# Не лежится кристаллу на воде

Леонид Александрович Ашкинази

Не лежится кристаллу на воде


В статье "Газообразные, поверхностноактивные" (см. "Химия и жизнь", 2004, # 7) рассказано о процессах, происходящих в кювете c двумя или тремя жидкостиям, одна из которых - фторорганическая. Естественно, автор работы исследовал и другие жидкости, но здесь мы рассмотрим его эксперименты с твердыми телами, бултыхающимися в жидкостях. Начнем, однако, с поведения капель - оно нам потребуется для анализа поведения кристаллов.


Мерцающая капля


Если растворить H(CF2)8CH2OH в обычном скипидаре до насыщения, то образуются две несмешивающиеся жидкости: легкая фаза с удельным весом 0,97 г/см3 и тяжелая фаза c удельным весом 1,44 г/см3. Каплю легкой фазы этого раствора объемом 0,1 - 0,2 см3 помещают на чистую поверхность воды в открытом сосуде диаметром более 9 см. Аналогичные опыты можно проводить и с тяжелой фазой скипидара, и с насыщенным раствором этого соединения в ДБФ. Можно также использовать расплав соединения при 50°С на горячей воде.


Чистый скипидар растекается по воде тонкой пленкой. Эта же капля принимает на воде форму линзы с острым краем. После очистки поверхности воды от образующихся при нанесении раствора мелких капелек периметр основной капли в плоскости воды приходит в движение, края капли начинают отдельными зубчиками выдвигаться и сужаться, мерцать с частотой 1 - 10 Гц и амплитудой в несколько десятых долей миллиметра; колебания продолжаются часами и сутками. Каков механизм этого явления?


Молекулы соединения в капле диффундируют вниз к поверхности воды, там образуют сплошной слой ориентированных фтористыми окончаниями к капле молекул с малой величиной поверхностного натяжения, и этот слой вытаскивается из-под капли во все стороны высоким натяжением окружающей каплю воды. Усиление потока воздуха над кюветой или очистка поверхности воды приводит к увеличению диаметра капли и даже к ее разрыву на более мелкие. В закрытой кювете мерцание останавливается через 10 с. В открытой кювете диаметром 4 см мерцание капли еле заметно, при диаметре 2,5 см мерцаний не видно.


Слой по поверхности воды отходит от мерцающей капли сначала со скоростью около 0,5 см/с, но быстро замедляется, за 3 - 5 мин отходит на расстояние 2 - 3 см и испаряется, что обеспечивает постоянное вытягивание пленки из-под капли. Капля раствора, таким образом, лежит не на воде, а на создаваемой ею же и разъезжающейся из-под нее пленке, которую она плохо смачивает. На воду из капли в виде пленки уходят плотно упакованные молекулы соединения H(CF2)8CH2OH, а капля, сохраняя себя от растяжения на движущейся фтористой пленке, все время подбирает свои отъезжающие и цепляющиеся за пленку края, что и приводит к постоянному мерцанию ее периметра. Запомним этот механизм и обратимся к ситуации с твердыми телами.


Кораблик на воде


Простейший и общеизвестный школьный эксперимент - мыльный кораблик - состоит в следующем. Берут бумажку, вырезают кораблик, в корму вклеивают крошку мыла, судно спускают на воду - и вперед. В учебнике рассказано, почему он движется: поверхностное натяжение зависит от состава поверхности, молекулы жирных кислот располагаются именно здесь и изменяют натяжение. Силы, действующие на кораблик спереди и сзади становятся разными, второй закон Ньютона повелевает - ускоряйся.


Соединение (CF3)3COH понижает поверхностное натяжение гораздо сильнее мыла - почти в пять раз. И тонкий полиэтиленовый пакетик размером 0,5 х 1 см с отверстием на конце и каплей этого вещества внутри бегает по поверхности воды по кругу в открытой кювете диаметром 8 см со скоростью 10 см/с около 20 мин, то есть заметно быстрее и дольше, чем бумажный кораблик с обычным мылом. Ясно, что движение происходит не за счет реактивной силы, поскольку перед движущимся корабликом нет волны - перед ним постоянно совершенно гладкая, невозмущенная поверхность воды. Соединение CF3CFHCF2CH2OH менее эффективно снижает натяжение, и полиэтиленовый кораблик с каплей этого вещества бегает по воде со скоростью около 7 см/с.


Кристалл H(CF2)10CH2OH на воде


При комнатной температуре это твердое кристаллическое вещество без запаха, давление его насыщенных паров почти в тысячу раз меньше, чем у воды. Кристалл тяжелее воды, но водой не смачивается и при осторожном опускании может постоянно находиться на ее поверхности. Лежа на поверхности в открытом широком (диаметром 20 - 30 см) сосуде кристалл H(CF2)10CH2OH часами и неделями совершает медленное, но постоянное движение и кручение со скоростью около 1 мм/с, раздвигая покоящиеся на воде маркерные частицы и постепенно слегка уменьшаясь в объеме. Такое блуждание тяжелого фтористого вещества по воде напоминает о другом, подробно описанном в литературе явлении более быстрого (около 3 см/с) постоянного перемещения и кручения легких крупинок камфары (C10H16О) и родственных ей соединений типа камфорной кислоты и борнеола (C10H18O) на воде до их полного исчезновения (за десятки минут), загадочное поведение которых изучают и объясняют уже более ста лет.


У камфарных соединений и H(CF2)10CH2OH нет какого-либо прямого сходства в химических составах или в форме структур. У камфары объемная молекула, кристаллы ее при комнатной температуре сублимируются и имеют запах, они легче воды и немного в ней растворяются. Но сходство поведения на воде позволяет предположить, что причины движения одинаковы. Как видно по окружающим пылинкам, от этих кристаллов по воде расходятся пленки, которые затем исчезают. То есть мы видим нечто подобное мерцающим каплям.


Поведение камфары уже объясняли ее сходством с мылом и уменьшением в пленке вокруг ее кристалла поверхностного натяжения, но испарение и влияние паров камфары на поверхностное натяжение воды не обсуждалось. Действительно, при комнатной температуре опыты с бегающей камфарой можно проводить и в закрытом сосуде, когда, насытив парами камфары воздух, молекулы могут уходить с пленки только в воду, растворяться. Повышение температуры воды или взбалтывание приводит к увеличению скорости перемещения камфары. Но в литературе не отмечена одна важная особенность: движение камфары снова заметно ускоряется, если сосуд открывают, и у камфары опять появляется возможность испаряться в воздух.


Движение кристалла H(CF2)10CH2OH


На воде в закрытом сосуде он останавливается через 10-20 мин, но при открывании сосуда снова через 4-6 мин снова приходит в движение, которое ускоряется при повышении температуры воды. От кристалла на воде на 1-10 см отходит невидимая, но прочная пленка, в которую кристалл вморожен, как в лед, и движется он туда, где размер этой пленки меньше. Пленка обнаруживается, если к кристаллу с какой-либо стороны по воде подводить иголку или щуп. Касание пленки с края иголкой сразу проявляется на кристалле - изменяется скорость его движения. Введя щуп в пленку, можно отводить его в сторону и тащить кристалл по воде за щупом, что свидетельствует о ее прочности. Если же снять пленку с воды (погрузив в воду бумагу), то скорость движения кристалла увеличивается в несколько раз. Вокруг кристалла камфары на воде такую пленку тоже можно найти с помощью иголки - но на расстоянии 3-7 мм. Аналогичными свойствами на воде обладают и кристаллы H(CF2)8CH2OH.


А теперь два кристалла


Как происходит взаимодействие кристаллов камфары и H(CF2)10CH2OH на воде? При комнатной температуре кристалл камфары мгновенно прекращает свое быстрое движение, если в этот же сосуд на воду на расстоянии 1-10 см от него помещается (и начинает свое движение) кристалл H(CF2)10CH2OH или H(CF2)8CH2OH. Кристалл камфары возобновляет свое движение только через 5 - 15 мин после удаления кристалла первого из этих веществ и через 2 - 4 мин после удаления второго. Это показывает, что комплексы их молекул с водой живут на поверхности гораздо дольше, чем образующиеся вокруг камфары комплексы камфара с водой.


Капля соединения (CF3)3COH, опущенная на воду около крупинки камфары, отбрасывает ее в сторону, но практически не останавливает ее движения, что связано с малым временем жизни комплексов. При температуре воды более 40°С кристаллы камфары и H(CF2)8CH2OH интенсивно, не мешая друг другу, крутятся рядом на поверхности воды - это говорит о значительном сокращении времени жизни их комплексов на воде при нагреве.


Слезы: камфарные и от H(CF2)10CH2OH


Когда кристалл камфары помещают на небольшой слой воды (около 3 мм) на дне конусообразной высокой рюмки, то в момент опускания камфары на воду видимая (из-за вызываемого ею возмущения) граница пленки воды с молекулами камфары поднимается вверх по стенкам на высоту 0,7 - 1,0 см (со скоростью около 1 см/с) и образует там сплошной бортик из вытесненной воды, из которого затем вниз постоянно спускаются капли воды. Обдув увеличивает испарения и повышает интенсивность образования этих капелек-слез.


По аналогии с "винными" их можно было бы назвать "камфарными" слезами. А слезы на стенках бокала при опускании кристалла H(CF2)10CH2OH на воду образуются из пленки, которая за доли секунды поднимается вверх на высоту 1,5-2,0 см, а затем оттуда из вытесненной воды редкие капли спускаются вниз по стенкам.


Камфара на неровной поверхности


Интересно поведение камфары на неровной поверхности воды в широком (диаметром 8 см) закрытом испаляторе, где у кольца воды на C8F18 вместо ДБФ помещаются несколько кристаллов камфары. Кольцо из свежей воды над C8F18 покоится без движения, но добавленные крупинки камфары входят в контакт с водой и десятки минут бегают по периметру свободной зоны. При этом от них вверх интенсивно выходят пленки из прозрачных волн C8F18, которые собираются на воде в провисающие капли диаметром 5-8 мм и по поверхности скатываются назад в свободную зону. Через 1-2 мин скорость выхода пленок уменьшается, и процесс идет менее интенсивно до полного исчезновения кристаллов камфары. Механизм образования капель прост. Камфара выпускает на поверхность воды пленку из своих молекул, на которой сверху, как на пленках многих других описанных выше жидкостей, образуются комплексы с молекулами C8F18. Эти комплексы снижают поверхностное натяжение пленки, ускоряют ее движение, и при большой скорости пленка увлекают на себе сверху жидкий C8F18 из свободной зоны. По мере движения пленки молекулы камфары отрываются от комплексов и уходят в воду. Оставшиеся и не имеющие возможности испариться молекулы C8F18 собираются в капли и скатываются в свободную зону. При уменьшении скорости движения на пленке выносится меньше C8F18, и большие капли уже не образуются.


Камфара под водой!


Продолжительное (десятки минут) движение камфары без испарения, только за счет растворения, демонстрируется в необычном опыт. Кристалл камфары помещают на ровную и широкую (5-10 см) границу раздела вода- C8F18 или вода- C10F18 под слой воды. В этом случае кристалл прилипает к фтористой жидкости и в воде не всплывает. Он сразу начинает свое кручение и движение под слоем воды и, как видно по маркерным пылинкам, образует вокруг себя расширяющуюся пленку на граничной поверхности жидкостей.


Краска наоборот


Постоянное сдирание с капли и кристалла молекулярного слоя и его отход - это процесс разделения, полностью обратный тому процессу покраски, когда постоянный поток краски плоской струей падает на движущуюся поверхность, смачивает ее и покрывает сплошным слоем. Известно, что при покраске существует предельная скорость движения поверхности, выше которой контактная линия смачивания становится не плоской, а пилообразной, а затем с зубцов на поверхность начинают захватываться пузырьки воздуха.


Непрерывный обратный процесс выделения молекул в пленку из капель наблюдается впервые. Его можно было бы назвать "открашиванием" - то есть снятием покраски. При этом тоже возникает пилообразная контактная линия при мерцании.


Вместо заключения


Возможные пути практического применения всех этих эффектов - примерно те же, которые перечислены в первой статье. Можно назвать еще несколько, но обратим внимание на совершенно иной аспект. Одна из проблем современной российской педагогики - полное и абсолютное расщепление школы и жизни. Наши школьники учат не тот язык, на котором говорят, изучают не те книги, которые читают, не ту географию, которая им пригодится, не ту историю, которая им интересна, а на физику и химию им и вовсе наплевать. Ан масс, как говорил Выбегалло. Кроме тех прискорбных ситуаций, когда их надо учить для поступления в вуз. Предложение применить школьные знания физики к расчету электрочайника вызывает у школьников изумление и оторопь. Закон Ома - это такие значочки на бумаге, не текст даже, а картинка (эта чудовищная ситуация с восприятием легко доказывается экспериментально). Какое отношение картинка "I=U/R" имеет к чайнику? Результатом чего является это фантастическое двоемыслие - можно догадаться. Фундамент их мировосприятия: все говорят одно, а делают другое. Мир реальной жизни не имеет ничего общего с ерундой, которую талдычат учителя.


Но именно физика и химия дают возможность педагогу противостоять лжи, которая лишает человека способности выработать сколь-либо связное и полное мировоззрение. Для этого нужно, конечно. несколько иначе преподавать, но изменения в преподавании именно этих предметов невелики - достаточно все время проводить ту простую мысль, что законы физики и химии описывают мир реальных вещей. И всякий раз немедленно это демонстрировать. Вот поверхностное натяжение - вот кораблик на воде - вот жесткий диск в компьютере и проблемы трения в нем. Не по всем разделам физики одинаково легко реализовать подобную схему, но работы Ю.Ю.Стойлова (ФИАН), на основе коих написана данная статья, - хороший пример такого материала.