Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Физик ушел с самодовольным видом, помахав небрежно рукой на прощание. Химик задумался. Но нельзя же признать себя побежденным! Проще всего посмотреть, как будут в действительности вести себя такие шарики, а уж потом можно подобрать этому объяснение. Задумано – сделано. Химику не составило большого труда надуть два шарика нужными газами (вместо дорогого гелия он вполне мог взять и водород, с которым эффект должен проявиться еще ярче) и в конце рабочего дня привязать их соответствующим образом в своей машине. Чтобы не отвлекаться, находясь за рулем, он посадил в машину в качестве наблюдателя своего внука. То, что произошло во время разгона и резкого торможения, не дало автору заснуть ночью до тех пор, пока он не нашел наблюдавшемуся явлению удовлетворительного объяснения. После чего решил обязательно спросить своего коллегу о механизме работы сифона (на молекулярном уровне!), а также почему ученые решили, что молекула воды имеет формулу Н2О. Дело в том, что редко кто может достаточно четко объяснить и то и другое! Тем более если заранее не известно, что водород и кислород состоят из двухатомных молекул. Над этим вопросом в XIX в. химики ломали головы десятки лет, и со времен Дальтона довольно долго формулу воды записывали как НО.

Что же показал эксперимент с шариками в автомобиле? Оказалось, что шарики в обоих случаях отклоняются в противоположных направлениях! Объяснить это можно так. При разгоне и торможении автомобиль движется с ускорением, и это ускорение эквивалентно гравитации, только повернутой на 90°. Значит, и шарики с тяжелым и легким газом будут вести себя так же, как в комнате, т. е. двигаться в разные стороны. Действительно, когда машина трогается с места, воздух из-за инерции уплотняется у задней стенки, а при торможении – у передней (конечно, все окна в автомобиле должны быть при этом закрыты). Поэтому при разгоне легкий шарик движется вперед, а тяжелый – назад. При торможении же шарик с гелием отклоняется назад, а с углекислым газом – вперед. А вот смог ли физик ответить на вопросы о сифоне и формуле воды?

В популярных статьях и даже в некоторых учебниках говорится, что стекло – это та же жидкость, только переохлажденная и потому очень вязкая. В таком случае стекло должно медленно течь, особенно под нагрузкой, – примерно как кусок твердого с виду вара. Если к такому куску приложить большое кратковременное усилие, например стукнуть молотком, он разлетится на куски – как это видно на фотографии. Но если его оставить на длительное время, то через несколько месяцев (или лет – в зависимости от температуры) он превратится в плоскую лепешку. Процесс значительно ускорится, если на кусок вара положить кирпич. Зависимость от температуры вязкости подобных смолообразных веществ (в СИ вязкость изменяется в единицах паскаль на секунду) была измерена еще в 1914 г. итальянским физиком Альфредо Покеттино. Для образца, с которым он работал, вязкость составила примерно 109 Па · с при 10 °C, а при 30 °С она снизилась более чем в тысячу раз.

Красивый эксперимент, демонстрирующий течение очень вязкой жидкости, был поставлен в 1927 г. Томасом Парнеллом, профессором физики в университете австралийского штата Квисленд (город Брисбен). Он поместил (вернее, налил) в стеклянную воронку с запаянным кончиком разогретый кусок вара и оставил его там на три года. За это время смола равномерно заполнила всю нижнюю часть воронки, включая носик. В 1930 г. Парнелл вскрыл кончик воронки. Эксперимент начался! И как свидетельствует Книга рекордов Гиннесса, это самый длительный в истории эксперимент.

Через 8 лет, в декабре 1938 г., из воронки в стоящий под ней стаканчик упала первая капля. Примерно столько же времени пришлось ждать падения второй капли – это произошло в феврале 1947 г. В сентябре 1948 г. Парнелл скончался, но его дело было продолжено. Третья капля упала быстрее – в апреле 1954 г. Четвертая – опять через 8 лет, в мае 1962 г. Пятая – в августе 1970 г., шестая – в апреле 1979-го, седьмая – в июле 1988-го… На фотографии, сделанной вскоре после падения шестой капли, видно, что должно пройти еще много времени, прежде чем упавшая капля растечется по поверхности смолы в стакане.

Впоследствии воронку со штативом поместили под стеклянный колпак. Удивительно, что никто не видел, как капля падает – это всегда происходит неожиданно, нередко ночью. Пытались установить в помещении веб-камеру, но когда в конце ноября 2000 г. падала восьмая капля, камера именно в нужный момент отказала! Более длительное время, потребовавшееся для падения последней капли (свыше 12 лет), объясняется тем, что в лекционной аудитории, в фойе которой расположена воронка, был установлен большой кондиционер (в Австралии жарко: Брисбен находится на широте, соответствующей Кувейту в Северном полушарии). Понижение температуры заметно увеличило вязкость смолы.

Поставленный Парнеллом эксперимент позволил оценить вязкость смолы; результаты были опубликованы в 1984 г. в Европейском физическом журнале. Трудности при расчетах были связаны с тем, что вязкость очень сильно зависит от температуры, которая изменяется от месяца к месяцу. Так, самой холодной июльской зимой среднесуточная температура опускалась до 9,0 °C, тогда как жарким январским летом она повышалась 29,8 °С. Конечно, внутри помещения колебания температуры были не такими большими. В среднем оценка вязкости смолы дала значение 2,3 · 108 Па · с. Для сравнения: вязкость воды при комнатной температуре составляет 1,0 ·10–3 Па · с, глицерина – 1,48 Па · с, а при 0 °С повышается до 1,2 · 104 Па · с, вязкость очень густой смазки – до 5 ·103 Па · с. Интересно, что, по оценкам, вязкость земного шара составляет порядка 1020 Па · с.

Итак, эксперимент наглядно продемонстрировал, что смола действительно является очень вязкой жидкостью. А что со стеклом? Старинные стекла в церквях, которым много сотен лет, и правда нередко имеют с краю утолщение. Этот факт иногда считают доказательством очень медленного течения стекла под действием собственного веса. Однако специалисты по консервации старинных стекол отрицают сам факт их «натекания» на нижнюю раму, т. е. утолщение стекла именно в нижней части. А один из реставраторов даже заявил, что, вынимая из переплетов средневековые стекла, он видел сотни случаев, когда стекло было толще именно в верхней части! Поэтому нельзя считать достоверным и такое объяснение: в старину стекла изготовляли неровными, и при установке удобнее было располагать их более толстым концом вниз.

Существует еще более убедительный аргумент: если бы оконное стекло обнаруживало признаки течения на протяжении нескольких столетий, то можно себе представить, что было бы с вулканическим стеклом – обсидианом, пролежавшим порой миллионы лет! Оно бы просто протекло через трещины в горных породах или образовало нечто наподобие плоских лепешек. Однако такого никогда не наблюдается. По составу же (от 66 до 77 % SiO2) вулканическое стекло не сильно отличается от старинного (50–75 % SiO2), поэтому и вязкость их должна быть одного порядка. Астрономы, работающие с телескопами-рефлекторами, возраст которых превышает 100 лет, также не замечали деформации стеклянных зеркал. А ведь малейшее искажение формы зеркала привело бы телескоп в негодность.

А что изменится, если к стеклу приложить большую нагрузку? Будет ли оно в таком случае течь, пусть даже очень медленно? Такие опыты были проведены еще в 1920-х гг. Р. Дж. Рэлеем и К. Д. Спенсером. Они подвешивали за концы длинную стеклянную трубку или палочку, а в центре размещали груз. Эти опыты дали отрицательный результат – даже через много лет стеклянный стержень после снятия нагрузки практически оставался таким же, каким был в начале эксперимента. В начале 1950-х гг. в опытах с очень высоким давлением было показано, что под нагрузкой происходит не вязкое течение стекла (как у вара или густой смолы), а его неэластичная деформация в результате медленной диффузии ионов натрия, которых в стекле много. Аналогичные явления наблюдались и в поверхностных слоях быстро охлажденного стекла, которые находятся под сильным механическим напряжением.