Глава 1. Вода
Вода. Начало
Все мы прекрасно знаем, как нам кажется, что такое вода. В далекие времена воде уже придавалось огромное значение.
Около 585 г. до р.Х. греческий ученый Фалес из Милета считал воду основным началом всего мира — его основным элементом. Это мнение ученого точно соответствовало греческой мифологии, в которой Океан выступает как прародитель всех богов, и именно из воды произошел весь окружающий нас мир. Кстати, современная теория происхождения жизни на Земле также считает, что жизнь зародилась в мировом океане — т.е. эта теория недалеко ушла от греческих мифов и от Фалеса из Милета.
В 450 г. до р.Х. греческий философ Эмпедокл из Акрагоса считал основой мироздания наличие четырех вечных элементов — огня, воздуха, воды и земли, непрерывное превращение которых происходит под действием любви (притяжения) и ненависти (отталкивания). Элементы Эмпедокла не могли исчезнуть в никуда и появиться из ниоткуда, и его мысли нашли свое продолжение во многих современных законах химии и физики.
Около 335 г. до р.Х. греческий философ Аристотель из Стагиры дополнил систему четырех элементов Фалеса — своим пятым элементом — «квинт эссенцией» — эфиром, который пронизывает четыре других элемента. И в таком виде теория мироздания, понемногу модернизируясь, просуществовала достаточно долго — на рис.1 показана космология английского алхимика Роберта Фладда (1574—1637) — система химических элементов из 11 позиций, где вода (water) занимает второе место. При этом Фладд, не включил в свою систему «пятый элемент» Аристотеля — эфир.
Рис 1.
Первый этап научного изучения, 17—18 век
Начиная с 1650-годов мистическая и «волшебная» наука «алхимия» постепенно отходит в сторону и уступает дорогу «химии» — классической науке. Принято считать, что все ученые, работавшие в этой отрасли знания с 300-го по 1600 год, в одночасье из алхимиков стали химиками. И здесь требуется лингвистическое пояснение. Греческий термин «χημεια» — «химия», который, возможно, означает «искусство приготовления соков», был позаимствован в 6-м веке арабами, которые образовали согласно своей грамматике слово в виде «al-kimyia» — «алхимия». Следовательно, алхимия это прямой грамматический родственник слов алгебра, алкоголь и т. п. Но последние 350 лет существуют два химических направления — названное греческим словом химия, которое обозначает дисциплину, имеющую строго научную основу, и названное арабским словом алхимия — которое обозначает учение в какой-то степени мистическое и «волшебное».
Первый документально зафиксированный биологический эксперимент с водой был проведен в 30-е годы 17-го века голландским естествоиспытателем Ван Гельмонтом (1580—1644). Ван Гельмонт в течение 5-ти лет выращивал иву [96], проводя точные замеры весовых характеристик дерева, почвы и поливальной воды. По завершению опыта ван Гельмонт обнаружил, что ива за 5 лет прибавила в весе на 74 кг (164 фунта), а земля, в которую ива была высажена, убавилась в весе лишь на 57 г. (2 унции). Это привело ван Гельмонта к выводу, что существуют всего два элемента — вода и воздух. А третий элемент — вещественный — включающий растения, деревья, и т.д., и даже землю, образуется в основном из воды. Не признавал ван Гельмонт и элемент «огонь», хотя вполне ясно, что ива, выращенная в темном помещении, будет существенно отличаться от ивы, выращенной ван Гельмонтом на солнечном свете. Пренебрег в своем опыте ван Гельмонт и газовым обменом растения, в данном случае ивы, что тем более удивительно, тем, что именно ван Гельмонт первым обозначил группу летучих химических веществ термином «газ», от греческого слова «χάος», а до ван Гельмонта применялся термин «αέρας» — воздух.
Химики с 1600 г. занимались многими вопросами в области научных химических опытов со многими веществами, но изучение воды, как основного элемента всей природы, целенаправленно проводили мало. Отметим основные достижения.
В 1665 г. голландский механик Христиан Гюйгенс (1629—1695) предлагает, как основные точки для термометра, точки плавления льда и кипения воды.
В 1667 г. Гюйгенс показывает, что вода при замерзании расширяется со значительной силой, в опыте он разрывает железную трубку силой замерзающей воды.
В 1674 г. французский физик Дени Папен (1674—1713) наблюдает зависимость температуры кипения воды от давления и устанавливает факт, что при более низком давлении вода закипает при более низкой температуре. Он же в 1681 г. проводит опыт на котле с предохранительным клапаном, и устанавливает повышение температуры закипания воды с увеличением давления в закрытом котле.
В 1704 г. английский физик Исаак Ньютон (1642—1727) изучал цвет чистой воды и определил его как зеленый.
В 1755 г. швейцарский ученый Жан Андре Делюк (1727—1817) впервые наблюдает, что для того, чтобы расплавить лед, недостаточно нагреть его до температуры плавления, т.е. до 0+10С, а требуется некоторое дополнительное количество теплоты, чтобы вода сменила свое агрегатное состояние. Он же в 1772 г. обнаружил, что вода имеет максимальную плотность не при температуре замерзания в 00С, а при +40С.
1766—1783 гг. оказались этапными в изучении химии воды. Последовательно химики получили водород, кислород, а затем разложили на эти газы (тогда их называли и эластичными жидкостями) воду. Для описания этих и последующих работ будем применять принятые в химии обозначения.
В 1766 г. английский физик Генри Кавендиш (1731—1810) описывает открытый им газ, который он назвал «легковоспламеняющимся воздухом» — это был водород. Водород Н2 выделялся при действии разбавленной серной H2SO4 или соляной HCl кислоты на металлы, в частности на железо Fe, цинк Zn. Возможна такая реакция:
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
В 1770 г. французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794), исследуя предполагаемое ван Гельмонтом превращение воды в землю, приходит к заключению, что суммарный вес замкнутого стеклянного сосуда и долго кипевшей в нем воды (100 дней) остается неизменным, а земля (осадок) образуется из стекла сосуда. Для опыта Лавуазье применил дождевую воду, которую очистил восьмикратной перегонкой — дистилляцией.
В 1771 (или в 1772) г. английский химик Джозеф Пристли (1733—1804) получил кислород O2 путем нагрева селитры КNO3. Его опыт соответствует такой реакции:
2К
