Вода обладает наибольшей теплотой парообразования среди всех известных жидкостей. Энергия водяного пара вот уже много десятилетий движет паровозы и пароходы, лопатки паровых турбин.

Почему же вода так отличается от других жидкостей? Как объяснить то, что лед обладает меньшей плотностью, чем вода, что вода имеет максимум плотности, что на ее долю приходится наибольшая теплоемкость и теплота парообразования?

Аномальное поведение воды связано с особенностью ее структуры. Молекула воды несимметрична: центры «тяжестей» положительного и отрицательного заряда в ней не совпадают. Она полярна и, как магнит, обладает двумя полюсами: один — положительный заряд атомов водорода, другой — отрицательный заряд кислорода. В воде образуются так называемые водородные связи. Водород одной молекулы воды вступает в связь с кислородом другой.

Водород в воде соединен с двумя кислородами сразу: со «своим» и с «чужим». Со «своим» он связан крепче. Заметим, что в воде водородные связи гораздо прочнее, чем в других жидкостях, обладающих такой же способностью.

Следовательно, молекулы воды соединены друг с другом прочнее, чем молекулы какой-либо другой жидкости.

Ну, а как они расположены? Начнем со льда — воды в твердом состоянии. Предположим, нам дана задача расположить в ящике бильярдные шары так, чтобы их поместилось как можно меньше, и в то же время так, чтобы они образовали устойчивую структуру. Решив ее, мы обнаружим, что в нашем сосуде один шар соприкасается только с четырьмя другими. Укладка шаров здесь обладает малой плотностью: она ажурна, в ней много пустот, размеры которых несколько больше размеров шаров. Заменим теперь шары молекулами воды — перед нами структура льда. Молекулы между собой соединяются водородными связями. Потрясем сосуд — структура льда нарушится, и, конечно, в сторону уплотнения. Плавление льда — это своеобразная «встряска» его структуры.

Поскольку молекулы воды обладают довольно сильными водородными связями, ее структура — пространственная сетка ее молекул — в основном повторяет структуру льда. Это доказано рентгенографическими исследованиями. Когда лед плавится, происходит частичное заполнение пустот его структуры. Отсюда увеличение плотности и уменьшение объема.

Дальнейшее повышение температуры от 0 до +4 °C сопровождается следующими процессами: с одной стороны, молекулы воды усиливают свои колебания вокруг центра равновесия, с другой — все большее количество молекул попадает в пустоты. Получается более экономичная структура, отчего вода достигает максимума плотности. Увеличение температуры ведет к усилению колебаний молекул вокруг центра равновесия, а значит, к увеличению объема.

С заполнением структурных «пустот» молекулами воды связана большая теплоемкость жидкости. Теплота идет на разрыв водородных связей молекулы: попав в «пустоту», она освобождается от связей с другими молекулами. Этим же объясняется и большая величина теплоты парообразования: энергия здесь тратится на разрыв водородных связей.

Таким образом, аномалии свойств воды связаны со структурной ажурностью ее, с одной стороны, и прочностью водородных связей — с другой.

Может ли вода не портиться месяцами, даже в жару, если она стоит на открытом воздухе?

Известно, что две с половиной тысячи лет назад во время военных походов персидский царь Кир пользовался питьевой водой из особых серебряных сосудов — «священных». Эта вода предохраняла от болезней и не портилась годами. Да и в гораздо более поздние времена «святая» вода была предметом спекуляций у служителей религиозных культов.

Во второй половине XIX века «целебной» водой заинтересовались ученые. Немецкий биолог Негели положил 12 серебряных монет в сосуд, содержащий 12 литров воды. Через некоторое время он обнаружил, что вода получила способность убивать одноклеточные водоросли и бактерии. Причем для этого достаточно было 1 части серебра на сто миллионов частей воды.

Оказалось, что таким же свойством обладает и медь. Его назвали олигодинамическим эффектом (от греческого «олигос» — следы и «динамис» — действие).

«Серебряная вода» получила со временем широкое практическое применение в медицине и для консервирования пищевых продуктов.

Вода, зараженная бактериями дизентерии, брюшного тифа, стафилококка и стрептококка, после введения в нее полграмма серебра на литр делалась стерильной через полчаса. В медицине электролитические растворы серебра употребляются для лечения воспалений, язв желудка и двенадцатиперстной кишки.

Химики XVIII столетия считали воду элементом. Открытие водорода Кэвендишем в 1766 году и опыты по сжиганию газа дали Лавуазье повод усомниться в элементарности воды. В 1783 году Кэвендиш обнаружил, что «горючий воздух» (водород), полученный действием кислот на металлы, и одна пятая обыкновенного воздуха (то есть кислород) при сгорании дают воду. Казалось бы, все ясно, но Кэвендиша попутал флогистон. В то время в химии господствовало учение о флогистоне. Согласно этому учению, все горючие вещества содержат в себе невесомый, невидимый, неслышимый элемент флогистон. При сгорании вещество выделяет флогистон и превращается в негорючий продукт: горючее = флогистон + окалина. Восстановление окисла металла горючим углем так трактовалось флогистиками: окисел + флогистон = металл. Значит, флогистон из угля перешел в металл, а потому-де металл горит, а двуокись углерода — нет. Получив водород, Кэвендиш решил, что в его руках и находится неуловимый флогистон. А потому он и объявил, что вода есть не что иное, как «жизненный воздух» (кислород), присоединивший к себе флогистон.

Между тем во Франции А. Лавуазье разрабатывал антифлогистическую химию. Для него было ясно, что флогистона нет, но сложное ли тело вода, Лавуазье еще не мог сказать точно. Когда до него дошли вести об опыте Кэвендиша, Лавуазье торжественно повторил их при свидетелях. Получив воду сжиганием водорода, он подверг ее всевозможной проверке. Убедившись, что перед ним действительно чистая, дистиллированная вода, Лавуазье зачислил ее, в течение многих веков считавшуюся простым телом, в разряд сложных веществ. Вода состоит из «горючего воздуха» и «жизненного воздуха», из водорода и кислорода — это впервые обнародовал Лавуазье. В 1785 году он определил состав воды: по его данным, она содержала 85 процентов O₂ и 15 процентов H₂.

По современным данным, в воде 88,81 процента O₂ и 11,19 процента Н₂.

Ученый мир был взволнован, услышав о получении Кэвендишем газа, который был во много раз легче обыкновенного воздуха. В 1781 году итальянский профессор Т. Кавалло наполнял водородом мыльные пузыри: они взмывали вверх и лопались, соприкасаясь с потолком.

В 1783 году в Париже под руководством профессора Шарля был запущен первый воздушный шар, наполненный водородом — самым легким изо всех газов. Для этого потребовалось 18 кубических метров газа — количество огромное по тем временам. Шарль расположил по кругу 12 больших бочек, насыпал в них опилок и налил разбавленной серной кислоты. В бочки были вделаны свинцовые трубы, по которым водород поступал в общий приемник. Из приемника газ шел в воздушный шар.

Вскоре воздушные шары стали наполнять только водородом. Серная кислота в те времена была довольно дорога, и для получения водорода пользовались железо-паровым методом Лавуазье. Он пропускал через ружейный ствол, раскаленный докрасна, водяной пар. Вода разлагалась, выделялся газообразный водород. Кислород же, соединившись с железом, давал окалину.

В 1794 году при северной армии французов, боровшейся с австрийскими интервентами, был организован корпус военных аэростатов. В битве при Флерюсе французы запустили аэростат с военным инженером, сообщавшим о передвижении войск неприятеля.

В XX веке водород в аэростатах был заменен гелием, затем и они сами были вытеснены самолетами. Но аэростаты сыграли свою роль в тревожные дни 1941 года. Они подымались ночью над Москвой и другими крупными городами. Вражеские летчики вынуждены были сбрасывать бомбы с большой высоты, без прицела, чтобы не напороться на тросы, привязанные к аэростатам.

Долгое время водород получали в основном для наполнения аэростатов. Вплоть до начала нашего века он не применялся в химической промышленности. Можно сказать, что в XIX веке не было промышленного производства этого газа. В больших количествах водород понадобился для синтеза аммиака. Потребовались миллионы кубометров водорода. Ведь для того чтобы получить 2 кубометра аммиака, необходим кубометр азота и три водорода:

В 1924 году у аммиака появился сильный конкурент по потреблению водорода. Это метиловый спирт — метанол — ценное сырье химической промышленности. Был внедрен в производство каталитический синтез спирта из окиси углерода и водорода:

Сейчас основным источником водорода служат водяной и коксовые газы, содержащие до 50–60 процентов водорода.

Немалое количество водорода идет на получение жидкого моторного топлива из угля. Уголь насыщают водородом, в технике этот процесс называется гидрированием. Он идет при большом давлении, высокой температуре и в присутствии железного или никелевого катализатора.

Большое значение имеет также гидрирование жиров. Жиры бывают животными и растительными. Сливочное масло вырабатывают из коровьего молока — это животный жир; подсолнечное — из семян подсолнечника — это жир растительный. Растительных жиров в мире производят почти в пять раз больше, чем животных, которые более питательны и вкусны. Животные жиры содержат большее количество водорода, чем растительные. «Нельзя ли добавить его в жиры растительные, чтобы повысить их калорийность?» — таким вопросом задались химики. Оказалось, можно. Для этого надо через жидкое растительное масло (подсолнечное, хлопковое, соевое, кунжутное), нагретое до 300 °C, пропустить водород. Причем на тонну масла необходимо 15 килограммов порошкообразного никеля — катализатора. По окончании реакции никель отделяют от масла фильтрованием через фильтрпресс. Получается твердый жир, из которого с небольшими добавками животного жира готовят маргарин — продукт, по калорийности мало уступающий сливочному маслу. Гидрированием растительных масел получают твердые жиры, пригодные для мыловарения.

Соединения водорода с элементами называются гидридами, а соединения водорода со щелочными и щелочноземельными металлами — солеобразными гидридами; они сходны по строению с галоидными солями. Эти гидриды очень активны: энергично реагируя с водой, они выделяют водород.

Интересны и по строению и свойствам летучие гидриды, особенно бороводороды (бораны) и кремневодороды (силаны).

По химическим свойствам бораны сходны с углеводородами. Бораны — отличное ракетное топливо: 1 килограмм пентаборана при сгорании выделяет больше тепла, чем 1 килограмм бензина (15 100 ккал/моль).

Третья обширная группа гидридов тяжелых металлов резко отличается от первых двух. Например, палладий в этой группе способен при комнатной температуре поглотить 850 объемов водорода. При этом металл еле заметно разбухает. Конечно, здесь нельзя говорить об образовании какого-либо определенного соединения. Железо растворяет водород в гораздо меньшей степени, но при высокой температуре оно поглощает довольно большое количество этого газа. При внедрении в производство синтеза аммиака инженерам доставила много неприятностей «водородная болезнь железа». При высокой температуре водород растворялся в стали, существенно снижая ее прочность.

Земная кора содержит 1 процент водорода по весу. Почти весь он находится в связанном состоянии — в воде и в органических соединениях: нефти, угле, растениях и т. д. В атмосфере — всего лишь пять стотысячных процента водорода.

Когда-то атмосфера Земли была восстановительной и содержала водорода во много раз больше. Появившийся в результате фотосинтеза растений кислород связал значительную часть водорода. С другой стороны, водород постоянно покидает земную атмосферу. Ведь это наилегчайщий газ, его молекулы наиболее подвижны. Он значительно быстрее других газов распространяется в пространстве.

Средняя скорость движения молекул водорода при комнатной температуре достигает 2 километров в секунду. Но в газе всегда есть молекулы, обладающие гораздо большей скоростью. Есть и движущиеся со скоростью 11,3 километра в секунду, достаточной для преодоления земного притяжения. Поэтому верхние, разреженные слои атмосферы постоянно теряют водород. Он улетает в космос. В космосе водород является преобладающим элементом. По современным подсчетам, часть вселенной, доступной наблюдению приборами, на 81 процент состоит из водорода, 18,7 процента из гелия и только 1 процент приходится на долю остальных 100 элементов таблицы Менделеева.

Радиоизлучение водорода — радиоизлучение вселенной. Нейтральные атомы газа, сталкиваясь между собой в межзвездном пространстве, излучают радиоволны длиною в 21 сантиметр. Это радиоизлучение повсеместно во вселенной, оно не поглощается космической пылью и доходит до самых отдаленных уголков Галактики. Оно позволяет узнать характер распределения водорода в Галактике, изучить движение межзвездного газа.

Радиолиния 21 сантиметр — основная и главная характеристика радиоизлучения вселенной; она открыта для изучения всем разумным существам. Надо думать, что наша планета не является исключением в бесконечной вселенной. Если мы предполагаем наличие мыслящих существ во вселенной, то и они по аналогии должны предполагать наше существование. Самый быстрый способ связи, известный нам, — это электромагнитные радиоволны. Наиболее разумная длина волны, данная нам природой, — 21 сантиметр.

Сейчас учеными разработана аппаратура для космической радиосвязи на волне 21 сантиметр. Уже начаты исследования двух близких к нашей системе звезд, похожих на Солнце, — тау Кита и эпсилон Эридана. До них 11 световых лет пути… И кто знает, может быть, к Земле на радиоволне 21 сантиметр летит сигнал, посланный жителями далеких миров тысячи лет назад?

В 1932 году из природного водорода выделили тяжелый изотоп — дейтерий. Его ядро состоит из протона и нейтрона. Оказалось, что в природном водороде на 5500 атомов протия (так был назван легкий водород ¹Н) приходится один атом дейтерия — D. Дейтерий в два раза тяжелее протия и довольно сильно отличается от него. Например, протий становится жидким при –259,2 °C, а дейтерий — при –254,6 °C. Это различие в константах служит основой для выделения дейтерия: перегонкой жидкого водорода получают остаток, содержащий до 50 процентов дейтерия. Электролизом воды также можно получить тяжелый изотоп: более легкий протий быстрее выделяется на катоде, в остатке концентрируется дейтерий.

В 1939 году получен искусственно другой изотоп водорода — тритий, в три раза более тяжелый, чем протий.

Вскоре тритий был обнаружен в природной воде и атмосфере, правда в ничтожных количествах. Это самый редкий газ на Земле; в воде его в 10¹⁸ раз меньше протия.

Атмосфера Земли и ее поверхность содержит всего 1,8 килограмма трития — меньше, чем радона.

В 1962 году итальянским ученым удалось получить очень неустойчивый изотоп — водород-четыре; совсем недавно появилось сообщение о синтезе водорода-пять.

Почти 90 процентов воды — это кислород, газ, с которым непосредственно связано существование всего живого на планете, вся история цивилизации, развитие науки и промышленности.

Борьба человечества на ранних стадиях развития за существование — борьба за огонь. Огонь — это горение, горение — потребление кислорода.

В 1774 году английский химик Пристли, нагревая окись ртути, обнаружил выделение неизвестного газа, в котором ярко загоралась тлеющая лучинка. В том же году была опубликована работа шведского аптекаря К. Шееле: в ней было описано получение того же самого газа из селитры, окиси ртути и сурика. И тот и другой придерживались теории флогистона: они назвали открытый газ «дефлогистированным», иначе — лишенным флогистона. По их мнению, открытый ими газ жадно отбирал флогистон у горящих тел; оттого-то в нем они и горели интенсивнее, чем в воздухе.

Когда об открытии Пристли узнал Лавуазье, он понял, что горение есть присоединение кислорода к горящему телу, а вовсе не выделение телом флогистона. Лавуазье в короткий срок создал антифлогистическую, кислородную теорию химии. Шееле и Пристли описали кислород; Лавуазье действительно открыл его для науки.

Уже Пристли заметил, что кислород необходим для дыхания. Лавуазье глубоко изучил процесс дыхания человека и пришел к выводу, что жизнь есть медленное… горение.

Спирт горит ярким пламенем, образуя углекислый газ, воду и тепло.

Человеческий организм, поглощая кислород, выделяет то же самое.

Вот состав воздуха вдыхаемого:

21 % O₂, 0,03 % CO₂, 78,97 % N₂,

а вот выдыхаемого:

16 % O₂, 5,03 % CO₂, 78,97 % N₂.

Проникая в организм, кислород соединяется в конечном счете с веществом тканей, образуя углекислый газ, воду и тепло, необходимое для существования самого организма.

Человеческий организм приспособился к существующему атмосферному давлению, а также к содержанию кислорода в воздухе. При общем давлении в 760 миллиметров кислород воздуха давит на поверхность Земли и, в частности, на живые организмы с силой около 160 миллиметров ртутного столба.

На вершине Эльбруса процентный состав воздуха тот же самый, что и у подножия горы, но давление почти в два раза меньше нормального, — на долю кислорода приходится всего лишь 80 миллиметров.

Альпинист, поднявшийся на вершину горы, резко чувствует уменьшение давления: кровь не успевает насыщаться кислородом. При восхождении на Эверест альпинисты имели при себе кислородные приборы, которые подают кислород в организм под нормальным давлением. Летчики широко пользуются этим прибором.

Впрочем, коренные жители высокогорных областей спокойно переносят разреженность атмосферы: их организм приспособился к условиям среды. Так, жители Перуанских Анд могут легко переносить грузы более 50 килограммов на высоте около 5 тысяч метров. Их сердце с большей силой гонит кровь в легкие, грудная клетка мощней, кровь снабжается кислородом интенсивнее, чем у жителей долины.

Иногда и в нормальных условиях необходима усиленная порция кислорода: особенно при сердечных и легочных заболеваниях. Ведь один глоток кислорода равнозначен пяти глоткам воздуха, и в тяжелых случаях это сберегает силы больного.

Состав атмосферы — точно такой же, каким он был 175 лет назад, когда Кэвендиш исследовал воздух различных местностей Англии. А ведь каждый год миллионы людей и животных поглощают кислород, сжигают миллионы тонн угля, нефти, дерева, связывая тот же самый кислород, а он не убывает. Почему?

Таким же вопросом задался Пристли в 1772 году. В природе все целесообразно, рассуждал он. Если воздух «портится» дыханием человека и животных, а также горением, кто-то его должен «исправлять». Он посадил под колокол мышь, и, когда та задохнулась, он поместил в тот же самый колокол веточку мяты. И что же? Через некоторое время другая мышь могла снова дышать под колоколом. Растение «исправило» воздух.

Так впервые было обнаружено явление фотосинтеза.

В основе фотосинтеза лежит реакция, в результате которой вода и углекислота под действием света и красящего вещества зеленого листа — хлорофилла — превращается в крахмал и кислород. Крахмал служит растению пищей, кислород оно выбрасывает за ненадобностью. Долгое время считали, что кислород получается из углекислого газа. Но доказать это положение или опровергнуть его ученые не могли, пока в их руках не оказался «меченый» кислород ¹⁸O. С его помощью было обнаружено, что весь кислород, выделяемый растениями, обязан своим происхождением воде.

Вся зеленая масса наземных водных растений выделяет в течение каждых 3 тысяч лет столько кислорода, сколько его содержится в земной атмосфере.

Дыхание — медленное горение. Если его ускорить, заменить обыкновенный воздух чистым кислородом, то живой организм довольно быстро «сгорит», попросту погибнет.

Но в технике «быстрое горение» очень важно. Увеличение скорости технологического процесса увеличивает выход продукции при том же самом оборудовании, за то же самое время. Возьмем, к примеру, металлургический завод, выпускающий ежегодно миллион тонн стали. В год такому заводу нужно свыше 3 миллиардов кубометров кислорода. Обычно это количество берется из воздуха вместе с 12 миллиардами кубометров азота, который забирает колоссальное количество тепла (металлургический процесс ведется при 1000 °C), а затем выбрасывается заводскими трубами «для подогрева атмосферы».

В последнее время азот воздуха частично или полностью заменяют кислородом, отчего возрастает скорость металлургического процесса, резко снижается расход топлива, упрощается оборудование, в стали уменьшается количество растворенного азота, а качество ее повышается весьма заметно.

Кислород не только помогает выплавлять сталь и цветные металлы; с его помощью можно резать и сплавлять самые тугоплавкие металлы.

Кислород очень активен химически; после фтора он самый активный элемент. Многие вещества, сгорая в атмосфере чистого кислорода, выделяют большое количество тепла. Так, водород и ацетилен, сгорая в кислороде, дают температуру в 3000 °C. На стройках часто можно видеть, как рабочий разрезает синевато-желтым пламенем горелки металлические трубы. Ацетиленово-кислородной горелкой можно и сплавлять металлы: для этого нужно уменьшить подачу кислорода в горелку. Образующееся пламя называют сварочным. Направленное на стык двух кусков металла, оно оплавляет их поверхности. При остывании куски соединяются в одно целое. Чтобы разрезать кусок металла, его надо раскалить сначала сварочным пламенем; затем подается на раскаленное место струя чистого кислорода. В ней металл сгорает и улетучивается.

Если бы удавалось сжигать уголь в очень короткое время, взрывать его, то мы получили бы сильнейшее взрывчатое вещество. Можно ли увеличить скорость сгорания угля во многие тысячи раз? Можно… но для этого нужно соответствующее количество кислорода; чтобы сжечь 1 килограмм угля, необходимо около 2 тысяч литров кислорода.

Нельзя ли сконцентрировать кислород? Можно, но для этого его надо превратить в жидкость. 800 литров газообразного кислорода дает 1 литр жидкого. Пропитаем жидким кислородом пористое горючее вещество, сажу, древесный уголь, угольную пыль, измельченный торф — получим так называемые оксиликвиты, взрывчатые вещества. Их взрывают при помощи детонирующего шнура, который поджигает капсюль-детонатор, вложенный в оксиликвит. Если оксиликвит не взорвался по каким-либо причинам, то его не надо ликвидировать; через некоторое время из патрона улетучивается весь кислород.

Оксиликвиты не перевозят, их готовят на месте: для этого нужен только жидкий кислород, а сухой торф, мох, камыш и солома найдутся всегда. Срок «жизни» оксиликвита колеблется от четверти часа до часа с небольшим, в зависимости от величины патронов.

Оксиликвиты дешевы: взрывные работы с их помощью обходятся в два раза дешевле, чем с аммоналом.

Вы, наверное, замечали, что в сосновом бору особый освежающий запах, как после хорошей грозы. И тот же самый запах, только гораздо более сильный, чувствуется во врачебном кабинете, где мерно гудят кварцевые лампы.

Это запах озона. Этот газ, его название образовано от греческого «пахну», — модификация кислорода: в его молекуле три атома кислорода, он в полтора раза тяжелее молекулярного кислорода.

В хвое деревьев всегда есть скипидар и другие смолистые вещества, которые, окисляясь, дают озон. Электрические разряды во время грозы превращают кислород воздуха в озон. Озон врачебного кабинета образуется за счет жесткого ультрафиолетового излучения, испускаемого парами ртути в кварцевой лампе.

Атмосфера содержит очень небольшое количество озона. Он находится в основном в ее верхних слоях. Условно считают, что весь озон атмосферы образует слой в 3 миллиметра на высоте 25–30 километров от поверхности Земли. Этот тонкий слой озона — «озоносфера» — защищает Землю от жестких ультрафиолетовых лучей, посылаемых Солнцем вместе с видимым светом.

Если бы озона не было, жизнь на Земле была бы уничтожена в короткий срок. Ведь отсутствие озоносферы равносильно беспрерывному облучению поверхности Земли мощными кварцевыми лампами.

Озоносфера обязана своему происхождению жестким ультрафиолетовым лучам, способным разбить молекулу кислорода на атомы: O₂ = О + О; О + O₂ = O₃. Менее мощные ультрафиолетовые лучи разрушают молекулу озона, поэтому на определенной высоте устанавливается равновесная концентрация озона. В технике озон получают действием тихого электрического разряда на кислород в озонаторах.

Озон уничтожает микробов; его добавляют в воду вместо хлора, им белят ткани, старят вино, придают приятный запах табаку.

Перекись водорода была признана за индивидуальное вещество в 1818 году. Французский химик Тенар назвал ее «окисленной водой».

H₂O₂ — вязкая жидкость без цвета и запаха, в полтора раза тяжелее воды. Она неустойчива и разлагается под действием многих металлов, различных ферментов и радиоактивного излучения. Разложение перекиси водорода под действием катализатора еще не изучено до конца. Это неустойчивое соединение можно найти в дождевой воде, и в снеге, в соках многих растений, и в табаке, и даже в человеческой слюне. Видимо, еще неизвестна большая часть веществ, замедляющих ее разложение. К ним относятся сероуглерод, стрихнин, фосфорная кислота и фосфат натрия.

Распадаясь, перекись выделяет активный атомарный кислород, поэтому она — сильный окислитель.

Во время второй мировой войны в Германии на аэродромы приходили поезда с алюминиевыми цистернами. Жидкость в цистернах называлась по-разному: инголин, тимол, компонент 1, нейтралин, оксилин. Во всех цистернах было одно: 90-процентная перекись водорода. Она служила окислителем в ракетах, которыми немцы обстреливали Лондон осенью 1944 года.

Сейчас химикам перекись водорода служит катализатором в синтезе пластмасс; строители с ее помощью готовят пористый бетон; врачи видят в ней отличное дезинфицирующее средство.

В 1927 году было обнаружено, что природный кислород состоит из трех изотопов ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O.

На 3 тысячи молекул природного кислорода приходится 1 молекула ¹⁷O и 6 молекул ¹⁸O. Они очень близки по свойствам, их молекулярные веса ненамного разнятся друг от друга. Если изотопы водорода отличаются довольно сильно по своим свойствам, их можно разделять перегонкой жидкого газа и электролизом воды, то изотопы кислорода — трудно. Их разделяют диффузией газов.

Различие в свойствах изотопов кислорода выражается в том, что их распределение между разными химическими соединениями может меняться с изменением температуры. Это свойство кислорода использует палеоклиматология — наука о климате далекого прошлого. Отношение ¹⁸O/¹⁶O в минерале зависит от температуры внешней среды во время образования минерала. Это отношение сохраняется в течение миллионов лет неизменным. И если известно время зарождения минерала, то вычислить температуру, при которой он образовался, легко.

Тяжелая вода — D₂O (окись дейтерия) — была открыта в обыкновенной в 1932 году.

Тяжелой воды в природе довольно много. Она тяжелее обычной и кипит при 101,4 °C. Этим пользуются для ее выделения: дробной перегонкой обогащают тяжелой водой обычную. Под действием электрического тока она разлагается в четыре — шесть раз медленнее, чем H₂O, следовательно, в остатке неразложившейся воды содержание тяжелой возрастает. Для получения тонны тяжелой воды надо разложить 40 тысяч тонн природной и потратить столько электроэнергии, сколько хватило бы для производства 3 тысяч тонн алюминия.

Тяжелая вода широко применяется в атомной энергетике: она отлично замедляет нейтроны — в пять раз лучше, чем графит.

В 1940 году во Франции под руководством Жолио-Кюри готовился к запуску первый атомный котел. Уже было приготовлено 180 литров тяжелой воды — почти весь мировой запас. Но вскоре началась война, немецкие войска вступили в Париж. Жолио-Кюри был вызван в гестапо. «Где спрятана тяжелая вода?» — был задан вопрос ученому. А в это время от французского берега к английскому шел пароход, на борту которого была тяжелая вода.

Немцам не удалось заполучить ее, так необходимую для запуска уранового реактора.

Кроме того, тяжелая вода является промышленным источником дейтерия.

Тяжелая вода оказывает услугу не только атомной энергетике, она позволила разрешить несколько важных биологических проблем. С ее помощью было установлено, что в человеческом организме среднее время пребывания молекулы воды составляет 14 суток, а у золотой рыбки — всего лишь 4 часа.

Мышам давали жир, содержащий дейтерий. Оказалось, что его запас у животных постоянно меняется: пищевой жир откладывается в запас, а расходуется уже отложенный.

В природе некоторые растения неравнодушны к тяжелой воде: они не пускают ее в свой организм. Так, шведские ученые обнаружили, что вода, в которой замачивался ячмень, содержит повышенное количество D₂O. Ячмень не впитывает молекулы тяжелой воды. Если по нескольку раз замачивать его в одной и той же воде, то содержание дейтерия возрастает в семь-десять раз.

Имеют ли практическое значение растения — концентраторы тяжелой воды? Имеют, вернее — будут иметь, ведь воды на Земле очень и очень много, а в ней содержится 40 биллиардов тонн дейтерия. Если, используя управляемую термоядерную реакцию, извлечь всю энергию, то ее можно получить гораздо больше, чем от всех разведанных природных залежей нефти, угля, торфа.