02.05.2001 Почему вода мокрая? Почему небо синее?

Сегодня мы познакомим вас с книгой, вышедшей в мюнхенском издательстве «Пипер» и переведённой на немецкий язык с английского. Написал её профессор химии Питтсбургского университета Роберт Эль Вольке. Не пугайтесь: в книге этой нет ни одной формулы, а главное – она предназначена вовсе не для высоколобых учёных. Совсем наоборот. Профессор Вольке отвечает в этой книге на вопросы, которые мы обычно называем детскими: «Почему небо синее? Почему вода мокрая?» И так далее. Подзаголовок книги звучит так: «Умные ответы на будничные вопросы». А называется она «Откуда мыло знает, что такое грязь?»

Ну, действительно. Ещё древние римляне владели рецептом изготовления мыла из гашеной извести, смешанной с древесными углями. Сегодня мыло изготовляется из животных жиров, различных масел (пальмового, хлопкового, оливкового и так далее) и щёлочей. То есть органические вещества (жирные кислоты) соединяются с неорганическими (щелочами). Уникальность мыла (и других «родственных» моющих средств) как раз и состоит в том, что его органическая составляющая очень любит всякие жирные пятна, а неорганической дай только раствориться в воде. Поэтому мыло и смывает грязь. Ведь грязь держится на нашей коже или одежде, так сказать, с помощью жиров и масел. Кстати говоря, если вы на упаковках шампуня, зубной пасты или, скажем, крема для бритья прочтёте названия следующих химических соединений: натрийстеарат, натрийолеат, натрийпальминат, натрийкоконат, – не пугайтесь. Всё это – всего лишь химические обозначения мыла.

Но мыло смывает не всё. Какие–то пятна приходится убирать с помощью пятновыводителей. Можно использовать также бензин. Или спирт (что, впрочем, жалко). Или отдать вещи в чистку. Кстати говоря, почему часто употребляют выражение «сухая» чистка? Порошком, что ли, наши вещи там посыпают?

«Нет», – отвечает профессор Вольке. Методика здесь такова: грязные вещи помещают в огромный барабан (наподобие барабана стиральной машины), заполненный жидкостью под названием тетрахлорэтилен. Это органический растворитель, превосходно справляющийся с жирными и масляными пятнами. Ну а «сухой» химическую чистку, наверное, называют потому, что здесь не используется вода.
О воде мы сегодня много будем говорить. С ней особенно тесно связана вся наша повседневная жизнь. И понятно, что «будничные вопросы», на которые даёт ответы книга Роберта Эль Вольке, часто касаются именно воды. Это не обязательно «детские» вопросы типа «Почему вода мокрая?» Но, кстати, действительно: почему?

Вода – самая распространённая жидкость на нашей планете. Это вообще наиболее часто встречающееся на Земле химическое соединение. Без воды не может жить ни одно живое существо. Даже кровь в наших жилах течёт только потому, что её делает текучей вода. Главная особенность воды (если говорить о её биохимических свойствах) состоит в том, что эта уникальная жидкость покрывает весь температурный диапазон, в котором существует жизнь. Однако всё это ещё не даёт ответа на вопрос: почему вода мокрая? То есть, почему остаётся на коже, когда мы выходим из моря после купания, и на одежде, когда попадаем под дождь? Ответ, который даёт профессор Вольке, кажется диким: вода остаётся на нашей коже и одежде, потому что мы ей нравимся. Может быть, это и звучит, мягко говоря, не слишком научно, но самое интересное, что именно так и есть: молекулы воды не держались бы на поверхности нашей кожи так крепко, если бы их не притягивали наши протеины и углеводы. Не менее крепко «любит» вода целлюлозу в дереве, хлопок… Для них вода – тоже «мокрая». Но не для воска, например. Окуните стеариновую свечку в стакан с водой, и вы убедитесь в том, что вода не всегда бывает «мокрой».

Кстати, в книге профессора Вольке очень много таких простейших практических примеров, своеобразных домашних экспериментов, которые может провести каждый. Автор книги «Откуда мыло знает, что такое грязь?» часто помещает их в специальных разделах, которые называются примерно так: «Поспорим?» Поспорим, например, что стальная игла не тонет в воде? Надо налить воду в миску и медленно, осторожно (лучше с помощью двух спичек) положить на её поверхность иголку. Поверхностное натяжение не даст ей утонуть. Или ещё: поспорим, что в одной чашке воды можно растворить две чашки сахара? Попробуйте сами. Насыпьте сахар в кастрюлю, поставьте на маленький огонь и медленно добавляйте воду, постепенно перемешивая её. Вы убедитесь в том, что профессор прав. Всё объясняется очень просто: молекулы сахара занимают свободные пространства между молекулами воды и поэтому дополнительного места не требует.

Но особенно важную роль в книге профессора Вольке играют не эти «искусственные», если можно так выразиться, эксперименты, а каждодневные, будничные вещи, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Ну, например. Утром я включаю воду, долго кручу краны туда–сюда, чтобы вода была не слишком холодной и не слишком горячей, но только успеваю встать под душ – и вода становится холоднее. Я просто сатанею от этого. Правда, вам ведь тоже это знакомо?

Ничего удивительного. В каждом кране есть резиновая прокладка. Как только вы включаете горячую воду, прокладка в смесителе нагревается и от этого расширяется. Следовательно, пространство внутри крана, через которое течёт горячая вода, сужается. Поэтому, встав под душ, вы чувствуете, как вода становится холоднее. Разумеется, речь идёт о каких–то долях градуса, но мы и к столь малым колебаниям очень чувствительны. Ведь чувствуем же мы, когда у нас поднимается температура с 36,6 до 37 градусов.

Между прочим, с этой проблемой похолодания душа можно бороться. И даже несколькими способами. Ну, например, заменить обычную резиновую прокладку на специальную полимерную, с меньшим коэффициентом теплового расширения. Или открыть кран горячей воды чуть побольше, чем вы обычно это делаете. Или включить горячую воду и подождать, пока температура устоится. Или, наконец, мыться холодной водой.

В школе нас учили, да так крепко, что, забыв многое, этого мы не забыли: вода кипит при температуре сто градусов. «Минуточку!» – говорит профессор Вольке. А почему в таком случае в Киеве или в Москве на то, чтобы сварить яйцо вкрутую, уходит меньше времени, чем, например, в Тбилиси или в Ереване? Там что, куры несут другие яйца?

Нет, конечно. Дело в воде. «Московское» яйцо кипит при температуре более высокой, чем яйцо «ереванское», следовательно, оно и варится быстрее. А происходит это потому, что Москва (или Киев) расположены практически на уровне моря, а Ереван и Тбилиси – в горах. Разница высот составляет более двух тысяч метров. Плотность атмосферы в горах меньше. Это значит, что молекулам кипящей воды легче оторваться от поверхности. Им нужно меньше энергии (то есть тепла), чтобы прорваться на поверхность в виде пузырей и затем в виде пара раствориться в воздухе. Поэтому чем больше высота, тем ниже точка кипения воды. В Ереване она составляет не сто градусов Цельсия, а всего лишь 93. В такой более холодной воде, как бы она ни бурлила, кипя, яйцо варится, естественно, дольше.

Кстати говоря, на вершине самый высокой на Земле горы, Эвереста в Гималаях (это почти девять тысяч метров), точка кипения воды составляет всего лишь семьдесят градусов. Так что если вы будете покорять Эверест и, поднявшись на его вершину, решите сварить себе яйцо на привале, имейте в виду, что оно будет готово очень нескоро.

Между прочим, раз мы уж заговорили о варёных яйцах, то ещё один «детский» вопрос: почему, когда варишь яйцо, оно становится твёрже, а когда варишь картошку, она становится мягче? Нелогично. «Совершенно логично», – возражает в своей книге профессор Роберт Эль Вольке. Объясняется этот феномен тем, что белки становятся при нагревании твёрже, а углеводы – мягче. В яйце содержание белков и жиров примерно одинаковое, а углеводов ничтожно мало. В белке яйца, естественно, преобладают белки, а в желтке – жиры. Поэтому, кстати, желток даже сваренного вкрутую яйца никогда не бывает таким же твёрдым, как и белок.

Что же касается картофеля, то в нём содержится очень много углеводов. Один из самых твёрдых и прочных – целлюлоза. Это главная составная часть оболочки растительных клеток. Именно благодаря ей хрустят на зубах капустная кочерыжка и морковь. Однако при нагревании целлюлоза легко растворяется в воде и вышеозначенные овощи (в том числе и картошка) быстро становятся мягкими. Вот вам, кстати, и объяснение того, почему картошка в золе печётся дольше, чем варится в кастрюле: потому что без воды. А без воды, как говорится, и не туды, и не сюды…

Всё, хватит о воде. Поговорим лучше об огне. Вопрос на засыпку: почему газ у нас на кухне горит голубоватым пламенем, а свеча – жёлтым? Профессор Роберт Эль Вольке объясняет: всё дело в том, сколько кислорода участвует в процессе горения. Когда горит свеча, парафин испаряется, но не полностью, не на сто процентов. Он распадается, и мельчайшие частички углерода, образовавшиеся при этом, раскаляются в воздухе над пламенем и светятся жёлтым цветом. Примерно то же самое происходит и тогда, когда горят, например, бумага или лесной костёр. Что касается газа, то здесь ничего не надо превращать в пар, поэтому «топливо» лучше перемешивается с кислородом, содержащимся в воздухе, и сгорает практически полностью. Пламя здесь намного горячее, чем в случае со свечой или бумагой. И частичек углерода в нём намного меньше. Поэтому и цвет не жёлтый, а голубоватый.

А почему небо – синее? Ведь там, вроде, ничего не горит.

Тоже из-за мельчайших частичек в воздухе: пылинок и свободно парящих отдельных молекул. Они намного меньше, чем длины волн видимых нами цветов спектра и рассеивают свет. Подобные частички слишком малы, чтобы отражать падающее на них световое излучение (как отражает его, например, наша рука или поверхность стола). Когда световая волна натыкается на такую крошечную частичку, она лишь несколько изменяет своё направление. Самые короткие волны – на «синем» краю видимого светового спектра, поэтому именно они отклоняются сильнее, рассеиваясь в разные стороны. Смотря на небо, мы видим одновременно все цвета солнечного спектра, но синий или голубой падают на нас, так сказать, со всех сторон, поэтому мы воспринимает их больше, чем другие цвета. По той же причине, кстати говоря, и дым сигареты кажется голубым.

Книга Роберта Эль Вольке «Откуда мыло знает, что такое грязь?» построена так. «Детские» вопросы собраны в главки по месту их возникновения и задавания. Эти главки так и называются: «На кухне», «В ресторане», «Под открытым небом». Вот, например, один вопрос, заданный под открытым небом. У меня зимой бывает такое ощущение, что когда начинает идти снег, особенно густой, становится теплее. Абсурд какой–то…

Никакого абсурда. Когда начинает идти снег, действительно становится теплее. И здесь объяснение почти элементарно. Чтобы растопить большое количество снега или льда, необходимо тепло. И естественно, что когда происходит прямо противоположное, (то есть большое количество воды замерзает, становясь снегом и льдом), значительное количество тепла высвобождается. Когда один грамм воды превращается в один грамм снега (он размером с большую бусину или с вишенку), высвобождается 80 калорий тепла. А сколько таких «граммов» падает на вас с неба, когда начинается снегопад?! Вот поэтому–то и становится теплее.