Значение воды в природе

Важнейшие или необходимейшие сведения о В. распределены в следующих отделах: I. Физические свойства, II. Химические отношения воды, III. В. в природе, IV. В. для питья, V. Дистиллированная, или перегнанная, В., VI. Применение воды для паровиков, VII. В. в крашении, VIII. Сточные воды, IX. Вода в почве, X. Геологическая роль В.

Физические свойства воды

В. относится к сравнительно небольшому числу веществ, весьма легко переходящих все состояния: твердое (лед), жидкое и газообразное (водяной пар); ее можно иметь при температурах от -10° (холода) до 0° Ц. даже единовременно во всех трех состояниях. Так, например, если некоторое количество воды ввести под колокол воздушного насоса и выкачивать воздух так, чтобы упругость оставшегося была ниже 4,57 млн. ртутного столба, то вода закипит, то есть образуется пар, и, расходуя теплоту для парообразования, охладится до 0°, так что превращается постепенно в лед. В парообразном состоянии вода может находиться при всяких температурах, но пары данной температуры при сдавливании переходят в жидкость, если упругость (или внешнее давление) их превзойдет известную меру, так что для парообразного состояния гранью служит эта наибольшая упругость, изменяющаяся с температурою. Так напр., при 100° Ц. наибольшая упругость водяных паров доходит до нормального давления атмосферы, или до 760 мм ртутного столба (считая ртуть при 0° и относя наблюдение к географ. широте в 45°). Если представить при давлении в 760 мм некоторое пространство наполненным парами В. при 100°, и, поддерживая эту температуру, станем увеличивать объем - пары будут расширяться подобно газу и не будут насыщать пространства (т. е. в то же пространство можно будет вмещать еще новое количество водяных паров), но давление будет уменьшаться по мере увеличения объема. Если же вместо разрежения станем сдавливать пары (все при 100°), то давление 760 мм возрастать не будет, а часть водяных паров перейдет в жидкое состояние. Таким образом, каждой температуре t (по Цельсию) отвечает свое наибольшее давление паров (h млн. ртути 0°), короче называемое просто упругостью паров (подразумевая - наибольшую возможную), а именно:

"Атмосферой", или нормальным давлением, принимается давление столба ртути в 760 мм при 0° и широте 45°; упругость паров воды Н, выраженная в атмосферах, и соответственные температуры суть:

Очевидно, что каждой данной упругости паров отвечает низшая возможная температура. Нагретые выше ее пары называются перегретыми; при низшей же температуре пары превращаются отчасти в жидкость. Перегретые пары значительного давления имеют большое применение в заводском деле, напр., при перегонке нефти (см. Вазелин, Смазочные масла и Перегретые пары).

Жидкою В. может оставаться при данной температуре только тогда, когда находится под давлением равным или большим вышеуказанной упругости ее паров; в пространстве, не насыщенном парами входит понятие о парциальном давлении, если имеется, как в воздухе, смесь различных газов и паров, но предмет этот рассматривается особо в статьях: Парциальное (частное) давление и Пары В. испаряется; если же пространство насытится парами, то часть В. остается в жидком виде, пока температура не достигнет "температуры абсолютного кипения" или "критической", ей свойственной, которая, по определению Дьюара (Dewar, 1884), лежит для воды около 370° (по данным 1891 г. Бателли: 364°,3). При этой температуре вода вся переходит в пар (см. Критическое состояние), следовательно, эту температуру должно считать высшею гранью жидкой воды. При охлаждении до 0°, как общеизвестно, вода переходит в твердое состояние, кристаллизуется в лед (см. это слово), но этот переход может замедляться при совершенном покое охлаждаемой воды, так что ее можно охлаждать даже до -10°, сохраняя в жидком виде. Такая переохлажденная вода от сотрясения и кусочка льда начинает давать твердые массы льда, но выделяющееся тепло повышает температуру остальной В., а потому часть ее, пока тепло не потеряется, остается в жидком виде и при образовании льда общая температура устанавливается 0°. Что касается до твердого состояния В., т. е. льда и снега (см. эти слова), то оно не существует при температурах выше 0°. Таким образом, как у жидкого, так и твердого вида В. есть абсолютные температурные пределы; только для парообразного состояния нет температурных пределов (лед сохнет или испаряется подобно воде жидкой даже при наинизших известных температурах), но зато есть предельные давления.

Перемена состояний В. обусловливается не только температурою, но и количеством тепла, потому что сопровождается или поглощением тепла, а именно при переходе твердого в жидкое и газообразное состояние и при переходе жидкости в пар, или же выделением тепла, если пар переходит в жидкость или эта последняя в твердое состояние (см. Плавление, Испарение). Определение Реньо и др. установили, что для перехода одной весовой части жидкой воды в пар (имеющий ту же t) при различных температурах расходуется различное количество теплоты, а именно: при 0° Ц. - 606 ед. тепла; при 50° Ц. 571 ед. тепла; при 100° Ц. - 534 ед. тепла; при 150° Ц. - 494 ед. тепла. Приближенно можно принимать до 200°, что при t° скрытое тепло испарения = 606-0,75 t. Это показывает, что расход тепла уменьшается с возвышением t и что можно ждать температуры, при которой он = 0. Этого и должно ждать при упомянутой выше температуре абсолютного кипения. При переходе льда в жидкость при 0° поглощается 80,0 ед. тепла (Бунзен), при -5° менее, а именно 76,7 (Петтерсон). Металлы (напр. Pb 5,8, Sn 13) и многие твердые тела поглощают, плавясь, обыкновенно менее тепла, чем В., а жидкости (напр. CS ₂ 90, Br₂ 51, CHCl₃ 70), испаряясь, поглощают менее тепла, чем В. находит объяснение в том, что В. из всех жидкостей представляет наименьший химический частичный вес, и тепло, испаряющее количества, пропорциональные частичным весам для всех веществ, хотя не одинаково в точности, но близко, так как произведение из скрытой теп. испарения на частичный вес есть величина мало изменяющаяся для хорошо исследованных веществ (см. Частицы). Это имеет большое значение как в природе, так и в технике. Так, напр., в природе превращение водяных паров в жидкость (роса, дождь и т. п.) сопровождается выделением столь значительного количества тепла, что оно препятствует быстрому охлаждению, и, обратно, испарение В. препятствует накаливанию, а потому умеряет климат, чему содействует большая теплоемкость (см. это слово) В. и ее малая теплопроводность. Теплоемкость жидкой воды при 0° принимается за 1, при 50° она = 1,039, при 100°= 1,063 (Эттинген), следовательно, остается значительною при всех температурах и большею, чем у других жидкостей (напр., спирт 0,55, эфир - 0,53, ртуть - 0,033). Теплоемкость паров воды гораздо меньше, а именно лишь = 0,37, даже теплоемкость льда менее, чем жидкой В., а именно = 0,46. Поэтому как жидкая нагретая вода, так особенно водяные пары могут скоплять (пары в виде скрытого тепла) в себе много тепла, а потому их употребляет как природа, так и техника для передачи тепла. Так, напр., нагревание жилищ, перегонных сосудов (напр., см. Винокурение), испаряемых растворов (см. Выпаривание) и т. п. во множестве случаев с наибольшими удобствами производится при содействии нагретой воды или пропускаемых водяных паров. На том же свойстве В. (равно как по легкости иметь ее всюду в распоряжении) основано и применение ее для установления постоянных температур 0° и 100° в термометрах, принимая за исход - температуры таяния льда (чистого, при норм. давлении) и кипение воды (при нормальном давлении, см. Термометрия). Те же термические свойства В. служат основанием для ее применения в паровых и др. термических машинах, где механическая работа, в сущности, производится на счет тепла, развиваемого топливом и В., образуя пар или охлаждаясь, служит только посредником или передает работу тепла из очага действующим механизмам, подобно передаточному ремню или валу (см. Теплота, как движение практических задач техники решается на основании приведенных выше термических свойств воды, напр., спрашивается: какую температуру будет иметь (не теряя тепла) В., если к килогр. ее при t° присоединяется ''M '' килогр. паров, имеющих температуру 100°. Примем для простоты расчета (как потребно в технике) сред. теплоемкость жидкой B. = 1 и, заметив, что после смешения получится ''N ''+ ''M '' воды, назовем искомую температуру через ''х. ''Очевидно, что M килогр. паров потеряют ''M'' (534+100-х) ед. тепла, а ''N '' [[кило В. приобретут N(x - t) ед. тепла и их разность = 0, откуда X+ ''N_t)''/(''M ''+ ''N'') То же получится иначе, если сочтем, что в M паров было от 0° ед. тепла M 634, а в N воды было М _t ед, тепла, в смеси же будет (M + N)x, и сумма двух первых равна последнему.]). Из других физических свойств В. остановимся здесь свойства В. напр., [[вязкость, теплопроводность, трение и т. п. рассматриваются в соответственных статьях Словаря] лишь на ее удельном весе (плотности), сжимаемости и сцеплении как на таких, которые явно находятся в связи с природными явлениями, техническими приложениями и вышеуказанною переменою состояний В. при нагревании.

Плотность В., или вес куб. меры ее, изменяется смотря по состоянию - жидкому, твердому и парообразному - и смотря по температуре. В прошлом столетии был (Делюк, Гильпин и др.) найден поразительный факт, что В. при температуре около 4° Ц. представляет наибольшую плотность, то есть данная масса ее при 4° занимает наименьший объем, или иными словами: жидкая В. от 0° при нагревании до 4° Ц. не расширяется, а сжимается и только после этой температуры с нагреванием увеличивает свой объем в отличие от всех почти других жидкостей, постоянно расширяющихся при нагревании. Точные определения изменений объема или плотности воды произведены затем многими исследователями. Особенно важны данные Галльштрёма (1823), Депре (1837), Пьерра (1847), Коппа (1847), Гагена (1855), Гирна (1867) и Росетти (1869). Обработкою сведений этого рода занимались вслед за Biot (1811) множество ученых, особенно же важны исследования Миллера (1856) в Англии, Франкенгейма (1852) в Германии и Макарова (1891) в России. Свод этих сведений дан Менделеевым в "Жур. Русс. физико-хим. общества" (1891 г.) и в "Philosophical Magazine" (1892); оказывается, что для жидкой воды все изменение плотности: от -10° Ц. (тогда вода переохлаждена) до +200° Ц. (в замкнутом пространстве, напр., в паровике) выражается формулою:

S_t = - 4)²+ t)(B - t)C

где S_t есть удельный вес жидкой воды (вес литра в килограммах) при температуре t (по Цельсию) при давлении в 1 атмосф., приняв плотность при 4° Ц. = 1; А = 94,1; В = 703,5 и С = 1,9.

Так как В. океанов и морей играет весьма важную роль в природе и сведения о ее расширении имеют большое значение в гидрографии, то приводим здесь результат, полученный адмир. Макаровым из всех доныне известных наблюдений, см. "Журнал Русс. физ.-химич. общества", 1891), над изменением плотности морской В. Удельные веса такой воды даны в отношении к чистой воде при 4° и притом: I - для морской воды, разжиженной пресною, и II - для морской воды обычной степени солености (как можно судит по величине уд. веса, см. далее III).

Руководясь этими данными и приведенными выше для расширения чистой воды, С. О. Макаров составил полные таблицы, изданные под названием: "Об измерении удельного веса морской воды", 1891 г. Для расширения обычной пресной воды можно довольствоваться числами, данными для чистой воды, но, однако, не должно забывать, что всякая В., содержащая что-либо в растворе, сильнее расширяется, чем чистая, и чем более веществ растворено в воде, тем ее расширение значительнее, как видно уже из приведенных данных для двух сортов морской воды.

В природе и при изучении влияния температуры на вещество изменения плотности и объема В. имеют весьма большое значение. В. водоемов охлаждается с поверхности от лучеиспускания, нагревается также с поверхности - от солнечной теплоты, слои же воды располагаются по относительной своей плотности. Пока В. нагрета до температур высших, чем 4° Ц., верхние слои будут теплейшими, как это и видим в нормальных условиях; но если охлаждение достигает до 4° Ц., то нижние слои будут теплее верхних, потому что при охлаждении плотность уменьшается. Следовательно, на поверхности В. достигается 0°, или температура замерзания, ранее, чем на дне водоема. Поэтому лед образуется в водоемах с поверхности, а не со дна или не с середины В., как и видим в природе (подробнее см. Лед в природе). Плавает лед по поверхности В. по той причине, что он еще легче, чем В. при 0°, а именно: при 0° куб. дециметр его весит 0,91674 килограмма (Бунзен). Воды соленые, напр., морская В., имеют также свою температуру наибольшей плотности, она, как и температура образования льда у такой В., лежит немного ниже, чем у чистой В. На дне океанов всюду, даже под экватором, хотя на различных глубинах, лежит слой такой тяжелейшей воды, притекающей от полюсов по дну, чем определяется уменьшение температуры В. в океанах по мере углубления (см. Океаны). Так как вес куб. меры, или уд. вес, В. изменяется как с температурою, так и с соленостью или содержанием растворенных веществ и так как соседние воды разной плотности, т. е. разной солености и температуры, смешиваются (диффундируют друг в друга) лишь медленно, то от этого зависит распределение воды разной плотности (внизу более холодной или более соленой, а сверху более теплой или менее соленой) на разных глубинах морей и океанов и те течения в океанах и морях, которые Мори живо описал, как реки среди океанов (напр., Голфстрём, несущий из тропиков теплую воду к западным берегам Европы). Этими течениями, идущими как по поверхности, так и по дну (а иногда и в середине толщи В., как показал, напр., не раз Макаров) воды разных плотностей стремятся достичь до устойчивого равновесия, а потому, напр., от полюсов по дну океана текут потоки холодной и тяжелой воды, а по поверхности океанов морские течения теплой воды от тропиков в средние широты. Прилив пресной воды, неравномерность глубины, ветры, очертания берегов и др. обстоятельства сильно влияют на направление этих путей. Адм. Макаров, исследовав многие подобные течения (начиная с того, которым Черное море меняет свои воды со Средиземным и кончая многими течениями Тихого океана, см. Океаны) в морях, океанах и их проливах, установил и ту разность высот различных морей, которая происходит от этой разности плотностей В. различных морей, хотя бы и сообщающихся друг с другом. Так, напр., уровни Черного, Балтийского и Бискайского моря не вполне одинаковы. Отсюда уже видно, что данные для плотности В. играют важную роль в учениях, касающихся равновесий и движений воды на земле.

Так как вода, замерзая, сильно расширяется (100 об. В. при 0° дают 109 об. льда), то при замерзании В., попавшей в трещины дерев или камней или налитой в сосуд (даже в кадь, если замерзание идет сверху), они лопаются, так как сжимаемость В. (см. далее) и льда очень малы и крепость стенок сосудов не выдерживает такого давления, которое отвечает получающемуся расширению. Но и помимо наибольшей плотности изменение веса куб. меры В. при нагревании представляет много примечательного, потому что глубоко отличает В. от всех других жидкостей. Все они изменяют свой уд. вес почти равномерно с возрастанием температуры, так что приращение ее на 1° уменьшает их уд. вес при разных температурах почти на одинаковую величину, как видно в прилагаемой таблице, где даны стотысячные доли изменения уд. веса при 4-х температурах:

Для В. величина изменений сравнительно мала; для нее одной величины (производной ds/dt) чрезвычайно быстро изменяются с температурою и не перестают возрастать даже при перегревании до +200°, как видно из 3-го столбца таблицы уд. веса В.

В других свойствах В. замечается также много своеобразных особенностей по сравнению со свойствами иных жидкостей, так что В. в физическом смысле обладает совокупностью таких признаков, которые ее выделяют из круга прочих жидкостей, как выделяется она и по ее общему распределению и по роли в природе. Но, превращаясь в пар, она, как всякие жидкости, способные переходить в пар, дает вещество, обладающее общею совокупностью признаков, свойственных газам и парам (см. эти сл.), так что и объем паров В. и его изменение с давлением, температурою и составом подчиняются совокупности трех законов, управляющих газообразным состоянием вещества (законы Бойля-Мариотта, Шарля-Гей-Люссака и Авогадро-Жерара, см. Частицы). Так, по закону Авогадро-Жерара вследствие того, что частица В. есть H ₂ O (см. далее II), плотность ее паров вдали от насыщения и диссоциации близка к ¹⁸/₂ (где 18 есть частичный вес воды Н ₂ О, а 2 общий делитель) или к 9 по отношению к водороду. А так как водород в 14,4 раза легче воздуха, то разочтенная по составу плотность водяных паров относительно к воздуху близка к ⁹/₁₄, или к 0,625. А так как куб. метр воздуха весит (см. Воздух) 1,293 килогр. при 0° и 760 мм, то для куб. метра водяного в тех же условиях вычисляется вес 0,808 килогр., а при давлении h мм и температуре t вес куб. метра паров в килограммах вычисляется:

[1]x + t)

Этот расчет дает числа совершенно близкие (как и для всех др. газов и паров) к наблюдаемым, если пар далек от насыщения, то есть перегрет (газы и суть перегретые пары); но (как для других паров) если пар насыщает пространство, то наблюдаемые числа более вычисляемых, напр., для давления h = 760 мм и t = 100° (след., пар насыщен) вычисляется вес куб. метра 0,592, а наблюдается 0,606. Для насыщенного пара принимают (Цейнер и др.) вес куб. метра равным:

0,6061 p 0,9393 килограммов,

где p есть давление, выраженное в атмосферах. В прилагаемой табл. даны веса куб. метра насыщенного пара В. в килогр. при различных температурах.

А так как куб. метр воды (см. ранее) при 0° весит 999,8, при 100° - 958,6 и при 200° - 863,5 килогр., то, превращаясь в пар, В. увеличивает свой объем при 0° с лишком в 200000 раз, при 100° в 1580 раз, а при 200° в 122 раза, то есть с повышением t расширение при переходе в насыщенный пар уменьшается очень быстро, что вновь указывает на то, что должна быть такая высокая температура (абсолютного кипения), при которой переход жидкой В. в насыщенный пар не будет сопровождаться переменою объема. К тому же заключению о существовании предельной (критической) температуры для жидкой В. приводят и сведения об уменьшении сцепления жидкой В. с возвышением температуры. Сцепление жидкостей измеряется (сверх данных для уд. веса) поднятием их в капиллярных (волосных) трубках (см. Волосность). В трубке, которой радиус равен 1 млн. при 0°, В. поднимается на высоту 15,3 мм, при 50° на 13,9 мм, при 100° на 12,5 мм или вообще при t° Ц. поднятие приблизительно равно 15,3 - 0,028 t млн. Следовательно, должно ждать некоторой возвышенной температуры, при которой поднятия, а, следовательно, и сцепления жидких частиц не будет (=0). Но жидкость, потерявшая сцепление (способность давать капли), ничем не отличается от газа или пара, что и должно быть при температуре абсолютного кипения как на границе жидкого состояния, характеризующегося сцеплением, отсутствующим в газах и парах поднятие, след., и сцепление других жидкостей менее, чем В. (см. Волосность, [[Капиллярность).]. Другое коренное отличие парообразного состояния от жидкого состоит в том, что пары, как газы, сильно (в пределе, по закону Бойля-Мариотта, в действительности же всегда с отступлениями от него, см. Сжимаемость) сжимаются от давления, жидкости же малосжимаемы. По совокупности вышеизложенных понятий следует ждать, что вода по мере нагревания, приближаясь к температуре абсолютного кипения, будет сжиматься все сильнее и сильнее, то есть ее коэффициент сжимаемости μ будет возрастать. Но из наблюдений Грасси, Вертгейма, Реньо и др. можно было думать, что это ожидание не оправдывается, потому что их опыты, произведенные от 0° до 40° Ц., показывают уменьшение сжимаемости В. Однако Пальяни и Вицентини (1883) показали, что это уменьшение μ идет только до 60°, а затем начинается ожидаемое возрастание сжимаемости, так что ныне сжимаемость В. на одну атмосферу должно выразить следующим рядом цифр:

и должно полагать, что с возвышением температуры выше 100° сжимаемость начинает быстро возрастать (см. таблицу уд. веса В. 4-й столбец).

Д. Менделеев.

Химические отношения воды

а) Состав В. Кавендиш показал, что водородный газ, сгорая, дает В. Лавуазье получил ее, пропустив водород (см. это сл.) через накаленную окись железа. Отстранив всякие флогистонные понятия того времени (их защищал Кавендиш), Лавуазье признал В. сложным телом, состоящим только из водорода и кислорода, что составляет основу современных понятий о В. Если в эвдиометр (см. это сл. и Газовый анализ) ввести объем кислорода и вдвое больший объем водорода (оба они упругие газы), а потом через эту смесь (т. е. гремучий газ, см. это сл.) пропустить электрическую искру, то происходит взрыв (см. Взрывчатые вещества) и образуется вода. Если при этом температура низка и давление значительно (как обыкновенные), то В. сжижается, дает капли, занимающие ничтожно малый объем стотысячный доли сравнительно с начальным объемом гремучего газа. Таким путем можно, вводя все необходимые поправки (на давление и температуру, на сухость газов, на объем измерительных сосудов и проч.), узнать, что в состав В. входит ровно (в пределе возможных погрешностей опыта) 2 объема водорода и 1 объем кислорода. Если тот же опыт произвести под малым давлением и при температуре выше 100° (напр., в приборе, окруженном парами жидкостей, кипящих выше 100°, как амиловый спирт, анилин и т. п.), чтобы образующаяся вода осталась в состоянии перегретого пара (см. I), то окажется, что 2 объема водорода + 1 объем кислорода дают 2 объема водяных паров (если объемы все измерены при одной и той же t и том же h, т. е. давлении). Это выражается кратко и на общенародном химическом языке частичною формулою (см. Частицы) воды: H ₂ O и уравнением ее образования: 2H ₂+O₂=2H₂ O. Для понимания этой химической грамоты необходимо ознакомиться с азбучными и грамматическими, если можно так выразиться, понятиями химии, которые излагаются в руководствах к этой науке и отчасти в статьях Словаря: химия, номенклатура химии, формулы химии, частицы и т. п.; необходимость же такого своеобразного выражения, какое применяется в современной химии, явствует уже из того, что она сложилась недавно (со времен Лавуазье, т. е. с конца XVIII века), нашла такие новые понятия и отношения, каких в древности, когда слагались языки, вовсе не было и, открывая всем доступ к своим новооткрытым сокровищам знания, должна, как каждый из нас, заботиться о точности, ясности и простоте своих выражений, потому что это экономирует время и облегчает получение сведений. Зная, что водород в 16 раз легче кислорода, из указанного объемного состава В. тотчас выводится ее весовой состав, а именно: на 1 весовую часть водорода в В. 8 весов. частей кислорода, или на 2 части водорода 16 частей кислорода, как это и выражается через Н ₂ О, потому что знак H отвечает 1 вес. части водорода, а знак О - 16-ти вес. частям кислорода (см. Вес атомов). Но так как измерение значительных объемов газов и определение их относительного веса сопряжены с некоторыми неизбежными погрешностями, то для установления истинного состава В. произведено множество исследований и притом разнообразнейшими способами, входить в специальное описание которых здесь неуместно. Достаточно в виде примера указать на способ Дюлонга, примененный Дюма и многими другими. Берется окись меди, и сосуд с нею взвешивается и накаливается, через него пропускается сухой водород (не взвешивается); образуется водяной пар (он улетает и далее собирается) и металлическая медь (она нелетуча при температуре образования воды), а происходящую В. собирают в охлаждаемом (и предварительно взвешенном) сосуде и в трубках (также предварительно взвешенных), содержащих серную кислоту и фосфорный ангидрид, которые поглощают последние следы водяного пара, образовавшиеся на счет водородного газа и кислорода окиси меди (CuО + Н ₂ = Cu + Н ₂ О). Таким образом, убыль в весе сосуда с окисью меди (CuО) дает вес кислорода, а прибыль веса сосудов, сгущающих воду, дает вес В., а потому состав воды определяется с точностью, если приняты все предосторожности для получения точного взвешивания (напр., сделана поправка на взвешивание в воздухе, устранена всякая посторонняя влажность, водород взят действительно чистый, равно как и CuО, и т. п.). Наиболее точные современные определения показывают, что на 16 весовых частей кислорода в ней не более 2,014 и не менее (Rayleigh) 2,006 (Keiser) водорода, или на 2 весовые части водорода от 15,89 до 15,95. Множество трудностей, встречающихся при точных определениях этого рода, делают и поныне указанные предельные числа довольно значительно различными. В связи с прежними довольно точными определениями Дюма еще и поныне можно, как признавалось прежде, принимать, что в воде на 2 ч. водорода содержится 15,96 кислорода.

Чтобы видеть отношение В. к составляющим ее газам, весьма важно знать, что они, образуя В., выделяют много тепла, т. е. теряют много своей энергии или, как часто говорят, скрытое в них тепло или часть свойственного им движения (см. Газы, Вещество). Оттого, между прочим, В., происходя из газов, сама в обычных условиях жидка, и от той же причины в В. совершенно исчезает множество выдающихся химических свойств (напр., свойство поддерживать горение) кислорода, хотя он составляет ⁸/₉ по весу В. В статье "термохимия" будут указаны в общих чертах приемы, применяемые для определения тепла, отделяющегося при ходе химических реакций, а, следовательно, и при горении водорода, когда он дает воду. Здесь же мы только приведем полученное число, выражающее количество тепла, развиваемого при образовании В., когда горит одна весовая часть водорода и, следовательно, образуется 9 вес. ч. В. Будет ли гореть водород в чистом кислороде или в воздухе, хотя температуры будут разные (при горении в воздухе часть тепла пойдет на нагревание азота воздуха, а при горении в кислороде - если его количество достаточно для полного сгорания, но не излишне, - все тепло пойдет для нагревания В.), - отделится одно и то же количество тепла. Если же образование В. идет на счет водорода или кислорода соединенного, напр., как в предшествующем опыте на счет CuО, или если происходящая вода остается в парообразном состоянии (не охладится до начальной температуры газов или не отдаст скрытой своей теплоты) и т. п., тогда количество тепла, выделяющегося при горении водорода, будет меньшим, чем в обычных условиях опыта, при которых образующаяся В. принимает в калориметре (см. это сл.) ту же температуру, какая была свойственна взятому водороду и служащему для сожигания кислороду. Определения, сделанные многими наблюдателями (особенно же Фавром и Зильберманом во Франции и Томсеном в Дании), указывают на то, что при горении 1-й весов. ч. водорода развивается 34500 ед. тепла (или малых калорий, означаемых через с; это = 34,5 "больших" калорий, что означается 34,5 С. в отличие от обыкновенных, или "малых", калорий) и показывают, что при образовании частичного количества воды Н ₂ О, весящего 18 весовых единиц, выделяется 69 С., т. е. 2 грамма водородного газа с 16-ю (точнее, 15,94) граммами кислорода развивают, образуя В., столько тепла, что 69 килограммов воды при 0° нагреваются на 1° Ц. Это основное термохимическое число имеет значение не только для понимания химических отношений В., но и прямо в практике, потому что В. образуется при горении всех обычных видов горючих материалов (см. это сл.), содержащих водород (см. Водяной газ), и служит для расчета той нагревательной способности, которая им свойственна. Но, пользуясь этим числом, должно иметь в виду, что В. предполагается в жидком виде, чего нет при сожигании горючих материалов (вода в виде паров уходит с дымом), а потому из 69 С. должно вычесть скрытое тепло (см. 1) испарения, чтобы знать теплоту, развиваемую при образовании 18 гр. В. Принимая это скрытое тепло = 500 на 1 весов. ч. воды, получим на 18 гр. 9000 с или 9 С.; следовательно, при образовании 18 гр. Н ₂ О, если В. остается парообразною, можно принять, что развивается 60 С.

б) Разложение В. Два вида воздействия на сложные вещества служат основными способами для разложения: нагревание и действие гальванического тока, и оба они в известных обстоятельствах разлагают В. на водород и кислород. Совершенно чистая В. почти не проводит тока ни как проводники (наприм. металлы), ни как электролит (проводники второго рода), но от малейшего количества многих растворимых в В. веществ, напр., солей, кислот и щелочей, В. приобретает электролитические свойства (см. Гальванопроводность) и тогда разлагается на кислород и водород, которые появляются - первый (кислород) на аноде (сообщающемся с углем, медью, платиной гальван. элемента или гальв. батареи), или положительном электроде, и второй (водород) на катоде (отрицательном электроде, сообщ. с Zn). Обыкновенно берется вода, подкисленная серною кислотою. Не входя в рассмотрение механизма этого (в сущности оч. сложного) способа разложения, заметим только, что при нем явно затрачивается энергия тока, что объясняется тем теплом, которое выделяется при образовании В. из газов и которое, очевидно, должно вновь поглотиться В. при ее переходе в газообразные составные свои части. Количество образующегося при разложении В. гремучего газа обыкновенно служит (см. Вольтаметр) для измерения напряженности тока и (зная данные выше термохимические сведения относительно образования В.) дает возможность судить в каждом случае непосредственно о мере электрической энергии по теплотной, потом и о механической, наиболее доступной непосредственному ощущению.

Высокая температура также может служить для разложения В., хотя при пропускании ее паров через накаленную трубку получают только обратно воду, что служило долгое время для утверждения неразлагаемости В. при накаливании. Но дело в том, что если при накаливании произойдет из В. гремучий газ (т. е. если В. разложится), то он при охлаждении дает обратно В., так как гремучий газ образует В. уже начиная от температур, близких Мейер в [[1892 году установил, что медленно протекающий через стеклянные трубки гремучий газ при обыкновенном давлении дает воду (и взрывает) при температурах, лежащих между 606° (температура кипения хлористого олова) и 730° (темпер. кип. хлористого цинка) Цельсия.] к 600° (и даже ниже, смотря по веществу сосуда, см. Контактные реакции), а потому, если водяной пар при накаливании дает гремучий газ, его уже после охлаждения не будет, и, следовательно, убеждение в том, что накаливание разлагает воду, может составиться лишь тогда, когда можно будет отделить водород от кислорода при этой высокой температуре. Хотя Грове уже показал (при помощи капель расплавленной платины, падающей в воду, при чем происходит гремучий газ вследствие быстроты остывания) разлагаемость воды при накаливании, но только Генр. Сен-Клер-Девилль в 1850-х гг. убедил всех в этом, указав способ разделить (хотя и не вполне) при высокой температуре водород от кислорода на основании того, что водород в 4 раза быстрее, чем кислород, проникает через тонкие отверстия стенок накаленной пористой глиняной трубки. Не останавливаясь над описанием практических приемов, для сего примененных и опытные подробности, сюда относящиеся, см. статьи: Горение и Диссоциация важнее всего обратить здесь внимание на то, что не только при температурах, достигаемых в печах, но даже и при гораздо высших (напр., при температурах горения взрывчатых веществ) В. не вполне и только лишь отчасти разлагается накаливанием, а это указывает, что при возвышенных температурах есть условие как для соединения, так и для разложения В., т. е. между водородом, кислородом и водою тогда наступает подвижное химическое равновесие такого рода, что частицы В. разлагаются, но в то же время и вновь образуются, так что для каждой температуры в каждый момент происходит столько же частиц В., сколько их разлагается. Явления этого рода носят название диссоциации и рассматриваются особо (см. Диссоциация). Здесь же мы укажем лишь на то, что в пламени водорода или гремучего газа получаются температуры диссоциации, а от этого зависит то, что внутри пламени нет полного соединения, часть составных начал не соединена и лишь при переходе к наружным, более холодным частям пламени постепенно все частицы гремучего газа дают В., от чего зависит и самое образование пламени как места, в котором совершается постепенное соединение газообразных веществ с отделением тепла и постепенным охлаждением до температур низших, чем те, при которых совершается диссоциация.

Многие другие виды разложения В. (напр., металлами и хлором) должны быть относимы к случаям замещений, которые мы рассматриваем вслед за сим. Но здесь же необходимо указать на то, что сама В. является как продукт разложения множества веществ, а именно или тех, которые образуются из нее и других веществ (см. далее - соединения воды, г), или содержат водород и кислород, которые при разложении таких веществ дают воду, как вещество прочное и очень легко происходящее. Так, напр., все органические вещества (см. это слово), содержащие кислород и водород, не выдерживают накаливания и подвергаются при нем так называемой "сухой перегонке" (см. это слово, Дерево, Животный уголь), при чем всегда дают В. Так, она составляет главную массу продуктов сухой перегонки дерева. Взрывчатые вещества (см. это слово), содержащие водород и кислород, также всегда дают В., и она вообще составляет очень обыкновенный продукт химического разложения множества веществ, что и служило одним из поводов считать ее в прежнее время "простым" телом, образующим ряд других веществ и в них содержащимся. Ныне, когда известна та громадная сила, которая должна быть затрачена на разложение самой В., такое явление становится удобопонятным и находящимся в полном согласии со сложностью В. К тому же разряду явлений должно отнести громадный класс химических превращений, когда через посредство веществ, способных отнимать воду, многие тела разлагаются, отделяя воду и образуя новые вещества, не содержащие элементов В. Так, напр., спирт С ₂ Н ₆ О, теряя при действии крепкой серной кислоты В., дает этилен С ₂ Н ₄, а в других условиях и концентрациях - эфир: С ₄ Н ₁₀ О=2С ₂ Н ₆ О-Н ₂ О.

в) Замещение В. Если водяной пар пропустить через накаленное железо (то же производит цинк и многие другие металлы, а также уголь, сера и т. п., см., напр., Водяной газ), положенное в трубку (или иной сосуд), то образуется кислородное соединение железа (Fе ₃ О ₄ - окалина) и водород. Здесь взято 2 вещества (железо и вода) и происходит 2 (водород и железн. окалина), а потому проще всего подобные явления рассматривать, как замену водорода воды металлом: кислород был в соединении с водородом, а остается в соединении с металлом. Но можно (на что есть и некоторые основания, особенно после открытия диссоциации) рассматривать подобные случаи как двойные разложения, предполагая, что В. сперва разлагается (тепло при сем поглощается), но освобождающийся кислород сжигает металл (тепло при сем развивается, и в результате получается термохимическая разность количеств тепла), водород же остается, как говорят, свободным, т. е. ни с чем не соединенным. Если подобное разложение идет при температурах низших, чем диссоциационная, то удобоприложимее лишь первое понятие (о замещении); если же при высших (как для железа), то и второе. Некоторые металлы, напр., калий и натрий, реагируют на воду при обыкновенной температуре, другие только при накаливании или при содействии третьих веществ (подробнее о том см. Водород), а некоторые вовсе не выделяют из В. водорода, напр., медь, ртуть, серебро, золото и платина. Различие это зависит от того, что называют "сродством" (см. это слово) или химическим сродством. Это понимается так: кислород имеет определенное стремление к соединению, или сродство (отчасти выражающееся мерою отделяемого при соединении тепла, см. Термохимия), с водородом и с данным металлом; если первое менее второго, то вода разлагается, если же наоборот, то разложения нет. Одно из очевидных следствий такого предположения состоит в том, что во втором случае (когда металл не разлагает воду и его сродство к кислороду менее, чем к водороду) водород должен отнимать кислород от металлических окислов металлов, не разлагающих воду, - совершенно оправдывается. Действительно, водород, пропущенный через накаленную окись меди (см. выше, а), дает воду и, следовательно, вытесняет металл. Но между железом и водородом по отношению к кислороду существует конкуренция: избыток водорода вытесняет железо (см. Восстановление) из его окиси, и избыток железа вытесняет водород из В., или окиси водорода, так что, накаливая смесь водорода и железа с количеством кислорода, недостаточным для соединения с обоими ими, получим распределение кислорода между Fe и Н. Это случай наиболее общий и входящий в разряд тех явлений химических равновесий, которые выступил в новой химии на первый план, после того как утвердилось понятие о диссоциации (см. это сл.).

Как металлы способны вытеснять из В. водород и им вытесняться из своих кислородных соединений, так хлор способен вытеснять кислород В. и им вытесняться, потому что имеет большое сродство к водороду (см. Галоиды, Хлор). Вода, насыщенная хлорным газом, при действии прямого солнечного света (см. Фотохимия) прямо дает кислород, хлор же образует хлористый водород, хотя не до конца (опять случай равновесия и распределения). Бром действует слабее, а йод вовсе так не действует, но фтор очень легко вытесняет кислород воды, как натрий - водород.

Сама В. является как целое в виде продуктов реакций замещения чрезвычайно часто во множестве случаев, т. е. два тела А и Б, реагируя друг на друга, дают новое тело С и H ₂ О, причем по самому составу часто совершенно очевидно, что кислород, иногда с частью водорода, берется от одного реагирующего вещества А, а водород от В.; напр., азотная кислота HNO ₃ с бензолом С ₆ Н ₆ дает нитробензол C ₆H₅NO₃ и воду, или спирт С ₂ Н ₆ О с хлористым водородом НСl дает хлористый этил С ₂ Н ₅ Сl и воду Н ₂ О. Очевидно, что случай этот близок к тому, который выше рассмотрен (б) как образование В. при распадениях.

Но и В. способна изменять многие другие целые частицы тел, потому что действует своими элементами и как целое сама имеет свои сродства, ясно видимые в способности В. к соединениям (см. далее, г). Так, например, хлористый магний при накаливании с В. дает хлористый водород, образуя окись магния:

MgCl₂ + Н ₂ О = MgO + 2НСl.

Так, при действии В. на азотно-висмутовую соль (см. Висмут) даже при обыкновенной температуре вытесняется азотная кислота, и на ее место вступают элементы воды.

г) Соединения В. Хотя при образовании В. из водорода и кислорода выделяется много тепла, или скрытой (химической) энергии, простых газов, но и в самой В. заключается значительный ее запас, влекущий В. во многие соединения и выделяющийся в виде тепла, при сем случае образующегося, ибо нет основания полагать, что оно все происходит из запаса, содержащегося в веществе, соединяющемся с В. Так, окись натрия Na ₂ O (опыт H. H. Бекетова), присоединяя частицу (18 вес. единиц) воды Н ₂ О и образуя едкий натр 2NaHO, выделяет 35 ¹/₂ С., то есть более половины того количества тепла, которое освобождается при образовании Н ₂ О. Окиси бария и кальция (известь) и безводные кислоты (ангидриды кислот), соединяясь с В., также выделяют много тепла. Одна из таких реакций общеизвестна в практике под именем гашения извести (см. это слово) и состоит в прямом соединении СаО с Н ₂ О, при чем образуется водная, или гашеная, или едкая известь СаН ₂ О ₂. Такие виды соединений В. носят общее название гидратов и рассматриваются под этим словом. Сила, удерживающая В. в гидратах, весьма различна в разных случаях, что проявляется не только в количестве выделяемого тепла, но и в степени прочности. Так, едкий барит ВаН ₂ О ₂ при накаливании В. не выделяет, а едкая известь СаН ₂ О ₂ очень легко, гидраты глинозема, кремнезема и т. п. того легче, хотя (Карнелли) и не сразу, а лишь последовательно. Гидратация в различной мере свойственна массе разнообразнейших веществ, и при ослаблении меры притяжения получаются многие разнообразные виды и случаи подобных соединений с В. Особо примечательны при этом, сверх вышеупомянутых, четыре случая: 1) кристаллические гидраты солей, или кристаллогидраты, которые ближе рассматриваются под этим словом; 2) студенистые гидраты, рассматриваемые в статьях коллоиды и гидрогели; 3) растворы (см. это сл.), или неопределенные жидкие соединения веществ с В., представляющие малую прочность и всевозможные переходы к физико-механическому явлению равномерного смешения с водою, которые проявляются в эмульсиях (см. это слово), и 4) гигроскопичность, или поверхностное поглощение В., рассматриваемое под этим словом. В этих случаях присоединения воды видны всевозможные и последовательные переходы от прочных определенных химических соединений, или гидратов, подобных едкому бариту, к простому испарению В. или распределению ее в воздухе и других газах (см. Диффузия), и этот постепенный переход от физико-механических притяжений к тем, которые вызываются химическими силами, встречаясь при опытном изучении вещества на каждом шагу, служит одним из важных результатов естествознания, заставляющим смотреть на вещество (см. это слово) как на скопление индивидуальностей (так называемых атомов простых тел, или элементарных атомов и частиц), изменчивые свойства и формы которых указывают на неизменную сущность вещества, доныне постигнутую в виде химических элементов. д) Физиологическая роль В. Всякому известна чрезвычайная зависимость всей жизнедеятельности как животных, так и растений от В. - без нее смерть. Возможность жизни со всею ее эволюциею обусловливается не только присутствием В. и ее содержанием в организмах, но и ее постоянным возобновлением, происходящим или через принятие В. внутрь, или через осмотическое проникновение ее сквозь наружные покровы внутрь клеток (см. Осмос), что становится необходимым прежде всего потому, что поверхность тела испаряет воду, а извержения, напр., моча, уносят ее из тела, и еще потому, что весь обмен и рост частей тела организмов происходит не иначе, как при помощи веществ, переходящих в раствор, и в этом-то растворенном (в воде) виде совершается усвоение всяких веществ телом организмов. Для такой цели существуют в организмах своеобразные выделения, напр., в нашем теле: слюна, поджелудочный сок и т. п., переводящие нерастворимые (в воде) питательные вещества в растворимые (напр., белковые вещества в пептоны, крахмал в декстрин и глюкозы и т. п.), в растворенной форме поглощенное вещество переходит в систему сосудов, по которым раствор (как, напр., кровь в теле людей) разносится по телу, и здесь растворимое вещество часто опять переходит в нерастворимую форму частей тела и совершаются всякие превращения (напр., окисление при дыхании, образование мочевины и проч.), результатом которых являются пагубные (ядовитые, напр., птомаины, см. это слово) организму вещества, выносимые из тела опять не иначе, как при содействии избытка извергаемой воды. Таким образом, В. всюду необходима, во всех действующих органах и в каждой живущей клеточке. Если внутренность дерева, масса костей, волоса, раковины (см. эти сл.) и т. п. содержат менее В., чем остальные части тела, то это связано с тем, что эти части или не живут сами по себе, или живут лишь на счет проникающих их растворов, напр., кости на счет крови, сосуды с которой в них проникают, или дерево на счет камбиального слоя, очень богатого В. Поэтому полная зависимость органической жизни от В. находит свое объяснение в ходе превращений, в них происходящих и состоящих в тех или иных формах передвижения вещества. Для этого передвижения при замкнутости органических индивидуумов, очевидно, необходима жидкая В., чем уясняется прекращение жизнедеятельности при превращении В. организмов в лед, хотя и при низших внешних температурах жизнь теплокровных, как известно, продолжается. Сверх того, необходимо обратить внимание на то, что усвояемость веществ организмами обусловливается всегда великим избытком В. или, иначе сказать, слабостью растворов. Питательная для растений смесь растворимых солей (К, Са, Mg, Fe и SO ₄, Cl, NO₃ и PO ₄) только тогда служит для вызова нормальных явлений и полной зрелости, когда растворы очень слабы (менее десятых процента), крепкие же растворы тех самых питательных начал - убивают растения, что в известной форме повторяется и над животными. Это зависит от соотношения между внешним и внутренним раствором организмов и показывает вновь, что В. своим избытком вполне необходима для жизни. То же показывают исследования состава целых организмов и отдельных их частей, находящихся в периоде жизнедеятельности. В 100,0 килограмм. потеря (пот, извержения и т. п.) воды у человека достигает 2-3 клгр., или около 3%веса взрослых людей содержится не менее 70,0 килогр. воды, у детей гораздо более, до 90,0 килогр.; в крови более 80,0 килог. Приводим в % весовое содержание В. в некоторых свежих растениях и их частях: картофельные клубни 75%, свекла 88%, огурцы 95%, кочанная капуста 85%, шпинат 88% и т. д.

Д. Менделеев.

См.также

• "Элементы": Новости науки: Продолжается изучение структуры водыТонкий эксперимент однозначно доказал, что кластеры воды обладают большими электрическими дипольными моментами. Попутно выяснилось, что отдельные кластеры не замерзают даже при минус 150 градусах Цельсия. Структура воды становится еще более интересной, чем считалось ранее.

В статье использованы материалы из Большого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона.