HomeРазноеПлотность льда и плотность воды: Что больше, плотность льда или воды? Почему?

Плотность льда и плотность воды: Что больше, плотность льда или воды? Почему?

Содержание

Вода. Свойства и значение воды для живых организмов















Свойства воды


Вода как растворитель


Вода как среда
обитания



Уникальные свойства воды, очень важные
для живых организмов, проявляются в своеобразном, почти
исключительном поведении воды вблизи точки замерзания.

1.
Максимальная плотность при to
= + 4oC.


Общеизвестно, что с понижением температуры плотность
большинства веществ возрастает, а объем, занимаемый единицей массы,
соответственно уменьшается. Та же закономерность присуща и воде,
если ее постепенно охлаждать. .. но до температуры  (точнее, +
3,98oC). Дальнейшее охлаждение в интервале + 4o
… 0оC  вызывает ее расширение.


Таким
уникальным свойством обладают очень немногие вещества. Это (и другие
свойства воды) позволило герою Андрея Битова сказать:

«Вода! — вот что изобличает в творении творца, в творце — художника.
Как там она расширяется и сжимается, кипит и замерзает единственным
и противоречивейшим способом из всех жидкостей? … Из воды и вышла
жизнь, что всем известно. Так вот не жизнь изумительна, а — вода!
Она есть подвиг творца, преступившего гармонию во имя жизни. Не нам
себе представлять, чего это ему стоило. Вот что он воистину создал!
Воду… От ее капли до нас с тобой меньшее расстояние, чем от
неживой материи до воды. Эволюция — это всего лишь роман с
неизбежной развязкой; возможно, мы и закроем всю книгу. .. «

        А. Битов.

Человек в пейзаже // «Новый мир» № 3, 1987



В результате в
водоемах зимой более охлажденная вода, как менее плотная,
поднимается вверх, а в придонном слое сохраняется температура
+ 4oC. Это обеспечивает возможность нормального
перенесения холодного сезона для водных организмов, в первую очередь
— пойкилотермных животных. Впрочем, это же
затрудняет перемешивание слоев воды и
поступление минерального питания в поверхностные
слои (из-за чего продуктивность океана
существенно ниже продуктивности суши).


2. Лед имеет меньшую плотность,
чем вода.


Большинство веществ в твердом состоянии имеют большую
плотность, чем в жидком, а следовательно, тонут, как, например,
твердый бензол в жидком. Вода же, замерзая, расширяется (как висмут
и серебро, еще два исключения). (Рассмотрите
это на графике выше.) Причина такой аномалии в том, что в
кристаллической структуре льда молекулы как бы «держат» друг друга
на расстоянии вытянутой руки.
В жидком же состоянии молекулы воды скорее напоминают
пассажиров городского транспорта в «час пик».
 
Вопрос 1.
Сравните структуру льда (справа) и воды (слева). Обратите
внимание на различие в плотности (количестве молекул в единице
объема) и шестилучевую симметрию, присущую кристаллу льда. Есть
ли какая-то упорядоченность, закономерность в расположении
молекул воды в жидком состоянии?
Об особом «Льде-9» из романа К.Воннегута
«Колыбелька для кошки» см.

тут
.



Значение для
водных организмов
меньшей плотности льда
очевидно: если
бы лед был тяжелее воды, он опускался бы на дно,
и водоем промерзал бы полностью. Т.к. лед
плавает на поверхности (а охлажденная вода с to
= + 4o
… 0оC также не опускается вниз
из-за меньшей плотности), в воде сохраняются
благоприятные (или хотя бы терпимые, в пределах
толерантности) условия для живых организмов.

 
Вопрос 2.
Подумайте, в каких случаях свойство льда иметь
объем больший, чем у такого же количества воды,
вредно
для живых организмов? Чем
вредно? Как
живые организмы выходят из положения?
(Подсказка: ключевой термин для ответа на третью
часть вопроса — криопротекторы).


UPD.
Статья Джирла Уолкера «Необычные фигуры,
появляющиеся в замерзающей воде и плавящемся
льду»
(«В мире науки», рубрика «Наука
вокруг нас», 1986, № 9, с. 84:
справа — рис. из статьи — фигуры Тиндаля во льду).


Ледяные цветы
(необычное
арктическое явление образования кристаллов
высотой в несколько сантиметров на тонком льду,
слева
,
статья на английском
).



Сосульки


Слева — фото из статьи A.SH. Chen и S.W. Morris
(Университет Торонто, Канада), показавших, что складчатость у
сосулек обусловлена присутствием и концентрацией солей (текст,

абстракт
,

видео
).
Интересно, что сосульки довольно часто образуют гауссиану — кривую нормального
распределения
(справа — фотография  соседского балкона
и
отсюда
).



3. Снежинки



Внимательное знакомство с молекулярной структурой кристалла льда
позволяет ответить и на интересовавший с детства вопрос: почему
снежинки шестилучевые?


Истории
изучения снежинок посвящена
статья
в англоязычной Википедии. Первыми присмотрелись к
снежинкам китайцы в 150 году до н.э. Впервые обстоятельно гексагональную
структуру снежинки описал Иоганн Кеплер в труде
Strenaseu De Nive Sexangula в 1611 году.

Первым фотографировать снежинки научился
Уилсон Бентли (Wilson Bentley)
в 1885 году, он сфотографировал
около 5000 снежинок (рисунок слева на синем фоне — с его
фотографий
,
статья
о нем, книга
Snowflakes: a Chapter from the Book of Nature
, 1863).

Самая
большая снежинка зафиксирована в 1887 году и была 38 см в диаметре (статья).


По записи в блоге  progenes
«Про снежинки».



Анимация
справа

отсюда
, сайт

SnowCrystals
.com, автор
Kenneth G.
Libbrecht
.

Компьютерному моделированию снежинок посвящен сайт
Gravner-Griffeath Snowfakes
(например,  слайд-шоу).


О фрактальных структурах, примером которых
могут служить и снежинки, а также морозные узоры на стеклах, см.
тут
.



Диаграмма
зависимости форм снежинок от температуры и насыщенности водяных паров (в
г/м3) — справа, по
NewScientist
. См. также разработку для школьников
Snowstorms
на сайте
NASA
, в т. ч.

диаграмму
:
 
Вопрос 3 (проектное задание).
3-1.

Дождитесь снегопада и подсчитайте количество снежинок разных типов,
зафиксировав при этом погодные условия, в которых проводилось
исследование (можно перевести
инструкцию
по проведению наблюдений и
таблицу для подсчета типов снежинок
).
3-2.
Создайте дерево типов снежинок по материалам сайта

A Guide to Snowflakes
.
Ср. дерево
определения растений
,
филогенетические деревья и

кладистика
).

   


От глории — к талой воде, или Отчего лёд скользкий

Что общего между радужными кольцами на облаках и особо скользким, слегка подтаявшим льдом? И то и другое — проявление удивительных свойств воды. Как ни странно, это обыденное вещество ещё слабо изучено. Вода способна иметь несколько модификаций, различающихся структурой и свойствами, то есть обладает полиморфизмом. С ним связано не только явление глории, о котором уже рассказывалось в «Науке и жизни», но и загадочные свойства тающего льда.

Фото Натальи Домриной.

Упрощённая диаграмма вода–лёд разных модификаций (I—VI, всего же их имеется 12). Широко распространённый и знакомый всем лёд I существует при давлениях менее 2000 атмосфер и температурах ниже 0°С.

Глория — радужные кольца, возникающие при рассеянии света на холодных облаках.

Типичная проба частиц смешанного облака. Взята с самолёта в 1951 году. Вплоть до последнего времени столь «мирное» сосуществование жидких водяных капель с ледяными кристаллами в одном облаке считалось противоестественным.

Примесь А-воды хорошо заметна в талой воде.

До недавнего времени считалось, что только твёрдое состояние Н2О (лёд) обладает разнообразием полиморфных форм. В лабораторных условиях удалось воспроизвести около дюжины различных кристаллических льдов с плотностью от 0,94 до более 1,6 г•см–3. Правда, в нормальных условиях выживает лишь самый лёгкий из них, хорошо знакомый нам лёд I.


То, что вода способна к полиморфии и в жидкой форме, впервые продемонстрировал ещё в 1960-х годах коллектив исследователей во главе с Б. В. Дерягиным. Они получили в лаборатории полиморфную форму Н2О, названную водой II. Она обладала плотностью около 1,4 г•см–3 и сохраняла жидкое состояние по крайней мере до –90°С даже в прямом контакте со льдом I (Дерягин Б. В., Чураев Н. В. Новые свойства жидкостей. — М.: Наука, 1971). К сожалению, это открытие оказалось забытым.


Не менее удивительная жидкая полиморфная форма воды существует в природных облаках с отрицательными температурами, или холодных облаках. Поначалу её обнаружили с помощью аппаратуры, установленной на самолёте-метеолаборатории. Подтвердить её существование и изучить физические свойства помогло загадочное природное явление глории (см. «Наука и жизнь» № 1, 2010 г.). То, что радужное кольцо глории служит практически неизменным спутником тени самолёта на заведомо холодных облаках, свидетельствует о значительном присутствии в них сферических частиц с показателем преломления 1,81—1,82. А поскольку всякое облако — продукт конденсации водяного пара, то, как показывает анализ, такими частицами могут быть только жидкие капли, состоящие из вещества Н2О с плотностью около 2,1 г•см–3. Эта полиморфная форма названа нами А-водой. Для сравнения напомним, что у обычной воды, в том числе переохлаждённой ниже 0°С, плотность близка к 1 г•см–3 и показатель преломления к 1,33.


Но не только названные качества отличают А-воду от переохлаждённой обычной воды, капли которой необратимо испаряются в присутствии ледяных частиц, жадно «поглощающих» выделившийся пар. Нами доказано, что только капли А-воды выполняют функцию жидкой фазы в облаках, где совершенно устойчиво сосуществуют с ледяными частицами. Вывод из этого конденсационного равновесия фаз: тончайшая «квазижидкая» плёнка, покрывающая, как обнаружено ещё в 1960-х годах, поверхность ледяных частиц, состоит из А-воды.


Кстати, все упомянутые свойства А-воды и льда вполне объяснимы с современных позиций физической химии. Обычный кристаллический лёд I и обычная жидкая вода с плотностью 1 г•см−3 (вода I) обладают внутренней структурой, образованной так называемыми водородными связями. Упрощённо говоря, межмолекулярная водородная связь образуется путём обобществления атомом водорода двух электронов, принадлежащих разным атомам кислорода. Уникальная геометрия связей каждой молекулы и позволяет веществу Н2О воплощаться в различные структуры. Структура кристаллического льда организована всеми четырьмя связями каждой молекулы и имеет вид жёсткой объемной тетраэдрической решётки. В обычной же жидкой воде подобная система связей страдает пространственно-временной незавершённостью и каждая молекула может участвовать в любой из возможных — от нуля до четырёх — постоянно возникающих и исчезающих мгновенных связей. Отсюда происходит её свойство текучести.


Замечательно, что плотность воды I превосходит плотность льда I. Эта уникальная особенность воды обусловлена тем, что расстояние между водородосвязанной парой молекул превышает масштаб колебательных связей. Отсюда вытекает закономерность, очень важная для понимания ряда аномальных свойств воды I: её плотность находится в обратной зависимости от удельной концентрации водородных связей. Согласно оценке, при полном отсутствии водородных связей плотность воды должна достигать максимального значения порядка 2 г•см–3 (Зацепина Г. Н. Структура и свойства воды. — М.: МГУ, 1998). И это, кстати, не единственное доказательство того, что А-вода с подобной же плотностью имеет неводородосвязанную, то есть аморфную, структуру.


Аморфной структурой обладает также «квазижидкая» плёнка на поверхности льда. Её физическая роль заключается в нейтрализации эффекта неустойчивости, вызванной обрывом водородных связей на границе ледяной структуры. Кроме того, эта плёнка служит оптимальной переходной средой для перестройки структуры при массообмене льда с окружающими фазами воды, в частности с водяным паром.


Справедливости ради отметим, что сообщения о реальном или предполагаемом существовании некоей жидкой «смазки» на ледяной поверхности приходят регулярно и с разных сторон. Мы просто пролили новый свет на физическую природу этой плёнки, неотъемлемо связанной со льдом и делающей его поверхность столь скользкой в любых обстоятельствах (что не всегда желательно). В этом отношении лёд даже служит своего рода эталоном в нашем сознании («скользкий как лёд» — говорим мы при случае). С повышением температуры выше точки плавления льда толщина переходного слоя А-воды увеличивается и лёд при этом становится более скользким.


Возникает вопрос: нельзя ли воспроизвести А-воду в лабораторных условиях и исследовать её теми же методами, что и обыкновенную жидкость? К сожалению, сегодня это не представляется возможным. Пока исследователям удавалось получить только незначительные количества твёрдой аморфной (по объективным данным) воды путем конденсации водяного пара на подложке при температуре около –173°С. С повышением температуры конденсат становится всё более вязким и одновременно склонным к спонтанному превращению в лёд I. В косвенных попытках измерений его плотности, по изменению объёма при кристаллизации, не учитывалось частичное испарение образовавшегося льда под воздействием энергии фазового перехода, а также обратной конденсации части выделившегося пара на лёд. Поэтому полученные неоднозначные результаты не вызывают доверия, за исключением того, что плотность твёрдой аморфной воды в целом заметно превосходит плотность льда I.


Более достоверными измерениями — по объёму и массе конденсата — его плотность определена как 2,3 г•см–3 при –173°С (Delsemme A. H., Wenger A. Superdense water ice. Science, 1970, 167, No. 3914, 44—45). С учётом термического расширения этот результат согласуется с полученным нами для А-воды (2,1 г•см–3 при –30°С).


При –120°С аморфный конденсат приобретает свойство текучести, то есть переходит в жидкое состояние, одновременно окончательно теряя устойчивость к переходу в лёд I. Это обстоятельство даже породило серьёзные сомнения в жизнеспособности жидкой формы конденсата. Наши исследования рассеяли эти сомнения. Устойчивым существованием жидкая А-вода в виде взвешенных в воздухе облачных капель, очевидно, обязана отсутствию в них центров кристаллизации. По этой причине «природная лаборатория» в виде холодных облаков предоставила уникально благоприятные возможности для изучения физических свойств аморфной воды.


Кстати, воочию наблюдать А-воду в природе вполне возможно. Бывает, что в по-настоящему морозный зимний день с неба вдруг низвергается дождь, и всё: дорога, снежные сугробы, одежда — покрывается ледяной коркой. Метеорологи называют это явление гололёдом, но не имеют его правдоподобного объяснения и, конечно, не подозревают, что этот дождь есть не что иное, как выпадение из облака сильно выросших капель А-воды.


А может ли А-вода, подобно обычной воде, устойчиво существовать при положительной температуре, где центры её кристаллизации попросту «не работают»? По всем соображениям в этом случае, в отличие от отрицательной температуры, конденсация обычной воды происходит при меньшей влажности, чем требуется для конденсации А-воды. То есть для образования или сохранения природных капель А-воды просто не хватает водяного пара в воздухе, поскольку его «перехватывает» обычная вода.


И всё же любой из нас сегодня имеет возможность увидеть А-воду собственными глазами в тёплой квартире и даже попробовать её на вкус. Для этого нужно совсем немного: домашний холодильник или мороз за окном, гладкостенный сосуд из прозрачного стекла (обыкновенный стакан), источник яркого света типа слайд-проектора, лупа. И, конечно, чистая вода — водопроводная, колодезная, бутилированная, кипячёная или дистиллированная. Поместим проектор непосредственно перед сосудом так, чтобы он создавал боковое по отношению к наблюдателю освещение содержимого сосуда. Воду для опыта следует выдержать до избавления от растворённого воздуха (он оседает в виде пузырьков на стенках сосуда) и проверить на отсутствие видимых примесей, после чего заморозить в форме кубиков.


Для начала нальём в сосуд немного воды, поместим в неё один-два кубика льда и проследим, как от подводной поверхности тающего льда отслаиваются обрывки эфемерной прозрачной плёнки, сразу же распадающиеся на более мелкие фрагменты. Это и есть частички А-воды. Они видны в обычной воде благодаря различию их показателей преломления, а сохраняются ввиду нерастворимости в обычной воде (новое свойство А-воды!), которая изолирует её от воздуха.


Для получения чисто талой воды загружаем в пустой сосуд кубики льда и позволяем им полностью растаять. Картина в сосуде после перемешивания воды выглядит подобно изображённой на фото.


Сразу предупредим, что размеры и количество взвешенных в воде частиц определяются толщиной переходной плёнки А-воды, которая в свою очередь зависит от степени минерализации воды. Минимальный эффект даёт дистиллированная вода. Возможно, придётся поэкспериментировать с выбором источника воды, чтобы добиться достаточно насыщенной картины для дальнейших наблюдений. Обратим внимание на то, что форма примесных частиц весьма далека от сферической. Это указывает на отсутствие поверхностного натяжения на границе раздела этих жидких фаз Н2О (ещё одно новое свойство А-воды!). Когда вода в сосуде успокоится, обнаруживается медленное коллективное нисходящее движение частиц, что подтверждает их повышенную плотность в сравнении с обычной водой. Со временем они опускаются на дно сосуда, однако первоначальная картина восстанавливается после перемешивания. В нашем опыте примесь А-воды в талой воде порой сохранялась неделями. Наконец, при внимательном наблюдении можно заметить, что отдельные наиболее крупные частицы опускаются быстрее других и сливаются с ними при столкновении. Так вести себя может только жидкость.


В заключение несколько отклонимся от темы. К числу неразгаданных чудес природы относятся не промерзающие до дна пресные водоёмы в вечной мерзлоте тундры, так называемые талики, а также обнаруженные в последнее время заполненные жидкой водой полости на различных глубинах пакового льда Антарктиды, иногда, по свидетельству очевидцев, даже выходящие на его морозную поверхность. Существует несколько гипотез о природе таких водоёмов. Одни исследователи считают, что вода в таликах по каким-то причинам имеет положительную температуру. По мнению других, она сильно минерализована и потому обладает пониженной температурой замерзания. Наконец, ответственность за особенно глубокое залегание таких водоёмов в Антарктиде возлагается на чудовищное давление льда. Подобные гипотезы, возможно, и применимы к каким-то частным условиям, но не содержат общего объяснения явления. Так или иначе, незыблемые физические установки заставляют всерьёз усомниться в возможности постоянного присутствия незамёрзшей обычной воды в контакте с кристаллическим льдом при отрицательных температурах. Но вспомним, что на это в принципе способна не признанная и забытая наукой вода II — «сверхплотная» вода Дерягина. А может быть, это и есть она, каким-то образом рождающаяся, пусть малыми дозами, и накопленная тысячелетиями в нерукотворном «морозильнике»? Во всяком случае, мы выдвигаем это предположение в качестве вполне серьёзной гипотезы. Очередь за её проверкой.



Детальное описание иллюстраций

Упрощённая диаграмма вода–лёд разных модификаций (I—VI, всего же их имеется 12). Широко распространённый и знакомый всем лёд I существует при давлениях менее 2000 атмосфер и температурах ниже 0°С. При более высоких давлениях появляются модификации льда, обозначенные римскими цифрами II, III, V, VI. В области существования льда V образуется лёд IV, который неустойчив и быстро переходит в лёд V. При давлениях более 40 000 атмосфер возникают лёд VII и, возможно, другие его модификации. Все они, как и лёд VI, не тают при температуре значительно выше 0°С. Плотность льда I на 10% ниже плотности воды — 0,92 г•см–3, а плотности льда II, III и IV равны соответственно 1,2; 1,1 и 1,38 г•см–3.

Эксперимент по сжатию льда не подтвердил «двуличность» воды

giphy.com

Новая серия опытов по исследованию
льда при высоком давлении не позволила обнаружить фазовые переходы, которые должны были быть, если бы вода была смесью двух жидкостей. Опираясь на предыдущие
работы, ученые хотели изучить процесс превращения обычного льда в аморфный лед
высокой плотности, но формирования этой фазы не произошло. Эти результаты опровергают
данные о термодинамической стабильности аморфного льда и не подтверждают двухжидкостную
гипотезу строения воды, пишут авторы в журнале Nature.

С точки зрения физики, вода — очень непростое вещество, она отличается сложной фазовой диаграммой (зависимость стабильной формы от температуры и давления) и аномальными значениями теплоемкости и плотности. Многие из этих особенностей пока не получили
полноценного теоретического объяснения. Одна из нерешенных проблем — стабильность некоторых твердых фаз воды. На данный момент известно как минимум
17 различных видов кристаллического льда и еще 3 вида аморфного льда, расположение
молекул в котором не характеризуется дальним порядком.

Температура плавления
самой распространенной в земных условиях формы замерзшей воды, льда Ih, уменьшается при
увеличении давления. Это обстоятельство стало мотивацией знаковой работы 1984
года, в которой исследовался процесс «плавления» льда при температуре в 77
кельвинов и давлении 10 тысяч атмосфер. В результате ученые получили аморфный
лед высокой плотности (high-density amorphous ice, HDA), который таким образом должен являться
стеклообразным состоянием воды. HDA также можно сохранить и при нормальном
давлении при низких температурах, но если в таких условиях его нагревать, то он
превращается в аморфный лед низкой плотности (LDA), а не в исходную кристаллическую форму.

Дополнительные
исследования взаимопревращений HDA и LDA
указали на скачкообразное изменение объема, а сам процесс обратим и протекает
без каких-либо промежуточных состояний, что указывает на его принадлежность к
фазовым переходам первого рода. Эти обстоятельства вдохновили теоретиков на
создание модели воды как смеси двух жидкостей, так как граница между аморфными
льдами могла продолжаться и в область переохлажденной воды — часть фазовой
диаграммы, где вода может оставаться жидкой, хотя и при температуре ниже
замерзания.

Эта фазовая граница теоретически
должна заканчиваться в точке, называемой второй критической точкой воды по
аналогии с первой критической точкой, где пропадает разница между жидкой водой
и водяным паром. В рамках такого подхода при превышении температуры второй
критической точки вода должна представлять смесь двух жидкостей с различными
плотностями, а два вида аморфного льда связаны с ними.

В то время как абсолютное
большинство кристаллов под давлением остаются веществами с дальним порядком,
лед, а также минералы α-кварц и берлинит, долгое время считались единственными
исключениями, превращающимися в аморфные вещества. Последние два соединения
относительно недавно удалось превратить в кристаллы при наложении изотропного
давления. В работе под руководством Криса Талка (Chris Tulk) из Национальной
лаборатории Ок-Ридж в США впервые описываются эксперименты по сжатию льда
изотропным давлением, которые были достаточно медленными, чтобы наблюдать переход в
кристаллическое состояние.

В ходе эксперимента
ученые замораживали трехмиллиметровую капельку тяжелой воды, в состав которой
вместо обычного водорода входит его изотоп с дополнительным нейтроном в ядре —
дейтерий. Образец охлаждали до 100 кельвинов, а затем в течение нескольких
часов пошагово поднимали давление до 28 тысяч
атмосфер. Между каждым увеличением давления лед исследовался методом нейтронографии,
который позволяет установить кристаллическую структуру вещества. Тяжелая вода использовалась для усиления рассеяния нейтронов и увеличения точности метода.

Последовательность превращений льда. Сверху реально полученная в эксперименте, снизу — ожидаемая в модели воды как смеси двух жидкостей

Chris Tulk et al. / Nature, 2019

Ученые ожидали увидеть изменение
локального молекулярного упорядочивания при повышении температуры и давления по
мере перехода льда в состояние переохлажденной жидкости и последующей
рекристаллизации. Однако после обработки данных они с удивлением обнаружили,
что аморфного льда не было, а вместо него вещество прошло через серию из
четырех трансформаций между различными кристаллическими фазами все более
возрастающей плотности: лед Ih, лед IX’, лед XV’ и лед VIII’.

Авторы считают, что
причина в медленных изменениях давления в рамках новых экспериментов, в то
время как предыдущие опыты проводились гораздо быстрее. В результате структура
льда успевала релаксировать и достигать термодинамического равновесия, формируя лед IX’, в то время как при быстром переходе из-за кинетики взаимодействия молекул получается HDA, который не является термодинамически
более устойчивой фазой. Вместе с тем переход напрямую от льда Ih ко льду XV′ не
происходит из-за слишком сильно различающихся структур.

«Взаимосвязь между порождаемым
давлением аморфным льдом и водой теперь под сомнением, а вторая критическая
точка может вовсе не существовать, — говорит Талк. — Выводы данной работы станут
основой для анализа будущих работ по аморфным фазам воды».

Ранее ученые пришли к выводу, что схожесть жидкостей с водой определяется их тетраэдричностью. Также недавно впервые удалось получить воду пониженной плотности благодаря быстрой декомпрессии льда.

Тимур Кешелава

Вода, лёд и противогололёдные реагенты

Несмотря на то, что капли и небольшие лужицы воды выглядят вполне безобидно, они могут превращаться в мощную силу, способную разрушать скалы и бетонные сооружения. Правда, не очень быстро.

Как известно, вода, замерзая и превращаясь в лёд, увеличивается в объёме примерно на 10 %, что связано с образованием кристаллической структуры.
Плотность льда при 0 °С примерно на 10 % меньше плотности воды, именно поэтому лёд не тонет. И это весьма важно для живых организмов, живущих в водоёмах умеренной и арктической зоны. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то, при приближении зимы, поверхностные слои озёр и рек охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям. Так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0 °С — реки и озера промёрзли бы до дна, погубив большую часть водных обитателей.

Развивающееся при замерзании воды давление льда может достигать 2500 кг/см2. Каждый, кто оставлял на даче на зиму наполненную водой ёмкость, знает, к чему это приводит — к необходимости приобретать новую бочку.

Когда капля воды попадёт в небольшую трещину на асфальте, бетоне или горной породе, то при замерзании она увеличивается в объёме и расширяет трещину. Этот процесс называется морозным выветриванием.

Чем больше раз вода замёрзнет и оттает, тем большую работу совершит. Именно поэтому весной и осенью, когда частота перехода от положительных к отрицательным температурам максимальна, в умеренной и арктической зоне вода и лёд совершают самый большой объём разрушительной работы. Вспомните, как выглядят весной дороги, на которые осенью под дождём укладывали асфальт?
По той же самой причине достаточно быстро разрушаются здания, покинутые человеком — ведь внутри них никто не поддерживает положительную температуру, а вода и лёд, отыскивая поры, зазоры и трещины, способны раскрыть весь свой разрушительный потенциал.

Нетрудно догадаться, когда разрушительная сила льда и воды временно приостанавливается — в тот период времени, при котором переход от плюсовой к минусовой температуре прекращается. То есть либо летом, когда и днём и ночью тепло, либо зимой, когда, соответственно, температура постоянно не поднимается выше –1 °С.

Тем не менее, есть участки, на которых и зимой, при –10 °С, вода находится в жидком состоянии. Это городские дороги, на которых применяются противогололёдные реагенты. Принцип использования противогололёдных реагентов основан на том, что температура замерзания воды, с разведёнными в ней хлоридами солей ниже, чем температура замерзания естественных осадков.

Можно легко увидеть, как это работает, если поставить в морозильную камеру стакан с концентрированным раствором пищевой соли.

Снег и лёд при контакте с реагентами превращаются в жидкость — не совсем в воду, а в водный раствор хлористого кальция, калия и натрия. В зависимости от концентрации солей, такой раствор может замёрзнуть как при –8 °С, а может и при –16 °С остаться жидким.

Поскольку новые порции выпавшего снега превращаются в воду, они разбавляют солевой раствор и, соответственно, изменяют его концентрацию и постоянно смещают точку замерзания.

Таким образом, даже зимой на дорогах, на которых применяются противогололёдные реагенты, разрушительная работа воды и льда продолжается.

Совсем неудивительно, что бетонные дорожные бордюры, в особенности, выполненные из некачественного бетона, в холодное время года быстро разрушаются под действием именно морозного выветривания и именно на тех участках, на которых применяют противогололёдные реагенты.

Подобные выводы подтверждены компанией The Dow Chemical Company, которая проводила многочисленные испытания восьми наиболее распространённых противогололёдных реагентов, включающих в состав хлориды кальция, магния, натрия, а также мочевины. После 500 циклов замораживания-оттаивания, даже качественные бетоны, с плотностью 2,31 г/см3, продемонстрировали умеренное растрескивание.

Можно предположить, что подобное явление может обеспечить сокращение срока эксплуатации бетонных конструкций, и активно применять противогололёдные реагенты в непосредственной близости от жилых зданий не следует.

В этой связи, сотрудники Института экологии и географии, а также эксперты экологического штаба Красноярского края подготовили рекомендации и приняли участие в экспертизе Технического регламента применения противогололёдных материалов при содержании автомобильных дорог города Красноярска, который был утверждён приказом № 314-гх от 21 июня 2019 года.

Руслан Шарафутдинов
канд. геогр. наук, доцент кафедры экологии и природопользования ИЭиГ СФУ.

Особенности физических свойств воды — урок. Химия, 8–9 класс.

При обычных условиях вода — прозрачная жидкость без вкуса и запаха. В тонком слое она бесцветна, а при толщине более \(2\) м имеет голубой оттенок.

 

Плотность жидкой воды максимальна при \(4\) °С и равна \(1\) г/см³ (\(1000\) г/дм³). В отличие от других веществ твёрдая вода (лёд) легче жидкой. Плотность льда при \(0\) °С составляет \(0,92\) г/см³. Поэтому айсберги плавают по поверхности океанов, а пресноводные водоёмы зимой не промерзают до дна, и обитающие в них организмы выживают во время сильных морозов.

 

 

Температура плавления воды равна \(0\) °С, а температура кипения — \(100\) °С. Это аномально высокие значения для вещества с такой низкой молекулярной массой.

 

Эта и другие особенности свойств воды обусловлены образованием агрегатов из полярных молекул воды за счёт межмолекулярных водородных связей.

Водородная связь — это взаимодействие между положительно заряженными атомами водорода одной молекулы и отрицательно заряженными атомами кислорода, фтора или азота другой молекулы.

Эта связь слабее ковалентной. Но благодаря ей значительно повышаются температуры плавления и кипения веществ.

 

Водородными связями объясняется также способность воды образовывать при замерзании снежинки разной формы.

 

 

Из всех жидких и твёрдых веществ у воды самая высокая теплоёмкость. Она медленно нагревается и так же медленно остывает. Благодаря такому свойству вода влияет на климат Земли, сглаживая колебания температуры. Моря и океаны накапливают тепло в тёплое время, а в холодное — его освобождают.

 

У воды высокие значения теплоты плавления и теплоты парообразования. Поэтому процессы таяния льда и снега, испарения воды происходят постепенно и приводят к медленной смене сезонов года: зима — весна — лето — осень.

 

Ещё одна особенность воды — высокое поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение обуславливает капиллярные явления, собирает воду в капли, создаёт поверхностную плёнку и позволяет некоторым насекомым перемещаться по ней.

 

 

 

Высокая полярность молекул обуславливает способность воды растворять вещества с ионной или ковалентной полярной связью. Такие вещества часто называют гидрофильными. К ним относятся соли, щёлочи, некоторые кислоты и другие. Неполярные вещества в воде не растворяются. Их называют гидрофобными.

Плотность — льд — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Плотность — льд

Cтраница 1

Плотность льда при 273 К равна 0 917 г-см — 3, а плотность жидкой воды при той же температуре 1 00 г-см-3. Какое влияние должно оказывать повышение давления на температуру плавление льда.
 [1]

Плотность льда р / очень слабо зависит от давления и температуры. Однако поле температуры в леднике все же влияет на движение льда, но не через плотность рг, а через вязкость (17.4) и ( в случае донного таяния) через краевое условие на дне.
 [2]

Плотность льда р 0 91 103 кг / м3; толщина h 20 см; скорость реки v 0 72 км / ч; плывущие льдины покрывают п 0 1 часть поверхности воды.
 [3]

Плотность льда р / очень слабо зависит от давления и температуры. Однако поле температуры в леднике все же влияет на движение льда, но не через плотность рг, а через вязкость (17.4) и ( в случае донного таяния) через краевое условие на дне.
 [4]

Тогда, принимая плотность льда равной 920 кг / м3, получим, что ежесекундно должен стаивать слой толщиной к — трЛ 43 000 / ( 920 X 3 0 X Ю7) 1 5 мкм / с, что более чем скромно.
 [5]

По этой причине плотность льда меньше плотности воды, и он плавает на ее поверхности. Это свойство воды имеет исключительно важное значение для флоры и фауны водоемов.
 [6]

Что означает запись: плотность льда 900 кг.
 [7]

При замерзании вода увеличивает свой объем, плотность льда несколько меньше плотности воды ( она равна 0 92), поэтому лед плавает на воде. Будучи плохим проводником тепла, лед предохраняет воду в реках и водоемах от полного промерзания.
 [9]

Аномалия плотности, заключающаяся в том, что плотность льда меньше, чем у жидкой воды, и максимум плотности около 4 С объясняются внутренней структурой воды. При плавлении льда нарушается его регулярная структура и часть комплексов разрушается. В воде наряду с участками, имеющими структуру, аналогичную кристаллической решетке льда, появляются одиночные молекулы. Нарушение регулярной структуры сопровождается повышением плотности и уменьшением объема, так как одиночные молекулы воды заполняют полости, сохранившиеся в участках с льдоподоб-ной структурой. С повышением температуры проявляется действие двух факторов: теплового расширения и нарушения регулярной структуры льда. Тепловое расширение, сопровождающееся незначительным увеличением объема, связано с уменьшением упорядоченности расположения молекул. При 4 С эти два фактора одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по направленности действия. При дальнейшем повышении температуры снижается действие второго фактора, сильнее проявляется действие теплового расширения и плотность воды уменьшается.
 [10]

Какой слой льда образуется за сутки, если плотность льда р0 9 г / см3, температура его поверхности совпадает с температурой воздуха.
 [11]

В колонне кристаллы льда движутся вверх благодаря значительной разности плотностей льда и маточной жидкости. В верхней части колонны кристаллическая фаза промывается потоком флегмы, в качестве которой используют часть опресненной воды. Промытые кристаллы льда скребковой мешалкой 4 сбрасываются в плавильную камеру вымораживателя, где плавятся в результате конденсации паров воды, сжатых компрессором. Образующаяся при плавлении опресненная вода опускается через теплообменник 9; часть ее выводится из установки, а остальная вода идет на промывку.
 [13]

Поскольку плотность жидкой воды не превышает 1 0, а плотность льда при атмосферном давлении равна 0 9 г / см3, можно представить структуру воды и льда весьма ажурной и такое строение допускает более или менее свободное размещение во внутриструктурных полостях других молекулярных включений.
 [14]

Например, известно, что плотность жидкой воды больше, чем плотность льда и, следовательно, молярный объем воды меньше, чем молярный объем льда, в отличие от большинства других веществ.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4




Физические аномалии воды как физического тела

При­родные воды всегда представляют газовые или минераль­ные растворы. Почти никогда не удается встретить такую природную воду, в которой не были бы растворены какие-либо органические, минеральные вещества или газы. Даже дождевая вода, которая представляет собой воду дистилли­рованную, на пути из облаков до поверхности земли погло­щает взвешенную в воздухе пыль и газы воздуха и таким образом становится минерализованной и газированной. И не только жидкая вода минерализуется таким образом. Снег также способен поглощать из воздуха пыль и газы. Как много веществ может поглотить снег, показывает следующий факт. В Лондоне 29 декабря 1909 г. и 28 фев­раля 1910 г. был собран снег, выпавший на крышу одного здания, и проанализирован. Оказалось, что снег, собран­ный 29 декабря (будничный день) содержал в 1 л воды 422 мг взвешенных и растворенных частиц, а снег, соб­ранный 28 февраля (воскресный день), содержал 93 мг/л. Такое различное содержание примесей в снеге объясняется тем, что в воскресный день не работали многочисленные фабрики и заводы и в воздухе было меньше копоти и дыма.

Результаты анализа воскресного дня были пересчитаны на площадь всего Лондона. Оказалось, что снег увлек с собой около 75 т растворенных веществ и 142 т взве­шенных, в том числе 25 т поваренной соли, 1 т аммония и 100 т каменного угля.

Анализы снега, собиравшегося во дворах различных промышленных предприятий, обнаружили в нем различные примеси, в зависимости от характера производства. В одних случаях были найдены значительные количества хлористого аммония, в других — серной кислоты и т. д.

Следовательно, даже только что выпавший дождь или снег не представляет идеально чистой воды. Естественно, что количество взвешенных и растворенных в дождевой и снеговой воде веществ будет не всюду одинаково. Если мы проделаем анализ снега, выпавшего зимой в какой-нибудь безлюдной местности, например, в тайге, то он конеч­но, будет более чистым, чем снег какого-нибудь крупного промышленного центра.

Химически чистая вода обладает следующими харак­теристиками:

  1. Чистая вода лишена вкуса и запаха, прозрачна и в толстом слое имеет голубоватый оттенок.
  2. Наибольшей плотностью вода обладает при +4° С, при повышении или понижении температуры от указанной величины плотность воды уменьшается, а объем соответ­ственно увеличивается.
  3. При замерзании (0°С) вода скачком расширяется в объеме, плотность льда при этой температуре равна 0,91, а удельный объем = 1,1. Этим объясняется характер промерзания водоемов — от поверхности, а не со дна.
  4. Температура замерзания воды понижается примерно на 1° С с увеличением давления на каждые 130 атм. Имен­но поэтому вода находится в жидком состоянии на боль­ших глубинах океанов, где температура до —3° С.
  5. Теплоемкость воды падает от 0 до +27° С, а далее повышается. Из всех природных тел вода обладает наи­большей теплоемкостью. Теплоемкость льда вдвое ниже, чем воды, а теплоемкость насыщенного водяного пара отрицательная.
  6. Теплота плавления воды необыкновенно высока, она равна 80 кал (вода при 0° С и лед при 0° С отличаются друг от друга по содержанию скрытой энергии на 80 кал), а теп­лота парообразования — 536 кал (при 100° С).
  7. Необыкновенно высока диэлектрическая постоян­ная воды —87,7.
  8. Коэффициент преломления воды 1,39 (вместо теоре­тически исчисляемого 9).

Наличие в воде растворенных веществ понижает темпе­ратуру ее замерзания. Повышение или понижение баро­метрического давления также соответственно повышает или понижает температуру кипения воды. Так, при 760 мм барометрического давления температура кипения воды равна 100°C; при понижении давления, например, в горах температура кипения воды сильно падает. Это свойство воды используется при определении высот (гипсотермо­метрия).

Как уже указывалось выше, вода может переходить в парообразное состояние при любой температуре, даже ниже нуля, т. е. испаряться может не только жидкая
вода, но и снег и лед. Различие заключается в том, что при температуре ниже 100° С вода испаряется только в том случае, если окружающий воду воздух не насыщен парами, т. е. если относительная влажность воздуха меньше 100%. При температуре 100° С (или выше, при большем, чем нормальное, давлении) вода переходит в паро­образное состояние не­зависимо от степени влажности воздуха.

Примеры изменения раство­римости солей при повышении тем­пературы воды

Следует иметь в виду, что и водород и кисло­род имеют свои изотопы; так, кроме одноатомного водорода (протия) суще­ствует еще водород дей­терий двухатомный и водород тритий. Вода, в состав которой входит дейтерий, носит назва­ние «мертвая вода». Она убивает все живое, явля­ется ядом для растений и животных. Количество ее в земных водоемах крайне ничтожно. Удель­ный вес «мертвой», или «тяжелой», воды больше, чем удельный вес обычной. Полагают, что вода с дейте­рием имеется в очень ограниченном количестве только в некоторых наиболее глубоких водоносных пластах. Соединений кислорода с тритием, который обнаружен срав­нительно недавно, еще меньше; они очень мало изучены.

Известны изотопы и кислорода — О16, О17, О18. Некото­рые исследователи выска­зывают мнение, что кислород О16 свойствен атмосферной воде и воде на поверхности земли в реках и озерах, обра­зующихся за счет атмосферных осадков, а также подземной воде, питаемой атмосферными осадками. О17 свойствен воде океанов, а О18 — глубинным водам литосферы. Воз­можно, что именно это непостоянство молекулярного сос­тава воды и является причиной свойственных воде ано­малий, о которых сказано выше.

Плотность воды

• Школа наук о воде ГЛАВНАЯ • Темы о свойствах воды •

Плотность воды

Если вы еще учитесь в школе, вы, вероятно, слышали это утверждение на уроке естествознания: « Плотность — это масса на единицу объема вещества». На Земле вы можете считать, что масса такая же, как и вес, если это упрощает задачу.

Если вы еще не ходите в школу, вы, вероятно, забыли, что когда-либо слышали это. Определение плотности становится более понятным после небольшого пояснения.Пока объект состоит из молекул и, следовательно, имеет размер или массу, он имеет плотность. Плотность — это просто вес для выбранного количества (объема) материала. Распространенной единицей измерения плотности воды является грамм на миллилитр (1 г / мл) или 1 грамм на кубический сантиметр (1 г / см 3 ).

На самом деле точная плотность воды на самом деле не 1 г / мл, а немного меньше (очень, очень немного меньше), 0,9998395 г / мл при 4,0 ° Цельсия (39,2 ° Фаренгейта). Однако чаще всего вы увидите округленное значение 1 г / мл.

Плотность воды зависит от температуры

Расти со старшим братом было трудно, особенно когда к нему приходили друзья, потому что их любимым занятием было придумывать способы разозлить меня. Однако однажды я смог использовать плотность воды, чтобы хотя бы подшутить над ними. В один жаркий летний день они поднялись на огромный холм рядом с нашим домом, чтобы вырыть яму, чтобы спрятать свою коллекцию крышек от бутылок. Они захотели пить и заставили меня вернуться домой и принести им галлон воды.Этот галлон водопроводной воды при температуре 70 ° F весил 8,329 фунта, что было очень много для ребенка весом 70 фунтов, чтобы подняться на огромный холм.

Итак, когда они потребовали еще один галлон воды, я заглянул в «Интернет» того дня — энциклопедию — и обнаружил, что галлон воды при температуре кипения весил всего 7,996 фунтов! Я побежал на холм, неся свой галлон воды, который весил на 0,333 фунта меньше; и побежали вниз еще быстрее, их сердитые голоса стихли позади меня.

Температура
(° F / ° C)
Плотность
(грамм / см 3
Вес
(фунты / футы 3
32 ° F / 0 ° C 0. 99987 62,416
39,2 ° F / 4,0 ° C 1,00000 62,424
4,4 ° C / 40 ° F 0,99999 62,423
10 ° C / 50 ° F 0,99975 62,408
60 ° F / 15,6 ° C 0,99907 62,366
21 ° C / 70 ° F 0,99802 62,300
80 ° F / 26,7 ° C 0,99669 62.217
90 ° F / 32,2 ° C 0,99510 62.118
100 ° F / 37,8 ° C 0.99318 61,998
120 ° F / 48,9 ° C 0,98870 61,719
140 ° F / 60 ° C 0,98338 61,386
71,1 ° C / 160 ° F 0,97729 61.006
180 ° F / 82,2 ° C 0,97056 60.586
200 ° F / 93,3 ° C 0,96333 60,135
212 ° F / 100 ° C 0,95865 59,843

Источник: Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации, 1977, Руководство по грунтовым водам , из
Водная энциклопедия, третье издание, гидрологические данные и ресурсы в Интернете, под редакцией Педро Фиерро-младшего
и Эвана К. Найлер, 2007 г.

Лед менее плотный, чем вода

Если вы посмотрите на это изображение, то увидите, что часть айсберга находится ниже уровня воды.Это не удивительно, но на самом деле почти весь объем айсберга находится ниже ватерлинии, а не над ней. Это связано с тем, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. При замерзании плотность льда уменьшается примерно на 9 процентов.

Большая часть айсберга находится под поверхностью воды.

Лучший способ представить, как вода может иметь разную плотность, — это посмотреть на замерзшую форму воды. Лед на самом деле имеет совершенно другую структуру, чем жидкая вода, в том смысле, что молекулы выстраиваются в правильную решетку, а не более хаотично, как в жидкой форме.Бывает, что структура решетки позволяет молекулам воды распространяться больше, чем в жидкости, и, таким образом, лед менее плотен, чем вода. Опять же, к счастью для нас, поскольку мы не услышали бы восхитительного звона кубиков льда о стенку стакана, если бы лед в нашем холодном чае опустился на дно. Плотность льда составляет около 90 процентов от плотности воды, но она может варьироваться, потому что лед тоже может содержать воздух. Это означает, что около 10 процентов кубика льда (или айсберга) будет выше ватерлинии.

Это свойство воды имеет решающее значение для всего живого на Земле.Поскольку вода с температурой около 4 ° C (39 ° F) более плотная, чем вода с температурой 32 ° F (0 ° C), в озерах и других водоемах более плотная вода опускается ниже менее плотной. Если бы вода была наиболее плотной в точке замерзания, то зимой очень холодная вода на поверхности озер тонула, озеро могло промерзать снизу вверх. А поскольку вода является таким хорошим изолятором (из-за ее теплоемкости ), некоторые замерзшие озера летом могут не полностью оттаивать.

Реальное объяснение плотности воды на самом деле более сложно, поскольку плотность воды также зависит от количества растворенного в ней вещества.Вода в природе содержит минералы, газы, соли и даже пестициды и бактерии, некоторые из которых растворены. Чем больше вещества растворяется в галлоне воды, тем больше этот галлон будет весить больше и быть более плотным — океанская вода плотнее чистой воды.

Тяжелые кубики льда опускаются на дно стакана с водой, а обычные кубики плавают.

Кредит: Майк Уокер

Мы сказали, что лед плавает по воде, но как насчет «тяжелого льда»?

Мы уже говорили, что лед плавает по воде, потому что он менее плотный, но особый лед может быть плотнее обычной воды.«Тяжелый лед» на 10,6% плотнее, чем обычная вода, потому что он состоит из «тяжелой воды». Тяжелая вода, D 2 O вместо H 2 O, представляет собой воду, в которой оба атома водорода заменены дейтерием, изотопом водорода, содержащим один протон и один нейтрон. Тяжелая вода действительно тяжелее обычной воды (которая в природе содержит небольшое количество молекул тяжелой воды), а тяжелый лед тонет в обычной воде.

Измерение плотности

Ареометр используется для измерения плотности жидкости.

Прибор для измерения плотности жидкости называется ареометром. Это одно из простейших научно-измерительных приборов, и вы даже можете сделать его самостоятельно из пластиковой соломки (см. Ссылки ниже). Однако чаще он сделан из стекла и очень похож на градусник. Он состоит из цилиндрического стержня и утяжеленной луковицы внизу, чтобы он плавал вертикально. Ареометр осторожно опускают в измеряемую жидкость до тех пор, пока ареометр не будет свободно плавать. На устройстве есть вытравленные или отмеченные линии, чтобы пользователь мог видеть, насколько высоко или низко плывет ареометр.В менее плотных жидкостях ареометр будет плавать ниже, в то время как в более плотных жидкостях он будет плавать выше. Поскольку вода является «эталоном», по которому измеряются другие жидкости, отметка для воды, вероятно, обозначена как «1.000»; следовательно, удельный вес воды при температуре около 4 ° C составляет 1.000.

У гидрометров

есть много применений, не в последнюю очередь для измерения солености воды на уроках естествознания в школах. Они также используются в молочной промышленности для оценки жирности молока, поскольку молоко с более высоким содержанием жира будет менее плотным, чем молоко с низким содержанием жира.Ареометры часто используются людьми, которые делают пиво и вино дома, так как они показывают, сколько сахара в жидкости, и позволяют пивовару узнать, как далеко продвинулся процесс брожения.

Сделайте свой ареометр:

Как вы думаете, вы много знаете о свойствах воды?
Пройдите нашу интерактивную викторину «Правда / ложь» и проверьте свои знания о воде.

Лед и плотность воды

Почему лед плавает на поверхности воды, а не тонет, как большинство твердых тел? Ответ на этот вопрос состоит из двух частей.Во-первых, давайте посмотрим, почему что-то плавает. Затем давайте посмотрим, почему лед плавает поверх жидкой воды, а не опускается на дно.

Почему лед плавает

Вещество плавает, если оно менее плотно или имеет меньшую массу на единицу объема, чем другие компоненты в смеси. Например, если вы бросите горсть камней в ведро с водой, камни, более плотные по сравнению с водой, утонут. Вода, менее плотная, чем камни, будет плавать. По сути, камни отталкивают воду или вытесняют ее.Чтобы объект мог плавать, он должен вытеснить жидкость, равную его собственному весу.

Вода достигает максимальной плотности при 4 ° C (40 ° F). По мере того, как он охлаждается и превращается в лед, он становится менее плотным. С другой стороны, большинство веществ являются наиболее плотными в твердом (замороженном) состоянии, чем в жидком состоянии. Вода отличается из-за водородных связей.

Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, прочно связанных друг с другом ковалентными связями.Молекулы воды также притягиваются друг к другу более слабыми химическими связями (водородными связями) между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды. Когда вода охлаждается до температуры ниже 4 ° C, водородные связи регулируются, удерживая отрицательно заряженные атомы кислорода друг от друга. В результате образуется кристаллическая решетка, известная как лед.

Лед плавает, потому что он примерно на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Другими словами, лед занимает на 9% больше места, чем вода, поэтому литр льда весит меньше литра воды.Более тяжелая вода вытесняет более легкий лед, поэтому лед всплывает наверх. Одним из следствий этого является то, что озера и реки замерзают сверху донизу, позволяя рыбе выжить, даже когда поверхность озера замерзла. Если лед опустится, вода будет вытеснена наверх и подвергнется воздействию более низких температур, в результате чего реки и озера заполнятся льдом и замерзнут.

Раковины для тяжелого водяного льда

Однако не весь водяной лед плавает на обычной воде. Лед, изготовленный с использованием тяжелой воды, содержащей изотоп водорода дейтерий, тонет в обычной воде.Водородная связь все еще происходит, но этого недостаточно, чтобы компенсировать разницу масс между нормальной и тяжелой водой. Тяжелый водяной лед тонет в тяжелой воде.

Плотность льда | Эксперимент

Несмотря на то, что это очень безопасный и простой эксперимент, он скорее будет проводиться в виде быстрой демонстрации учителем с обсуждением в классе, чем в качестве эксперимента в классе. Десяти минут должно хватить на то, чтобы сделать замечания, хотя их обсуждение может быть настолько длинным или кратким, как решит учитель.

Учащиеся могут наблюдать множество интересных явлений поверхностного натяжения, когда лед начинает таять, производя жидкую воду с большей плотностью.

Оборудование

Аппарат

  • Цилиндр мерный, 1 дм 3 (см. Примечание 2)
  • Гибкая камера, веб-камера или аналогичный продукт для отображения увеличенного изображения событий на подходящем экране, если таковой имеется

Химическая промышленность

  • Вода, 400 см 3
  • Кубики льда (см. Примечание 3)
  • Растительное масло, 400 см 3 , например, чистое растительное масло

Примечания по технике безопасности, охране труда и технике

  1. Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
  2. Стеклянный мерный цилиндр предпочтительнее пластикового, чтобы обеспечить четкую видимость происходящего.
  3. Кубики льда должны быть сделаны из воды, окрашенной синим пищевым красителем, чтобы обеспечить видимость для класса, и хорошо замороженными, чтобы вода не оставалась внутри кубиков. Убедитесь, что кубики льда действительно плавают на масле, которое вы собираетесь использовать.

Процедура

  1. Поместите примерно 400 см 3 воды и 400 см 3 масла для жарки в мерный цилиндр.Позвольте двум слоям полностью разделиться; масло будет сверху.
  2. Бросьте кубик льда в цилиндр. Он будет плавать (просто) поверх масла.
  3. Посмотрите на куб. По мере таяния образующаяся вода делает каплю, прикрепленную к кубу. В конце концов он отделяется от куба и тонет, присоединяясь к нижнему слою воды. Это иллюстрирует аномально большую плотность воды по сравнению со льдом.

Учебные заметки

Вода, окрашенная в синий цвет, хорошо видна в бледно-желтом масле на белом фоне.

Можно сделать ряд других интересных наблюдений, в основном связанных с высоким поверхностным натяжением воды:

  • После того, как большая часть куба растает, веса капли воды будет достаточно, чтобы утащить за собой оставшуюся часть кубика льда; т.е. средняя плотность куба и капли больше, чем у масла. Иногда, когда куб и капля тонут, капля отделяется от куба, и куб всплывает обратно на поверхность.
  • Маленькие мини-капельки иногда отрываются от основной, когда она опускается, образуя эффект «жемчужной нити».
  • Капли воды могут некоторое время оставаться на границе раздела вода-масло, не сливаясь с массой воды.
  • Есть интересные изменения формы капли воды по мере того, как она образуется, отделяется от куба и тонет.
  • Когда цветные капли воды начинают сливаться с водой, можно увидеть, как окрашенная вода тонет при смешивании из-за ее большей плотности.

Возможно, придется повторить демонстрацию с неокрашенным кубиком льда, чтобы показать, что происходят такие же изменения плотности.

Плотность льда составляет около 0,92 г / см 3 , а плотность воды около 1,00 г / см 3 при 0 ° C. Кулинарное масло имеет плотность между этими двумя, поэтому лед плавает на масле, тогда как вода опускается. Большинство твердых тел более плотные, чем их жидкости. Более низкая плотность льда вызвана его открытой структурой решетки, тетраэдрической сеткой с водородными связями, подобной структуре алмаза:

Показать в полноэкранном режиме

В структуре жидкой воды молекулы воды более плотно упакованы, чем при температуре ниже 4 ° C, что приводит к более высокой плотности.

Дополнительная информация

Это ресурс из проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом. Этот сборник из более чем 200 практических занятий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое упражнение содержит исчерпывающую информацию для учителей и технических специалистов, включая полные технические примечания и пошаговые инструкции. Практическая химия сопровождает практическую физику и практическую биологию.

Эта демонстрация основана на идее, разработанной Колином Джонсоном из Techniquest, Кардифф.

© Фонд Наффилда и Королевское химическое общество

Проверено на здоровье и безопасность, 2016 г.

Плотность воды — Science Learning Hub

Плотность воды изменяется в зависимости от температуры и солености. Плотность измеряется как масса (г) на единицу объема (см3). Вода наиболее плотная при 3,98 ° C и наименее плотная при 0 ° C (точка замерзания).

Почему лед плавает в воде?

  • Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O).Связи между молекулами воды называются водородными связями.
  • Когда вода охлаждается до 3,98 ° C, ее масса остается прежней, но объем уменьшается — та же масса умещается в меньшем пространстве, поэтому она становится более компактной.
  • Когда вода замерзает при 0 ° C, масса остается той же, но ее объем увеличивается на 9 процентов.
  • В жидкой воде молекулы притягиваются друг к другу и временно удерживаются вместе водородными связями.
  • Когда вода замерзает при 0 ° C, образуется жесткая открытая решетка (как паутина) из молекул с водородными связями.Именно эта открытая структура делает лед менее плотным, чем жидкая вода. Вот почему айсберги плавают.

Плотность при разных температурах

Вода при:

  • 30 ° C составляет 0,9957 г см-³
  • 4 ° C составляет 1,0000 г см-³
  • 0 ° C составляет 0,9998 г см-³

Как влияет ли соленость на плотность воды?

  • Соль состоит из множества ионов натрия и хлора, собранных вместе в решетку. На каждый ион натрия вы найдете один ион хлора (соотношение 1: 1).
  • Соль растворяется в воде, потому что притяжение между молекулами воды и ионами натрия или хлора сильнее, чем притяжение между ионами натрия и ионами хлора в решетке. Это позволяет молекулам воды разделять ионы натрия и хлора. Водород молекулы воды притягивается к ионам хлора, а кислород к ионам натрия.
  • Добавление соли в воду делает раствор более плотным, чем пресная вода — он замерзает при более низкой температуре.
  • Соленость морской воды составляет около 3,5 процентов, и она замерзает при температуре около -1,9 ° C.
  • Поскольку в море образуется лед, соль не может быть частью ледяного кристалла, поэтому лед представляет собой почти чистую воду. Выбрасываемая соль образует рассол подо льдом и становится все более и более соленым, пока не станет настолько плотным, что тонет, вытесняя менее плотную морскую воду, которая движется на поверхность. Вот почему морская вода в Антарктиде очень соленая.

В статье «Плотность океана» далее исследуется, как соленость, температура и глубина влияют на плотность морской воды.

Влияние температуры на плотность

Влияние температуры на плотность

Плотность

Плотность — это масса любого материала на единицу объема. Газы всегда имеют гораздо меньшую плотность, чем конденсированные фазы. Большинство материалов имеют более низкую плотность жидкости, чем твердое, но это не всегда так. Вода имеет более высокую плотность в жидком состоянии, чем в твердом, поэтому кубики льда плавают.

Как плотность зависит от температуры в конкретной фазе?

Помните, что температура связана со средней кинетической энергией атомов или молекул внутри вещества.Мы знаем, что для газов объем прямо пропорционален температуре по уравнению PV = nRT.


Чистая вода

Плотность жидкой воды составляет приблизительно 1,0 г / мл. На диаграмме справа указана плотность в кг / м 3 . Разделите на 10 3 , чтобы получить плотность в г / мл.

Давайте посмотрим на плотность воды при 25 ° C и сравним ее с более высокой температурой, 80 ° C. Плотность уменьшается с 0,9970 г / мл до 0,9718 при нагревании.Это имеет смысл, потому что по мере того, как к жидкой воде добавляется тепло, увеличивается кинетическая энергия молекул, а также увеличивается количество колебаний молекул воды. Вместе это означает, что каждая единица H 2 O в жидкой воде занимает больше места при повышении температуры.

Мы видим ту же тенденцию при переходе от жидкой воды при 25 ° C (0,9970 г / мл) к жидкой воде при 4 ° C (0,99997 г / мл). Плотность увеличивается при понижении температуры.

Однако ниже 4 ° C плотность снова уменьшается. Как мы можем это объяснить?

Помните, что жидкая вода и твердая вода имеют одинаковую сеть связей. Жидкая вода при 25 градусах настолько быстро разрывает связи между единицами H 2 O и преобразует их, что лишние молекулы воды попадают в водную решетку. Это причина того, что жидкая вода более плотная, чем твердая вода.

Связи в воде разрываются медленнее при понижении температуры, и структура имеет тенденцию улавливать меньше дополнительных молекул воды. При низкой температуре большая часть воды имеет такую ​​же решетку, как лед.

Википедия, Плотность воды

Жидкая вода может иметь температуру значительно ниже 0 ° C. Молекулы в этой переохлажденной воде могут свободно перемещаться. Связи создаются и разрываются. Структура дальнего действия не идеальна, но структура ближнего действия переохлажденной воды очень похожа на лед. Добавление кристалла в переохлажденную воду вызывает мгновенное образование льда.


Прочие жидкости Pure

Чистый этанол, CH 3 CH 2 OH, является другой чистой жидкостью.Он похож на воду в том, что он полярен, с постоянным дипольным моментом и образует водородные связи с собой. Однако у него нет такой же трехмерной решетки, как у воды.

В таблице справа указана плотность этанола от 3 до 40 ° C в г / мл. Мы видим, что в этом диапазоне плотность уменьшается с температурой. В отличие от ситуации с водой, здесь нет точки максимальной плотности.

Большинство других чистых жидкостей в этом отношении похожи на этанол.

Растворы показывают типичное поведение чистой жидкости при изменении температуры, но на плотность также сильно влияет количество растворенного материала.

Википедия, данные по этанолу

Назад

Компас

Индекс

Столы

Вступление

Следующий

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
    Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
    браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
    Вы должны отключить приложение при входе в систему или уточнить у системного администратора.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файлах cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Эксперимент по измерению плотности нефти и льда

Нужен увлекательный практический способ научить детей плотности? Вы пришли в нужное место! Этот эксперимент с плотностью нефти и льда — простой способ заворожить студентов всех возрастов.

Подготовка к работе

Подготовить эксперимент по плотности нефти и льда было очень легко.

Сначала мы сделали цветные кубики льда.

Я смешал несколько капель синего и зеленого пищевого красителя с водой, а затем вылил окрашенную воду в силиконовые формы для льда.

После нескольких часов в морозильной камере они были готовы к работе!

Мы наполнили вазу водой примерно на 3/4.

Затем мы вылили слой растительного масла толщиной около 2 дюймов поверх воды.

Потребовалось несколько минут для того, чтобы масло осело на поверхности воды и чтобы все пузырьки воздуха исчезли.

Когда масло осело, я пригласил детей проверить наш крутой научный трюк с маслом и льдом.

Эксперимент по измерению плотности нефти и льда

Ребята сразу заметили, как масло плавает на поверхности воды.

Я объяснил, что масло менее плотное, чем вода, поэтому оно плавает сверху.

Я спросил их, что, по их мнению, произойдет, когда мы поместим лед в вазу.

Мы поместили несколько кубиков льда в вазу и наблюдали, как они плавают в масляном слое.

По мере таяния льда капли воды медленно падали со льда в нефтяном слое в водный слой. Было волшебно наблюдать, как цветные капли воды врываются в слой воды, как фейерверк!

Мы добавляли все больше и больше льда и смотрели, как он тает. Со временем слой воды превратился в сияющий голубовато-зеленый цвет от всего растаявшего льда.

Наука за экспериментом

Плотность жидкой воды составляет около 1 г / см 3 , а у растительного масла — 0,93 г / см 3 . Поскольку растительное масло менее плотное, оно плавает на поверхности воды.

Лед имеет плотность около 0,92 г / см. 3 , поэтому он плавает в нефтяном слое. Когда лед тает и превращается в жидкую воду, он становится более плотным, чем масло, и опускается в слой воды.

Нефть и вода не смешиваются вместе, потому что они состоят из разных видов химических связей.

Нефть состоит из атомов углерода и водорода, которые образуют неполярные связи, а вода состоит из кислорода и водорода, которые образуют полярные связи.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *