Химия и Химики № 5 2016. Кипение воды при комнатной температуре (в вакууме). Boiling of water at room temperature (in vacuum)

Кипение воды происходит тогда, когда давление ее насыщенных паров становится равным внешнему атмосферному давлению [1]. Атмосферное давление непостоянно: даже на одной отметке над уровнем моря оно может меняться (помните, изменение погоды?) Но еще больше давление меняется с высотой: с высотой давление атмосферного воздуха падает, соответственно, уменьшается и температура кипения воды. Если на уровне моря вода кипит при 100°С, то на высоте 4 км - 87°С, а на высоте 6 км - уже при 80°С. Это явление хорошо известно альпинистам, причем чтобы увидеть разницу им совсем не обязательно носить с собой термометр. Альпинисты заметили, что на большой высоте плохо заваривается чай, поскольку температура кипящей воды уже недостаточна для быстрой экстракции веществ из чайного листа. Аналогично приготовление пищи высоко в горах требует значительно больше времени, чем на уровне моря.

Если подняться еще выше - в верхние слои атмосферы, а затем - в космическое пространство, давление упадет почти до нуля, соответственно, температура кипения воды упадет сначала до комнатной температуры, а потом - до нуля по Цельсию. При нуле градусов вода замерзнет и кипение прекратится. Лед тоже сублимируется (испаряется), но это уже другое явление.

К счастью, чтобы увидеть кипение воды при комнатной температуре, лететь в космос не обязательно: описанные явления легко воспроизвести в лаборатории. Лучше всего, если есть вакуумный насос и вакуумный колокол: это позволит провести простой, красивый и наглядный опыт. Если всего этого под рукой нет - не беда: можно обойтись самыми простыми средствами. В статье описано два варианта опыта, первый из которых (кипение воды в шприце) приведен ниже, второй (кипение воды в колбе) - в следующей части статьи.

Кипение воды при комнатной температуре: медицинский шприц
Boiling of water at room temperature: medical syringe

Для опыта нам понадобится медицинский шприц, игла, резиновая пробка и немного воды, вместо иглы и пробки подойдет резиновая трубка с зажимом.

Лучше взять стеклянный шприц - у него прозрачные, бесцветные стенки. Можно использовать и прозрачный пластиковый шприц: пластик шприца хуже пропускает свет, чем стекло, но он вполне позволяет наблюдать за происходящим внутри. Кроме того, в случае чего одноразовый пластиковый шприц не так жалко, как многоразовый стеклянный. Стеклянные шприцы уже практически стали раритетом.

Главное требование к шприцу - чтобы поршень был герметичным. Иначе опыт не получится.

Ниже показан эксперимент в одноразовом шприце на 50 мл. В принципе подойдет любой другой шприц: и больший, и меньший. Если шприц слишком маленький - в нем будет мало воды, за кипением которой вы будете наблюдать, а чем больше (шире) шприц, тем труднее будет выдвигать его поршень, преодолевая силу атмосферного давления (впрочем, проблема не в том, чтобы выдвинуть поршень, а в том, чтобы его удержать нужное время).

Для начала наберем в шприц воду. Лучше использовать свежую воду из-под крана, т.к. в ней достаточно растворенного воздуха: мелкие пузырьки газа облегчают кипение (они становятся затравками для образования пузырьков пара). Я набирал от 10 до 20 мл воды (шприц на 50 мл). Оптимальное количество воды вы можете подобрать самостоятельно. Если воды слишком много, это ограничивает возможность выдвигать поршень наружу (т.е. создать разрежение), если воды слишком мало - не за чем будет смотреть.

Итак, шприц наполнен. Возьмем его носиком вверх и выдавим из шприца весь воздух. Если пузырьки пристанут к стенкам, заставьте их подняться с помощью постукивания по стенкам. Теперь нужно загерметизировать носик шприца. Я использовал два способа:

1. надел на носик шприца силиконовую трубку и, после того, как выдавил из шприца воздух, пережал трубку зажимом Мора;

2. надел на шприц иглу, и после выдавливания из шприца воздуха, нанизал на иглу резиновую пробку.

Первый вариант надежнее, второй - проще, но пробка может слететь или игла может сломаться (все-таки она одноразовая). Если вы не снимаете опыт на видео, то носик шприца можно заткнуть пальцем.

Дальше, держа шприц вертикально, я поместил поршень внутрь лапки штатива, которая была зажата не до конца (так что поршень мог свободно двигаться, а бортики шприца упирались снизу в лапку штатива).

Придерживая шприц, стал двигать поршень вниз (т.е. выдвигать его из шприца). Первоначально шприц был заполнен водой доверху, но когда поршень стал опускаться, в шприце возникло разрежение, в результате над водой образовалась "пустота". Опустил поршень вниз - до упора (осторожно - следите, чтобы поршень не слетел или не пропустил внутрь шприца воздух).

Вода в шприце закипела! Иногда в первые мгновения кипение было настолько бурным, что диаметр пузырька пара (который образовался снизу) был сопоставим с диаметром шприца. Иногда кипение протекало спокойнее: в жидкости образовывались пузырьки пара, которые медленно поднимались. Так - постепенно и размеренно - проходило кипение воды. Кипение воды при комнатной температуре!

Много пузырьков образовывалось в месте, где поршень соприкасается с корпусом шприца. Может возникнуть впечатление, что внутрь шприца попадает воздух. Какое же это кипение?! Но это не так. Отпустим поршень, чтобы он поднялся вверх. В результате разреженное газовое пространство над водой схлопнется: над поршнем останется только вода. Может остаться небольшой пузырек воздуха, но не более. Более того, если шприц будет негерметичным - в конце опыта над водой останется воздух (после того, как вы поднимете поршень), зато кипение будет вялым или не будет наблюдаться вовсе. Это не удивительно: ведь разрежение слабое.

Опыт можно повторять много раз. Для большей эффектности желательно после нескольких циклов декомпрессии поменять в шприце воду на свежую воду из-под крана (с растворенным в ней воздухом).

Попробовал использовать вместо воды спирт (ректификат), оказалось, что шприц стал пропускать воздух (между корпусом и резиновым поршнем). По-видимому, дело в том, что спирт менее вязкий и действует на резину поршня. Заменил пластиковый шприц на стеклянный (со стеклянным поршнем). В нем спирт кипел: но не так эффектно, как вода. По-видимому, дело в том, что в воде есть растворенный воздух, когда возникает разрежение, воздух выделяется в виде мелких пузырьков, которые становятся центрами образования пузырьков пара. В спирте растворимость воздуха гораздо меньше.

__________________________________________________
¹ Разумеется, это справедливо не только для воды, но и для других жидкостей

Watch the video / Смотреть Видео (84 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео 2 (50 Мб, .avi )

Как действует вакуум на живые существа? Длительное пребывание в вакууме губительно для многих организмов, но краткосрочное действие вакуума вполне можно пережить. Например, комнатная муха уцелела после нескольких циклов вакуумирования и была отпущена [2].

После экспериментов с мухами нужно было найти новых добровольцев для "путешествия в вакуум". Хотел поймать осу, но оказалось, что осы в Киеве - редкость. За все лето видел только одну. Зато на стол вылез большой и наглый рыжий таракан ("прусак", лат. Blattella germanica). Доброволец найден. Кандидат просто отличный - тараканы славятся своим умением выживать в самых неблагоприятных условиях (разве что холода они боятся, т.к. тараканы - жуки тропические, но люди услужливо поддерживают тепло в местах обитания тараканов).

Что будет, если поместить таракана в вакуум, - какой прогноз?

Я был уверен: будет то же самое, что и в экспериментах по действию на таракана жидкого азота [3]. Другими словами - с гуся вода. Но предположение предстояло проверить.

Поместил таракана в шприц на 50 мл (в котором ранее проводил эксперименты с мухами в вакууме и по кипению воды в вакууме). Шприц горизонтально закрепил в штативе, надел иглу. Таракан стал понемногу бегать, а когда я включил лампу, он значительно активизировался. (Мимо воли я вспомнил пословицу: "Тараканы боятся света" [4]).

Вдавил поршень в шприц почти до максимума - чтобы остался только узкий зазор (нужно это делать без фанатизма, иначе можно придавить подопытного таракана). Надел на иглу шприца резиновую пробку, которая ее загерметизировала. Выдвинул поршень за отметку "50 мл", в шприце возникло сильное разрежение. Таракан сначала активизировался и стал бегать, потом перевернулся на спину и начал дрыгать лапками, секунд через 10 замер и почти перестал двигаться. На внешнее воздействие (стук по корпусу шприца) таракан больше не реагировал. По сравнению с мухами, таракан сохранил двигательную активность в вакууме значительно дольше. После некоторого времени пребывания таракана в вакууме я снимал пробку со шприца, внутрь проникал воздух (причем не так резко, как в опытах с мухами, поскольку в последнем случае я снимал трубку с зажимом и воздух врывался через носик шприца, диаметр которого гораздо больше, чем у иглы).

В отличие от мух, таракан "ожил" не сразу, а через несколько секунд после снятия вакуума. Он снова стал на лапы, начал бегать и шевелить усами. Снова реагировал на постукивание по шприцу. И еще одно отличие от мух: какого-либо изменения внешнего вида таракана при наложении вакуума я не заметил (у мух в вакууме черное брюшко становилось серым, оно иногда раздувалось, появлялся "хвост"). Таракан успешно пережил 4 цикла наложения вакуума без видимого ущерба. Разве что после четвертного цикла двигаться стал чуть вяло. Время пребывания таракана в вакууме менялось от 10 до 40 секунд (пишу по памяти).

Таким образом, таракан смог пережить пребывание в вакууме, причем неоднократное. Если учесть, что жидкий азот оказался таракану нипочем (звери пережили больше пяти циклов заморозки-размораживания), то такой результат был вполне прогнозируемым.

После опыта выпустил таракана за окно.

Кстати, рыжие тараканы были завезены в Россию (а из нее - и в Украину) из Пруссии. Отсюда и название - "пруссаки". Как они преодолели столь дальний путь? - "Преступление и наказание". Мародерство "изобрели" не вчера. Было оно и во время войны России с Пруссией. Русская армия вывозила все, что могла, в частности - мебель. Вместе с мебелью приехали и тараканы. До этого в России были черные тараканы - "русаки", но прусаки их стали вытеснять. Одна из причин в том, что рыжие тараканы поедают яйца черных. Был период, когда и рыжие, и черные тараканы куда-то исчезли из наших домов. Версии выдвигались самые разные: от вирусной эпидемии или появления эффективных препаратов для борьбы с тараканами до массового использования мобильных телефонов. Как бы то ни было, в некоторые дома тараканы вернулись, в некоторые - нет.

__________________________________________________
² Муха в вакууме. Fly (insect) in vacuum [ссылка]

³ Криоюмор (низкотемпературные байки) [ссылка]. Приведу цитату:

Байка №1 "Анабиоз таракана"

"Рассказывается со слов моего бывшего шефа, т.е. за что купил, за то и продаю. Давние застойные года, когда сотрудники должны были периодически по ночам дежурить в родном институте. Дабы скоротать время, популярным было такое развлечение. Ловится таракан, поливается жидким азотом, выпивается "за упокой", через некоторое время таракан оттаивает и начинает подавать признаки жизни, тогда выпивается "за здравие", и несчастный снова поливается азотом... Утверждается, что хороший экземпляр выдерживает больше пяти циклов".

⁴ Это про нашу власть, если кто не понял.

Watch the video / Смотреть Видео (172 Мб, .avi )