لماذا الجليد لا يغرق أمثلة من الأدب. لماذا لا يغرق الجليد في الماء ، بل يطفو على سطحه

نحن لا نتفاجأ على الإطلاق من كتل الجليد العائمة في بداية الربيع ، عندما تبدأ الخزانات في تحرير نفسها من "الملابس" الشتوية وتكشف عن جمال المياه العذبة للعين البشرية. نحن معتادون على ذلك ظاهرة طبيعيةلا نفكر فيه ولا نتساءل لماذا لا يذوب الجليد؟ وإذا فكرت في الأمر ، فلن تتذكر على الفور أمثلة عندما تطفو مواد صلبة مثل الجليد في سوائل تتشكل عند ذوبانها. يمكنك إذابة البارافين أو الشمع في وعاء ورمي قطعة من نفس المادة في البركة الناتجة ، فقط في حالة صلبة. وماذا نرى؟ الشمع والبارافين يغرقان بأمان في السائل الذي تشكل نتيجة ذوبانهما.

لماذا لا يغرق الجليد في الماء؟الحقيقة هي أن الماء في هذا المثال هو استثناء نادر جدًا وفريد ​​بطبيعته. في الطبيعة ، يتصرف المعدن والحديد الزهر فقط مثل قطعة من الجليد تطفو على سطح الماء.

إذا كان الجليد أثقل من الماء ، فمن المؤكد أنه سيغرق تحت وزنه وفي نفس الوقت يزيح الماء في الجزء السفلي من الخزان إلى السطح. نتيجة لذلك ، ستتجمد البركة بأكملها حتى القاع! ومع ذلك ، عندما يتجمد الماء ، يحدث وضع مختلف تمامًا. يؤدي تحويل الماء إلى جليد إلى زيادة حجمه بنحو 10٪ وهو في هذه اللحظة الجليد أقل كثافة من الماء نفسه. ولهذا السبب يطفو الجليد على سطح الماء ولا يغرق. يمكن ملاحظة نفس الشيء عند إنزال قارب ورقي على الماء ، حيث تكون كثافته أقل بكثير من كثافة الماء. إذا كان هناك قارب مصنوع من الخشب أو أي مادة أخرى ، فإنه سيغرق بالتأكيد. إذا قارنا مؤشرات الكثافة بالأرقام ، فعلى سبيل المثال ، إذا كانت كثافة الماء وحدة ، فإن كثافة الجليد ستكون 0.91.

يجب أن تؤخذ الزيادة في حجم الماء أثناء انتقاله إلى حالة الجليد في الاعتبار في الحياة اليومية. يكفي ترك برميل في البرد ، مملوءًا بالماء ، ثم السائل المتجمد يكسر الحاوية. لذلك لا يوصى بترك الماء في مشعاع السيارة التي تقف في البرد. ايضا في بارد جدامن الضروري توخي الحذر من الانقطاعات في إمداد الماء الدافئ الذي يمر عبر أنابيب التدفئة. إذا بقي الماء في الأنبوب الخارجي ، فإنه يتجمد على الفور ، مما سيؤدي حتمًا إلى إتلاف إمدادات المياه.

كما تعلمون ، في المحيطات والبحار أعماق كبيرة، حيث تكون درجة الحرارة أقل من الصفر ، لا يزال الماء لا يتجمد ولا يتحول إلى كتلة من الجليد. لشرح هذا الأمر بسيط للغاية - الطبقات العليا من الماء تخلق ضغطًا هائلاً. على سبيل المثال ، طبقة من الماء تضغط على كيلومتر واحد بقوة تزيد عن مائة ضغط جوي.

إذا كان الماء طبيعيًا وليس سائلًا فريدًا ، فلن نتمتع بالتزلج. نحن لا نتدحرج على الزجاج ، أليس كذلك؟ لكنها أكثر سلاسة وجاذبية من الجليد. لكن الزجاج مادة لن تنزلق عليها الزلاجات. لكن على الجليد ، حتى لو لم تكن الجودة جيدة جدًا ، فإن التزحلق على الجليد يعد متعة. سوف تسأل لماذا؟ الحقيقة هي أن وزن أجسامنا يضغط على شفرة رقيقة جدًا من الزلاجة ، مما يمارس ضغطًا قويًا عليها جليد. نتيجة لهذا الضغط من التلال ، يبدأ الجليد في الذوبان مع تكوين غشاء رقيق من الماء ينزلق عليه التلال بشكل ممتاز.

كيف نفسر العمليات الفيزيائية المعقدة للطفل؟

أول ما يتبادر إلى الذهن هو الكثافة. نعم ، في الواقع ، يطفو الجليد لأنه أقل كثافة من الماء. ولكن كيف تشرح للطفل ما هي الكثافة؟ لا أحد مجبر على إخباره بالمنهج المدرسي ، ولكن من الواقعي اختزال كل شيء إلى حقيقة أن الجليد أخف وزنًا. في الواقع ، نفس الحجم من الماء والجليد لهما أوزان مختلفة. إذا درسنا المشكلة بمزيد من التفصيل ، فيمكننا التعبير عن عدة أسباب أخرى ، بالإضافة إلى الكثافة.
لا يغرق الجليد في الماء ، ليس فقط لأن كثافته المنخفضة تمنعه ​​من الغرق إلى مستوى أدنى. والسبب أيضًا هو تجميد فقاعات الهواء الصغيرة في سمك الجليد. كما أنها تقلل الكثافة ، وبالتالي يتضح بشكل عام أن وزن لوح الجليد يصبح أقل. عندما يتمدد الجليد ، فإنه لا يلتقط المزيد من الهواء، ولكن من ناحية أخرى ، كل تلك الفقاعات التي انتهت بالفعل داخل هذه الطبقة موجودة حتى يبدأ الجليد في الذوبان أو التسامي.

نجري تجربة على قوة تمدد الماء

ولكن كيف يمكنك إثبات أن الجليد يتمدد بالفعل؟ بعد كل شيء ، يمكن أن يتمدد الماء أيضًا ، كيف يمكنك إثبات ذلك في ظروف اصطناعية؟ يمكنك إجراء تجربة ممتعة وبسيطة للغاية. للقيام بذلك ، تحتاج إلى كوب من البلاستيك أو الكرتون والماء. لا يجب أن يكون مقدارها كبيرًا ، ولا داعي لملء الزجاج حتى أسنانه. أيضًا ، من الناحية المثالية ، تحتاج إلى درجة حرارة تبلغ حوالي -8 درجات أو أقل. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، فستستمر التجربة لفترة طويلة بشكل غير معقول.
لذلك ، يتم سكب الماء في الداخل ، يجب أن ننتظر حتى يتشكل الجليد. منذ أن اخترنا درجة الحرارة المثلى، حيث ستتحول كمية صغيرة من السائل إلى ثلج في غضون ساعتين إلى ثلاث ساعات ، يمكنك العودة إلى المنزل بأمان والانتظار. تحتاج إلى الانتظار حتى يتحول كل الماء إلى جليد. بعد مرور بعض الوقت ، ننظر إلى النتيجة. الكوب المشوه أو الممزق بالجليد مضمون. في درجات الحرارة المنخفضة ، تبدو التأثيرات أكثر إثارة للإعجاب ، وتستغرق التجربة نفسها وقتًا أقل.

عواقب سلبية

اتضح أن تجربة بسيطة تؤكد أن كتل الجليد تتمدد حقًا عندما تنخفض درجة الحرارة ، ويزداد حجم الماء بسهولة عندما يتجمد. كقاعدة عامة ، تجلب هذه الميزة الكثير من المشاكل للأشخاص النسيان: زجاجة شمبانيا تركت على الشرفة تحتها السنة الجديدةلفترة طويلة ، ممزقة بسبب التعرض للجليد. نظرًا لأن قوة التمدد كبيرة جدًا ، فلا يمكن التأثير عليها بأي شكل من الأشكال. حسنًا ، فيما يتعلق بطفو كتل الجليد ، هنا لا يمكنك إثبات أي شيء. يمكن للأشخاص الأكثر فضولًا إجراء تجربة مماثلة بسهولة في الربيع أو الخريف بمفردهم ، في محاولة لإغراق قطع من الجليد في بركة كبيرة.

ليس هناك شك في أن الجليد يطفو على سطح الماء. لقد شاهده الجميع مئات المرات في البركة وعلى النهر.

لكن كم عدد الأشخاص الذين فكروا في هذا السؤال: هل تتصرف جميع المواد الصلبة بنفس طريقة سلوك الجليد ، أي أنها تطفو في السوائل التي تشكلت أثناء ذوبانها؟

قم بإذابة البارافين أو الشمع في وعاء ورمي قطعة أخرى من نفس المادة الصلبة في هذا السائل ، وسوف تغرق على الفور. يحدث الشيء نفسه مع الرصاص والقصدير والعديد من المواد الأخرى. اتضح ، كقاعدة عامة ، أن الأجسام الصلبة تغرق دائمًا في السوائل التي تتكون عند الذوبان.

عند التعامل مع الماء في أغلب الأحيان ، اعتدنا على الظاهرة المعاكسة لدرجة أننا غالبًا ما ننسى هذه الخاصية ، التي تتميز بها جميع المواد الأخرى. يجب أن نتذكر أن الماء هو استثناء نادر في هذا الصدد. فقط البزموت المعدني والحديد الزهر يتصرفان بنفس الطريقة التي يتصرف بها الماء.

إذا كان الجليد أثقل من الماء ولن يبقى على سطحه ، لكنه سيغرق ، فعندئذٍ حتى في الخزانات العميقة ، سيتجمد الماء تمامًا في الشتاء. في الواقع: الثلج المتساقط في قاع البركة سيجبر الطبقات السفلية من الماء على الصعود ، وسيحدث هذا حتى يتحول كل الماء إلى جليد.

ومع ذلك ، عندما يتجمد الماء ، يكون العكس هو الصحيح. في اللحظة التي يتحول فيها الماء إلى جليد ، يزداد حجمه فجأة بنحو 10 في المائة ، ويكون الجليد أقل كثافة من الماء. هذا هو السبب في أنها تطفو في الماء ، حيث يطفو أي جسم في سائل ذي كثافة عالية: مسمار حديدي في الزئبق ، وفلين في الزيت ، وما إلى ذلك. إذا اعتبرنا أن كثافة الماء تساوي واحدًا ، فإن كثافة سيكون الجليد 0.91 فقط. يسمح لنا هذا الشكل بمعرفة سمك الجليد الطافي على الماء. إذا كان ارتفاع طوف الجليد فوق الماء ، على سبيل المثال ، 2 سم ، فيمكننا أن نستنتج أن الطبقة تحت الماء لطوف الجليد هي 9 مرات أكثر سمكًا ، أي 18 سم ، وطوف الجليد بأكمله 20 سم.

في البحار والمحيطات توجد أحيانًا جبال جليدية ضخمة - جبال جليدية (الشكل 4). هذه هي الأنهار الجليدية التي انزلقت من الجبال القطبية وحملها التيار والرياح بعيدًا في البحر المفتوح. يمكن أن يصل ارتفاعها إلى 200 متر ، والحجم - عدة ملايين من الأمتار المكعبة. تسعة أعشار الكتلة الكاملة للجبل الجليدي مخبأة تحت الماء. لذلك ، فإن اللقاء به أمر خطير للغاية. إذا لم تلاحظ السفينة العملاق الجليدي المتحرك في الوقت المناسب ، فقد تتعرض لأضرار جسيمة أو قد تقتل في حادث تصادم.

تعتبر الزيادة المفاجئة في الحجم عندما تتحول الكودا السائلة إلى جليد سمة مهمة من سمات الماء. غالبًا ما يجب أخذ هذه الميزة في الاعتبار في الحياة العملية. إذا تركت برميلًا من الماء في البرد ، فإن الماء المتجمد سوف يكسر البرميل. للسبب نفسه ، لا يجب ترك الماء في مشعاع السيارة في مرآب بارد. في حالة الصقيع الشديد ، يجب أن تكون حذرًا من أدنى انقطاع في الإمداد ماء دافئمن خلال أنابيب تسخين المياه: يمكن أن تتجمد المياه التي توقفت في الأنبوب الخارجي بسرعة ، ثم ينفجر الأنبوب.

غالبًا ما يكون الماء المتجمد في شقوق الصخور هو سبب انهيار الجبال.

دعونا الآن نفكر في تجربة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتمدد الماء عند تسخينه. يتطلب إعداد هذه التجربة معدات خاصة ، ومن غير المحتمل أن يتمكن أي من القراء من إعادة إنتاجها في المنزل. نعم ، هذه ليست ضرورة. من السهل تخيل التجربة ، وسنحاول تأكيد نتائجها بأمثلة معروفة للجميع.

لنأخذ معدنًا قويًا جدًا ، ويفضل أن يكون أسطوانة فولاذية (الشكل 5) ، نسكب لقطة صغيرة على قاعها ، ونملأها بالماء ، ونصلح الغطاء بالمسامير ، ونبدأ في لف المسمار. نظرًا لأن الماء يضغط قليلاً جدًا ، فلن تضطر إلى لف البرغي لفترة طويلة. بالفعل بعد بضع ثورات ، يرتفع الضغط داخل الأسطوانة إلى مئات الغلاف الجوي. إذا تم تبريد الأسطوانة الآن حتى بمقدار 2-3 درجات تحت الصفر ، فلن يتجمد الماء الموجود فيها. لكن كيف يمكنك التأكد من هذا؟ إذا فتحت الاسطوانة ، فعند هذه الدرجة و الضغط الجويسيتحول الماء على الفور إلى جليد ، ولن نعرف ما إذا كان سائلًا أم صلبًا عندما كان تحت الضغط. هنا ، سوف تساعدنا الكريات المصبوبة. عندما تبرد الأسطوانة ، اقلبها رأسًا على عقب. إذا تم تجميد الماء ، فستكون اللقطة في الأسفل ، وإذا لم يتم تجميدها ، فستتجمع اللقطة في الغطاء. دعونا فك المسمار. سينخفض ​​الضغط وسيتجمد الماء بالتأكيد. بعد إزالة الغطاء ، نتأكد من أن كل اللقطات قد تجمعت بالقرب من الغطاء. لذلك ، في الواقع ، الماء تحت الضغط لم يتجمد عند درجات حرارة أقل من الصفر.

تظهر التجربة أن درجة تجمد الماء تتناقص مع زيادة الضغط بحوالي درجة واحدة لكل 130 ضغط جوي.

إذا بدأنا في بناء منطقنا على أساس ملاحظات العديد من المواد الأخرى ، فسيتعين علينا الوصول إلى الاستنتاج المعاكس. يساعد الضغط عادة السوائل على تصلب: تحت الضغط ، تتجمد السوائل بدرجة أكبر درجة حرارة عالية، وليس هناك ما يدعو للدهشة إذا تذكرنا أن معظم المواد تنخفض في الحجم أثناء التصلب. يتسبب الضغط في انخفاض الحجم وبالتالي يسهل انتقال السائل إلى الحالة الصلبة. الماء ، عند التصلب ، كما نعلم بالفعل ، لا ينقص في الحجم ، بل على العكس يتوسع. لذلك ، فإن الضغط ، الذي يمنع تمدد الماء ، يقلل من نقطة التجمد.

من المعروف أنه في المحيطات على أعماق كبيرة تكون درجة حرارة الماء أقل من درجة الصفر ، ومع ذلك فإن الماء في هذه الأعماق لا يتجمد. يفسر ذلك الضغط الذي ينتج الطبقات العليا من الماء. طبقة من الماء بسماكة كيلومتر واحد بقوة تبلغ حوالي مائة ضغط جوي.

إذا كان الماء سائلاً عاديًا ، فإننا بالكاد نشعر بمتعة التزلج على الجليد. سيكون مثل الدحرجة على زجاج أملس تمامًا. الزلاجات لا تنزلق على الزجاج. إنه شيء مختلف تمامًا على الجليد. التزحلق على الجليد سهل جدا. لماذا ا؟ تحت ثقل أجسامنا ، تمارس الشفرة الرقيقة للتزلج ضغطًا قويًا إلى حد ما على الجليد ، ويذوب الجليد الموجود أسفل الزلاجة ؛ يتم تشكيل غشاء رقيق من الماء ، والذي يعمل بمثابة مادة تشحيم ممتازة.

الثلج والماء.
من المعروف أن قطعة من الثلج موضوعة في كوب من الماء لا تغرق. هذا لأن قوة الطفو تعمل على الجليد من جانب الماء.

أرز. 4.1 ثلج في الماء.

كما يظهر في الشكل. 4.1 ، تكون قوة الطفو ناتجة عن قوى ضغط الماء التي تعمل على سطح الجزء المغمور من الجليد (المنطقة المظللة في الشكل 4.1). يطفو الجليد على الماء لأن قوة الجاذبية التي تسحبه إلى القاع متوازنة مع قوة الطفو.
تخيل أنه لا يوجد ثلج في الزجاج ، وأن المنطقة المظللة في الشكل مملوءة بالماء. هنا لن يكون هناك خط فاصل بين المياه الموجودة داخل هذه المنطقة وخارجها. ومع ذلك ، في هذه الحالة أيضًا ، تتوازن قوة الطفو وقوة الجاذبية المؤثرة على الماء الموجود في المنطقة المظللة. نظرًا لأنه في كلتا الحالتين المذكورتين أعلاه ، تظل قوة الطفو دون تغيير ، فهذا يعني أن قوة الجاذبية التي تعمل على قطعة من الجليد وعلى الماء داخل المنطقة أعلاه هي نفسها. بمعنى آخر ، لديهم وزن متساوٍ. ومن الصحيح أيضًا أن كتلة الجليد تساوي كتلة الماء في المنطقة المظللة.
بعد ذوبان الجليد ، سيتحول إلى ماء من نفس الكتلة ويملأ حجمًا مساويًا لحجم المنطقة المظللة. لذلك ، لن يتغير مستوى الماء في كوب من الماء وقطعة من الثلج بعد ذوبان الجليد.
الحالة السائلة والصلبة.
نعلم الآن أن حجم قطعة من الجليد أكبر من الحجم الذي يشغله الماء ذو ​​الكتلة المتساوية. تسمى نسبة كتلة المادة إلى الحجم الذي تشغله كثافة المادة. لذلك ، فإن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء. القيم العددية المقاسة عند 0 درجة مئوية هي: للمياه - 0.9998 ، للجليد - 0.917 جم / سم 3. ليس الجليد فقط ، ولكن أيضًا المواد الصلبة الأخرى ، عند تسخينها ، تصل إلى درجة حرارة معينة ، حيث يبدأ انتقالها إلى الحالة السائلة. في حالة ذوبان مادة نقية ، لن تبدأ درجة حرارتها في الارتفاع عند تسخينها حتى تنتقل كتلتها بالكامل إلى الحالة السائلة. تسمى درجة الحرارة هذه درجة انصهار المادة. بعد انتهاء الذوبان ، سيؤدي التسخين إلى زيادة درجة حرارة السائل. إذا تم تبريد السائل ، مما أدى إلى خفض درجة الحرارة إلى نقطة الانصهار ، فسيبدأ في الانتقال إلى الحالة الصلبة.
بالنسبة لمعظم المواد ، على عكس حالة الجليد والماء ، تكون الكثافة في الحالة الصلبة أعلى منها في الحالة السائلة. على سبيل المثال ، الأرجون ، الذي يكون عادة في حالة غازية ، يتجمد عند درجة حرارة -189.2 درجة مئوية ؛ كثافة الأرجون الصلب 1.809 جم / سم 3 (في الحالة السائلة ، كثافة الأرجون 1.38 جم / سم 3). لذلك ، إذا قارنا كثافة مادة في الحالة الصلبة عند درجة حرارة قريبة من نقطة الانصهار مع كثافتها في الحالة السائلة ، فقد اتضح أنه في حالة الأرجون تنخفض بنسبة 14.4٪ ، وفي حالة الصوديوم بنسبة 2.5٪.
عادة ما يكون التغيير في كثافة مادة ما عند المرور عبر نقطة انصهار المعادن ضئيلًا ، باستثناء الألومنيوم والذهب (0 و 5.3 ٪ على التوالي). بالنسبة لجميع هذه المواد ، على عكس الماء ، لا تبدأ عملية التصلب عند السطح ، ولكن من الأسفل.
ومع ذلك ، توجد معادن تقل كثافتها أثناء الانتقال إلى الحالة الصلبة. وتشمل هذه الأنتيمون ، البزموت ، الغاليوم ، حيث بلغ هذا الانخفاض 0.95 و 3.35 و 3.2٪ على التوالي. ينتمي الغاليوم ، الذي تبلغ درجة انصهاره إلى -29.8 درجة مئوية ، مع الزئبق والسيزيوم ، إلى فئة المعادن منخفضة الانصهار.
الفرق بين الحالات الصلبة والسائلة للمادة.
في الحالة الصلبة ، على عكس الحالة السائلة ، يتم ترتيب الجزيئات التي تتكون منها المادة بطريقة منظمة.

أرز. 4.2 الفرق بين الحالة السائلة والصلبة للمادة

على التين. يوضح الشكل 4.2 (على اليمين) مثالاً على حشو كثيف للجزيئات (يُصوَّر بشكل مشروط بواسطة دوائر) ، وهو ما يميز مادة في الحالة الصلبة. يظهر بجانبه التركيب غير المنتظم المميز للسائل. في الحالة السائلة ، تكون الجزيئات على مسافات كبيرة من بعضها البعض ، وتتمتع بقدر أكبر من حرية الحركة ، ونتيجة لذلك ، فإن المادة في الحالة السائلة تغير شكلها بسهولة ، أي أن لها خاصية مثل السيولة.
بالنسبة للمواد السائلة ، كما هو مذكور أعلاه ، فإن الترتيب العشوائي للجزيئات هو خاصية مميزة ، ولكن ليست كل المواد التي لها مثل هذا الهيكل قادرة على التدفق. ومن الأمثلة على ذلك الزجاج ، الذي يتم ترتيب جزيئاته بشكل عشوائي ، لكنه لا يتدفق.
المواد البلورية هي مواد يتم ترتيب جزيئاتها بطريقة منظمة. في الطبيعة ، هناك مواد لها بلورات لها مظهر مميز. وتشمل هذه الكوارتز والجليد. لا توجد المعادن الصلبة مثل الحديد والرصاص بشكل طبيعي في البلورات الكبيرة. ومع ذلك ، عند دراسة سطحها تحت المجهر ، يمكن للمرء أن يميز عناقيد من البلورات الصغيرة ، كما يتضح من الصورة (الشكل 4.3).

أرز. 4.3 صورة مجهرية لسطح الحديد.

هناك طرق خاصة للحصول على بلورات كبيرة من المواد المعدنية.
مهما كان حجم البلورات ، فإنهم يشتركون في ترتيب مرتب للجزيئات. كما أنها تتميز بوجود نقطة انصهار محددة للغاية. هذا يعني أن درجة حرارة الجسم الذائب لا تزداد عند تسخينها حتى تذوب تمامًا. الزجاج ، على عكس المواد البلورية ، ليس له نقطة انصهار محددة: عند تسخينه ، يلين تدريجياً ويتحول إلى سائل عادي. وبالتالي ، فإن نقطة الانصهار تتوافق مع درجة الحرارة التي يتم عندها تدمير الترتيب المنظم للجزيئات ويصبح الهيكل البلوري مضطربًا. في الختام ، نلاحظ خاصية أخرى مثيرة للاهتمام للزجاج ، نظرًا لافتقارها إلى هيكل بلوري: من خلال تطبيق قوة شد طويلة المدى عليه ، على سبيل المثال ، لمدة 10 سنوات ، سوف نتأكد من أن الزجاج يتدفق مثل سائل عادي.
تغليف الجزيء.
باستخدام الأشعة السينية وشعاع الإلكترون ، يمكن للمرء دراسة كيفية ترتيب الجزيئات في البلورة. إشعاع الأشعة السينية له طول موجي أقصر بكثير من الضوء المرئي ، لذلك يمكن أن ينحرف عن طريق التركيب البلوري المنتظم هندسيًا للذرات أو الجزيئات. من خلال تسجيل نمط الحيود على لوحة فوتوغرافية (الشكل 4.4) ، من الممكن تحديد ترتيب الذرات في بلورة. باستخدام نفس الطريقة للسوائل ، يمكن للمرء التحقق من أن الجزيئات في السائل ليست مرتبة بالترتيب.

أرز. 4.4 حيود الأشعة السينية على هيكل دوري.
أرز. 4.5 طريقتان لحزم الكرات بإحكام.

تكون جزيئات المادة الصلبة ، التي تكون في حالة بلورية ، معقدة جدًا بالنسبة لبعضها البعض. تبدو بنية المواد المكونة من ذرات أو جزيئات من نفس النوع بسيطة نسبيًا ، على سبيل المثال ، بلورة الأرجون الموضحة في الشكل. 4.5 (على اليسار) ، حيث يتم تحديد الذرات بشكل تقليدي بواسطة الكرات. يمكنك ملء مساحة معينة بإحكام بالكرات بطرق مختلفة. مثل هذه التعبئة الكثيفة ممكنة بسبب وجود قوى الجذب بين الجزيئات ، والتي تميل إلى ترتيب الجزيئات بحيث يكون الحجم الذي تشغله ضئيلاً. ومع ذلك ، في الواقع ، الهيكل في الشكل. 4.5 (يمين) لا يحدث ؛ ليس من السهل شرح هذه الحقيقة.
فكيف تتخيل طرق مختلفةمن الصعب جدًا وضع الكرات في الفضاء ، دعنا نفكر في كيفية ترتيب العملات بإحكام على الطائرة.

أرز. 4.6 ترتيب مرتب للعملات المعدنية على متن طائرة.

على التين. 4.6 يتم تقديم طريقتين من هذا القبيل: في الطريقة الأولى ، يكون كل جزيء على اتصال بأربعة جزيئات مجاورة ، ومراكزها هي رؤوس مربع مع ضلع d ، حيث d هو قطر العملة ؛ في الحالة الثانية ، تكون كل عملة على اتصال بستة عملات متجاورة. تحدد الخطوط المنقطة في الشكل المساحة التي تشغلها عملة واحدة. في الحالة الأولى
إنها تساوي d 2 ، ومرة ​​أخرى هذه المساحة أصغر وتساوي √3d 2/2.
الطريقة الثانية لوضع العملات المعدنية تقلل بشكل كبير من الفجوة بينهما.
جزيء داخل بلورة.الغرض من دراسة البلورات هو تحديد كيفية ترتيب الجزيئات فيها. يتم ترتيب بلورات المعادن مثل الذهب والفضة والنحاس مثل بلورات الأرجون. في حالة المعادن ، ينبغي للمرء أن يتحدث عن ترتيب مرتب للأيونات ، وليس الجزيئات. ذرة نحاسية ، على سبيل المثال ، تفقد إلكترونًا واحدًا ، تتحول إلى أيون نحاسي سالب الشحنة. الإلكترونات حرة في التحرك بين الأيونات. إذا تم تمثيل الأيونات بشكل مشروط في شكل كرات ، فإننا نحصل على هيكل يتميز بالتعبئة القريبة. تختلف بلورات المعادن مثل الصوديوم والبوتاسيوم إلى حد ما في التركيب عن النحاس. لا يمكن تمثيل جزيئات ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية ، التي تتكون من ذرات مختلفة ، على شكل كرات. بالانتقال إلى الحالة الصلبة ، فإنها تشكل بنية بلورية معقدة للغاية.

أرز. 4.7 بلوري "ثلج جاف" (كرات كبيرة كبيرة - ذرات كربون)

على التين. يوضح الشكل 4.7 بلورات صلبة من ثاني أكسيد الكربون تسمى الجليد الجاف. الماس ، وهو ليس مركبًا كيميائيًا ، له أيضًا بنية خاصة ، حيث تتشكل الروابط الكيميائية بين ذرات الكربون.
كثافة السائل.عند الانتقال إلى الحالة السائلة ، يصبح التركيب الجزيئي للمادة مضطربًا. يمكن أن تكون هذه العملية مصحوبة بانخفاض وزيادة في الحجم الذي تشغله مادة معينة في الفضاء.


أرز. 4.8 نماذج مصنوعة من الطوب ، تتوافق مع بنية الماء والجسم الصلب.

كتوضيح ، ضع في اعتبارك ما هو مبين في الشكل. 4.8 مبنى من الطوب. دع كل لبنة تتوافق مع جزيء واحد. يتحول مبنى من الطوب دمره زلزال إلى كومة من الطوب ، تكون أبعادها أصغر من أبعاد المبنى. ومع ذلك ، إذا تم تكديس كل الطوب بدقة واحدة تلو الأخرى ، فإن مقدار المساحة التي تشغلها ستصبح أصغر. توجد علاقة مماثلة بين كثافة المادة في الحالة الصلبة والسائلة. يمكن أن ترتبط بلورات النحاس والأرجون بالتعبئة الكثيفة الموضحة للطوب. الحالة السائلة فيها تتوافق مع كومة من الطوب. ويرافق الانتقال من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة في ظل هذه الظروف انخفاض في الكثافة.
في الوقت نفسه ، فإن الانتقال من بنية بلورية ذات مسافات كبيرة بين الجزيئات (والتي تتوافق مع مبنى من الطوب) إلى حالة سائلة مصحوبة بزيادة في الكثافة. ومع ذلك ، في الواقع ، تحتفظ العديد من البلورات بمسافات كبيرة بين الجزيئات أثناء الانتقال إلى الحالة السائلة.
بالنسبة للأنتيمون والبزموت والغاليوم والمعادن الأخرى ، على عكس الصوديوم والنحاس ، فإن التعبئة الكثيفة ليست نموذجية. بسبب المسافات الكبيرة بين الذرات ، تزداد كثافتها أثناء الانتقال إلى الطور السائل.

هيكل الجليد.
يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين واثنين من ذرات الهيدروجين الموجودة على جانبيها المتقابل. على عكس جزيء ثاني أكسيد الكربون ، حيث توجد ذرة الكربون واثنين من ذرات الأكسجين على طول خط مستقيم واحد ، في جزيء الماء ، تشكل الخطوط التي تربط ذرة الأكسجين مع كل ذرة من ذرات الهيدروجين زاوية 104.5 درجة بينهما. لذلك ، هناك قوى تفاعل بين جزيئات الماء تكون كهربائية بطبيعتها. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للخصائص الخاصة لذرة الهيدروجين ، أثناء التبلور ، يشكل الماء هيكلًا يرتبط فيه كل جزيء بأربعة جزيئات مجاورة. تم تبسيط هذا الهيكل في الشكل. 4.9 الكرات الكبيرة عبارة عن ذرات أكسجين ، والكرات السوداء الصغيرة عبارة عن ذرات هيدروجين.

أرز. 4.9 التركيب البلوري للجليد.

تتحقق مسافات كبيرة بين الجزيئات في هذا الهيكل. لذلك عندما يذوب الجليد وينهار الهيكل ، يتناقص الحجم لكل جزيء. هذا يؤدي إلى حقيقة أن كثافة الماء أعلى من كثافة الجليد ويمكن للجليد أن يطفو على الماء.

دراسة 1
ما سبب ارتفاع كثافة الماء عند 4 درجات مئوية؟

الترابط الهيدروجيني والتمدد الحراري.بعد الذوبان ، يتحول الجليد إلى ماء تكون كثافته أعلى من كثافة الجليد. مع زيادة درجة حرارة الماء ، تزداد كثافته حتى تصل درجة الحرارة إلى 4 درجات مئوية. إذا كانت كثافة الماء عند 0 درجة مئوية هي 0.99984 جم / سم 3 ، فعند 4 درجات مئوية تكون 0.99997 جم / سم 3. تؤدي الزيادة الأخرى في درجة الحرارة إلى انخفاض في الكثافة وعند 8 درجات مئوية سيكون لها نفس القيمة مرة أخرى عند 0 درجة مئوية.

أرز. 4.10. التركيب البلوري للجليد (الكرات الكبيرة عبارة عن ذرات أكسجين).

ترتبط هذه الظاهرة بوجود بنية بلورية في الجليد. جميع التفاصيل موضحة في الشكل. 4.10 ، من أجل الوضوح ، تظهر الذرات على شكل كرات ، ويتم الإشارة إلى الروابط الكيميائية بخطوط صلبة. من سمات الهيكل أن ذرة الهيدروجين تقع دائمًا بين ذرتين من الأكسجين ، أقرب إلى إحداهما. وبالتالي ، فإن ذرة الهيدروجين تساهم في ظهور قوة متماسكة بين جزيئي ماء متجاورين. تسمى قوة الترابط هذه الرابطة الهيدروجينية. نظرًا لأن الروابط الهيدروجينية تحدث فقط في اتجاهات معينة ، فإن ترتيب جزيئات الماء في قطعة من الجليد يكون قريبًا من رباعي السطوح. عندما يتحول الجليد ، بعد ذوبانه ، إلى ماء ، لا يتم تدمير جزء كبير من الروابط الهيدروجينية ، بسبب الحفاظ على الهيكل ، بالقرب من رباعي السطوح مع مسافات كبيرة بين الجزيئات مميزة له. مع ارتفاع درجة الحرارة ، يزداد معدل الحركة الانتقالية والدورانية للجزيئات ، ونتيجة لذلك تنكسر الروابط الهيدروجينية ، وتقل المسافة بين الجزيئات وتزداد كثافة الماء.
ومع ذلك ، بالتوازي مع هذه العملية ، مع زيادة درجة الحرارة ، يحدث تمدد حراري للماء ، مما يؤدي إلى انخفاض كثافته. يؤدي تأثير هذين العاملين إلى حقيقة أن أقصى كثافة للمياه تصل إلى 4 درجات مئوية. عند درجات حرارة أعلى من 4 درجات مئوية ، يبدأ العامل المرتبط بالتمدد الحراري في السيطرة وتنخفض الكثافة مرة أخرى.

الدراسة 2
ثلج في درجات حرارة منخفضة أو ضغوط عالية

أنواع مختلفة من الجليد.نظرًا لأن المسافات بين الجزيئات تزداد أثناء تبلور الماء ، فإن كثافة الجليد تكون أقل من كثافة الماء. إذا تعرضت قطعة من الثلج ضغط مرتفع، ثم يمكن توقع انخفاض المسافة بين الجزيئات. في الواقع ، من خلال تعريض الجليد عند 0 درجة مئوية لضغط 14 كيلو بار (1 كيلو بار = 987 ضغط جوي) ، نحصل على ثلج بهيكل بلوري مختلف ، تبلغ كثافته 1.38 جم / سم 3. إذا تم تبريد الماء تحت هذا الضغط عند درجة حرارة معينة ، فسيبدأ في ذلك
تبلور. نظرًا لأن كثافة هذا الجليد أعلى من كثافة الماء ، فإن البلورات لا يمكنها البقاء على سطحه وتغرق في القاع. وهكذا ، يتبلور الماء في الوعاء بدءاً من القاع. هذا النوع من الجليد يسمى الجليد السادس ؛ الجليد العادي - الجليد الأول.
عند ضغط 25 كيلو بار ودرجة حرارة 100 درجة مئوية ، يتصلب الماء ويتحول إلى جليد السابع بكثافة 1.57 جم / سم 3.

أرز. 4.11. مخطط حالة المياه.

من خلال تغيير درجة الحرارة والضغط ، يمكن الحصول على 13 نوعًا من الثلج. تظهر مجالات تغيير المعلمة في مخطط الحالة (الشكل 4.11). من هذا الرسم البياني ، يمكنك تحديد نوع الجليد الذي يتوافق مع درجة حرارة وضغط معينين. تتوافق الخطوط الصلبة مع درجات الحرارة والضغوط التي يتعايش عندها هيكلان جليديان مختلفان. أعلى كثافة للثلج VIII هي 1.83 جم / سم 3 بين جميع أنواع الجليد.
عند ضغط منخفض نسبيًا ، 3 كيلو بار ، يوجد الجليد II ، وكثافته أعلى أيضًا من كثافة الماء ، وتبلغ 1.15 جم / سم 3. من المثير للاهتمام ملاحظة أنه عند درجة حرارة -120 درجة مئوية ، يختفي التركيب البلوري ويمر الجليد إلى حالة زجاجية.
بالنسبة للماء والجليد 1 ، يمكن أن نرى من الرسم التخطيطي أنه كلما زاد الضغط ، تقل نقطة الانصهار. نظرًا لأن كثافة الماء أعلى من كثافة الجليد ، فإن الانتقال "الماء المثلج" يكون مصحوبًا بانخفاض في الحجم ، والضغط المطبق من الخارج يؤدي فقط إلى تسريع هذه العملية. في الجليد الثالث، التي تكون كثافتها أعلى من كثافة الماء ، فإن الوضع هو عكس ذلك تمامًا - حيث تزداد نقطة انصهارها مع زيادة الضغط.

تنجرف كتل الجليد القطبي والجبال الجليدية في المحيط ، وحتى في المشروبات ، لا يغرق الجليد أبدًا في القاع. يمكن استنتاج أن الجليد لا يغرق في الماء. لماذا ا؟ إذا فكرت في الأمر ، فقد يبدو هذا السؤال غريباً بعض الشيء ، لأن الجليد صلب ، ويجب أن يكون - بشكل حدسي - أثقل من السائل. في حين أن هذه العبارة صحيحة بالنسبة لمعظم المواد ، فإن الماء هو الاستثناء من القاعدة. يتميز الماء والجليد بالروابط الهيدروجينية ، التي تجعل الجليد أخف في الحالة الصلبة منه عندما يكون في الحالة السائلة.

سؤال علمي: لماذا لا يغرق الجليد في الماء؟

تخيل أننا في درس يسمى " العالم»في الصف الثالث. "لماذا لا يغرق الجليد في الماء؟" يسأل المعلم الأطفال. والأطفال ، الذين ليس لديهم معرفة عميقة بالفيزياء ، يبدأون في التفكير. "ربما هو سحر؟" يقول أحد الأطفال.

في الواقع ، الجليد غير عادي للغاية. لا توجد عمليا أي مواد طبيعية أخرى يمكن أن تطفو على سطح السائل في الحالة الصلبة. هذه إحدى الخصائص التي تجعل الماء مادة غير عادية ، ولكي نكون صادقين ، هذا هو الذي يغير مسار تطور الكواكب.

هناك بعض الكواكب التي تحتوي على كميات هائلة من الهيدروكربونات السائلة مثل الأمونيا - ولكن عندما تتجمد ، تغرق هذه المادة في القاع. السبب في عدم غرق الجليد في الماء هو أنه عندما يتجمد الماء يتمدد ومعه تقل كثافته. ومن المثير للاهتمام ، أن تمدد الجليد يمكن أن يكسر الصخور - عملية تجمد الماء غير عادية للغاية.

من الناحية العلمية ، فإن عملية التجميد تنشئ دورات سريعة من التجوية ومحددة مواد كيميائيةعلى السطح قادر على إذابة المعادن. بشكل عام ، العمليات والإمكانيات المرتبطة بتجميد الماء الخصائص الفيزيائيةلا يتوقع سوائل أخرى.

كثافة الثلج والماء

لذا فإن إجابة السؤال عن سبب عدم غرق الجليد في الماء ، ولكنه يطفو على السطح ، هو أن كثافة الجليد أقل من كثافة السائل - ولكن هذه إجابة من المستوى الأول. لفهم أفضل ، عليك أن تعرف سبب انخفاض كثافة الجليد ، ولماذا تطفو الأشياء في المقام الأول ، وكيف تؤدي الكثافة إلى الطفو.

تذكر العبقري اليوناني أرخميدس ، الذي اكتشف أنه بعد غمر جسم معين في الماء ، يزداد حجم الماء بمقدار يساوي حجم الجسم المغمور. بمعنى آخر ، إذا وضعت طبقًا عميقًا على سطح الماء ثم وضعت شيئًا ثقيلًا فيه ، فإن حجم الماء الذي سيتم سكبه في الطبق سيكون مساويًا تمامًا لحجم الجسم. لا يهم ما إذا كان الكائن مغمورًا كليًا أو جزئيًا.

خصائص المياه

الماء الاشياء المدهشة، التي تغذي الحياة على الأرض ، لأن كل كائن حي يحتاجها. من أهم خصائص الماء أنه يحتوي على أعلى كثافة عند 4 درجات مئوية. وبالتالي، ماء ساخنأو الجليد أقل كثافة من الماء البارد. المواد الأقل كثافة تطفو فوق المواد الأكثر كثافة.

على سبيل المثال ، أثناء تحضير سلطة ، قد تلاحظ أن الزيت موجود على سطح الخل - ويمكن تفسير ذلك من خلال حقيقة أنه أقل كثافة. يسري نفس القانون أيضًا على شرح سبب عدم غرق الجليد في الماء ، ولكنه يغرق في البنزين والكيروسين. كل ما في الأمر أن هاتين المادتين لهما كثافة أقل من كثافة الجليد. لذلك ، إذا رميت كرة قابلة للنفخ في حوض السباحة ، فسوف تطفو على السطح ، ولكن إذا رميت حجرًا في الماء ، فسوف تغرق في القاع.

ما هي التغييرات التي تحدث للماء عندما يتجمد

سبب عدم غرق الجليد في الماء هو الروابط الهيدروجينية التي تتغير عندما يتجمد الماء. كما تعلم ، يتكون الماء من ذرة أكسجين واثنين من ذرات الهيدروجين. إنها مرتبطة بروابط تساهمية قوية بشكل لا يصدق. ومع ذلك ، فإن النوع الآخر من الروابط التي تتشكل بين الجزيئات المختلفة ، والذي يسمى رابطة الهيدروجين ، يكون أضعف. تتشكل هذه الروابط لأن ذرات الهيدروجين موجبة الشحنة تنجذب إلى ذرات الأكسجين سالبة الشحنة لجزيئات الماء المجاورة.

عندما يكون الماء دافئًا ، تكون الجزيئات نشطة للغاية ، وتتحرك كثيرًا ، وتتشكل بسرعة وتفكك الروابط مع جزيئات الماء الأخرى. لديهم الطاقة للاقتراب من بعضهم البعض والتحرك بسرعة. فلماذا لا يغرق الجليد في الماء؟ الكيمياء تخفي الإجابة.

الكيمياء الفيزيائية للجليد

عندما تنخفض درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية ، تقل الطاقة الحركية للسائل ، وبالتالي لا تتحرك الجزيئات. ليس لديهم الطاقة للتحرك ويسهل كسرها وتشكيل الروابط في درجات الحرارة العالية. بدلاً من ذلك ، فإنها تشكل المزيد من الروابط الهيدروجينية مع جزيئات الماء الأخرى لتشكيل هياكل شبكية سداسية.

إنهم يشكلون هذه الهياكل للحفاظ على جزيئات الأكسجين سالبة الشحنة متباعدة. في منتصف الأشكال السداسية التي تشكلت نتيجة نشاط الجزيئات ، هناك الكثير من الفراغ.

يغرق الجليد في الماء - الأسباب

الجليد أقل كثافة بنسبة 9٪ من الماء السائل. لذلك ، يشغل الجليد مساحة أكبر من مساحة الماء. عمليًا ، هذا منطقي لأن الجليد يتمدد. لهذا السبب لا ينصح بالتجميد قارورة زجاجيةالماء - يمكن أن يتسبب الماء المتجمد في حدوث شقوق كبيرة حتى في الخرسانة. إذا كان لديك زجاجة لتر من الثلج وزجاجة لتر من الماء ، فستكون زجاجة الماء المثلج أسهل. تكون الجزيئات متباعدة في هذه المرحلة أكثر مما كانت عليه عندما تكون المادة في الحالة السائلة. هذا هو السبب في أن الجليد لا يغرق في الماء.

عندما يذوب الجليد ، يتكسر الهيكل البلوري المستقر ويصبح أكثر كثافة. عندما ترتفع درجة حرارة الماء إلى 4 درجات مئوية ، فإنه يكتسب طاقة وتتحرك الجزيئات بشكل أسرع وأبعد. ولهذا السبب ، يشغل الماء الساخن مساحة أكبر من الماء البارد ويطفو فوقها ماء بارد- كثافة أقل. تذكر ، عندما تكون في البحيرة ، أثناء السباحة ، تكون الطبقة العليا من الماء ممتعة ودافئة دائمًا ، ولكن عندما تضع قدميك ، تشعر ببرودة الطبقة السفلية.

أهمية عملية تجميد الماء في عمل الكوكب

على الرغم من أن السؤال "لماذا لا يغرق الجليد في الماء؟" بالنسبة للصف الثالث ، من المهم جدًا فهم سبب حدوث هذه العملية وما تعنيه لكوكب الأرض. وبالتالي ، فإن طفو الجليد له آثار مهمة على الحياة على الأرض. تتجمد البحيرات في الشتاء في الأماكن الباردة - وهذا يسمح للأسماك والحيوانات المائية الأخرى بالبقاء تحت الغطاء الجليدي. إذا تم تجميد القاع ، فهناك احتمال كبير أن البحيرة بأكملها يمكن أن تتجمد.

في مثل هذه الظروف ، لن ينجو أي كائن حي.

إذا كانت كثافة الجليد أكبر من كثافة الماء ، فستغرق المحيطات ، ولن تسمح القمم الجليدية التي ستكون في القاع لأي شخص بالعيش هناك. سيكون قاع المحيط مليئًا بالجليد - وماذا سيتحول كل هذا؟ من بين أمور أخرى ، يعد الجليد القطبي مهمًا لأنه يعكس الضوء ويمنع كوكب الأرض من السخونة الشديدة.

شاهد كل منا كيف تطفو ألواح الجليد على النهر في الربيع. لكن لماذا هم لا تغرق؟ ما الذي يبقيهم على سطح الماء؟

لدى المرء انطباع أنه على الرغم من وزنهم ، فإن شيئًا ما ببساطة لا يسمح لهم بالنزول. وسأكشف جوهر هذه الظاهرة الغامضة.

لماذا لا يغرق الجليد

النقطة المهمة هي أن الماء شديد جدًا مادة غير عادية. لها خصائص مذهلة لا نلاحظها في بعض الأحيان.

كما تعلم ، تتمدد جميع الأشياء في العالم تقريبًا عند تسخينها وتنكمش عند تبريدها. تنطبق هذه القاعدة أيضًا على الماء ، ولكن مع ملاحظة واحدة مثيرة للاهتمام: عندما يبرد من +4 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية ، يبدأ الماء في التوسع. هذا ما يفسر الكثافة المنخفضة للكتل الجليدية. توسع من الظاهرة أعلاه ، يصبح الماء أخف من الذي هو فيه، ويبدأ بالانجراف على سطحه.

لماذا هذا الجليد خطير؟

غالبًا ما توجد الظاهرة الموصوفة أعلاه في الطبيعة والحياة اليومية. ولكن إذا بدأت في نسيانها ، فقد تصبح مصدرًا للعديد من المشكلات. علي سبيل المثال:

• في فصل الشتاء من المياه المجمدة يمكن انفجر أنابيب المياه;

• يساهم نفس الماء المتجمد في شقوق الجبال تدمير الصخور، مما تسبب في سقوط الصخور.
• لا يجب نسيانه تصريف المياه من رادياتير السيارةلتجنب المواقف المذكورة أعلاه.

لكن هناك أيضًا جوانب إيجابية. بعد كل شيء ، إذا لم يكن للمياه مثل هذه الخصائص المذهلة ، فلن تكون هناك رياضة مثل تزلج. تحت وطأة وزن جسم الإنسان ، تضغط شفرة التزلج بشدة على الجليد لدرجة أنه يذوب ببساطة ، مما يخلق طبقة مائية مثالية للانزلاق.

المياه في أعماق المحيط

نقطة أخرى مثيرة للاهتمام هي أنه على الرغم من درجة حرارة الصفر في أعماق المحيط (أو البحر) ، والمياه هناك لا تجمد، لا تصبح كتلة جليدية. لماذا يحدث هذا؟ هنا كل شيء الضغطوالتي توفرها طبقات المياه العلوية.

بشكل عام ، يساهم الضغط في تصلب السوائل المختلفة. يتسبب في انخفاض حجم الجسم ، مما يسهل بشكل كبير انتقاله إلى الحالة الصلبة. لكن عندما يتجمد الماء ، لا ينقص الحجم ، بل يزداد. وبالتالي الضغط ، ومنع تمدد المياه ، يخفض نقطة التجمد.

هذا كل ما يمكنني قوله عن ذلك ظاهرة مثيرة للاهتمام. أتمنى أن تكون قد تعلمت شيئًا جديدًا لنفسك. حظا سعيدا في رحلاتك!

ليس هناك شك في أن الجليد يطفو على سطح الماء. لقد شاهده الجميع مئات المرات في البركة وعلى النهر.

لكن كم عدد الأشخاص الذين فكروا في هذا السؤال: هل تتصرف جميع المواد الصلبة بنفس طريقة سلوك الجليد ، أي أنها تطفو في السوائل التي تشكلت أثناء ذوبانها؟

قم بإذابة البارافين أو الشمع في وعاء ورمي قطعة أخرى من نفس المادة الصلبة في هذا السائل ، وسوف تغرق على الفور. يحدث الشيء نفسه مع الرصاص والقصدير والعديد من المواد الأخرى. اتضح ، كقاعدة عامة ، أن الأجسام الصلبة تغرق دائمًا في السوائل التي تتكون عند الذوبان.

عند التعامل مع الماء في أغلب الأحيان ، اعتدنا على الظاهرة المعاكسة لدرجة أننا غالبًا ما ننسى هذه الخاصية ، التي تتميز بها جميع المواد الأخرى. يجب أن نتذكر أن الماء هو استثناء نادر في هذا الصدد. فقط البزموت المعدني والحديد الزهر يتصرفان بنفس الطريقة التي يتصرف بها الماء.

إذا كان الجليد أثقل من الماء ولن يبقى على سطحه ، لكنه سيغرق ، فعندئذٍ حتى في الخزانات العميقة ، سيتجمد الماء تمامًا في الشتاء. في الواقع: الثلج المتساقط في قاع البركة سيجبر الطبقات السفلية من الماء على الصعود ، وسيحدث هذا حتى يتحول كل الماء إلى جليد.

ومع ذلك ، عندما يتجمد الماء ، يكون العكس هو الصحيح. في اللحظة التي يتحول فيها الماء إلى جليد ، يزداد حجمه فجأة بنحو 10 في المائة ، ويكون الجليد أقل كثافة من الماء. هذا هو السبب في أنها تطفو في الماء ، حيث يطفو أي جسم في سائل ذي كثافة عالية: مسمار حديدي في الزئبق ، وفلين في الزيت ، وما إلى ذلك. إذا اعتبرنا أن كثافة الماء تساوي واحدًا ، فإن كثافة سيكون الجليد 0.91 فقط. يسمح لنا هذا الشكل بمعرفة سمك الجليد الطافي على الماء. إذا كان ارتفاع طوف الجليد فوق الماء ، على سبيل المثال ، 2 سم ، فيمكننا أن نستنتج أن الطبقة تحت الماء لطوف الجليد هي 9 مرات أكثر سمكًا ، أي 18 سم ، وطوف الجليد بأكمله 20 سم.

في البحار والمحيطات توجد أحيانًا جبال جليدية ضخمة - جبال جليدية (الشكل 4). هذه هي الأنهار الجليدية التي انزلقت من الجبال القطبية وحملها التيار والرياح بعيدًا في البحر المفتوح. يمكن أن يصل ارتفاعها إلى 200 متر ، والحجم - عدة ملايين من الأمتار المكعبة. تسعة أعشار الكتلة الكاملة للجبل الجليدي مخبأة تحت الماء. لذلك ، فإن اللقاء به أمر خطير للغاية. إذا لم تلاحظ السفينة العملاق الجليدي المتحرك في الوقت المناسب ، فقد تتعرض لأضرار جسيمة أو قد تقتل في حادث تصادم.

تعتبر الزيادة المفاجئة في الحجم عندما تتحول الكودا السائلة إلى جليد سمة مهمة من سمات الماء. غالبًا ما يجب أخذ هذه الميزة في الاعتبار في الحياة العملية. إذا تركت برميلًا من الماء في البرد ، فإن الماء المتجمد سوف يكسر البرميل. للسبب نفسه ، لا يجب ترك الماء في مشعاع السيارة في مرآب بارد. في حالة الصقيع الشديد ، يجب أن تكون حذرًا من أدنى انقطاع في إمداد الماء الدافئ من خلال أنابيب تسخين المياه: يمكن أن يتجمد الماء الذي توقف في الأنبوب الخارجي بسرعة ، ثم ينفجر الأنبوب.

غالبًا ما يكون الماء المتجمد في شقوق الصخور هو سبب انهيار الجبال.

دعونا الآن نفكر في تجربة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتمدد الماء عند تسخينه. يتطلب إعداد هذه التجربة معدات خاصة ، ومن غير المحتمل أن يتمكن أي من القراء من إعادة إنتاجها في المنزل. نعم ، هذه ليست ضرورة. من السهل تخيل التجربة ، وسنحاول تأكيد نتائجها بأمثلة معروفة للجميع.

لنأخذ معدنًا قويًا جدًا ، ويفضل أن يكون أسطوانة فولاذية (الشكل 5) ، نسكب لقطة صغيرة على قاعها ، ونملأها بالماء ، ونصلح الغطاء بالمسامير ، ونبدأ في لف المسمار. نظرًا لأن الماء يضغط قليلاً جدًا ، فلن تضطر إلى لف البرغي لفترة طويلة. بالفعل بعد بضع ثورات ، يرتفع الضغط داخل الأسطوانة إلى مئات الغلاف الجوي. إذا تم تبريد الأسطوانة الآن حتى بمقدار 2-3 درجات تحت الصفر ، فلن يتجمد الماء الموجود فيها. لكن كيف يمكنك التأكد من هذا؟ إذا فتحت الأسطوانة ، فعند هذه درجة الحرارة والضغط الجوي ، سيتحول الماء على الفور إلى جليد ، ولن نعرف ما إذا كان سائلًا أم صلبًا عندما كان تحت الضغط. هنا ، سوف تساعدنا الكريات المصبوبة. عندما تبرد الأسطوانة ، اقلبها رأسًا على عقب. إذا تم تجميد الماء ، فستكون اللقطة في الأسفل ، وإذا لم يتم تجميدها ، فستتجمع اللقطة في الغطاء. دعونا فك المسمار. سينخفض ​​الضغط وسيتجمد الماء بالتأكيد. بعد إزالة الغطاء ، نتأكد من أن كل اللقطات قد تجمعت بالقرب من الغطاء. لذلك ، في الواقع ، الماء تحت الضغط لم يتجمد عند درجات حرارة أقل من الصفر.

تظهر التجربة أن درجة تجمد الماء تتناقص مع زيادة الضغط بحوالي درجة واحدة لكل 130 ضغط جوي.

إذا بدأنا في بناء منطقنا على أساس ملاحظات العديد من المواد الأخرى ، فسيتعين علينا الوصول إلى الاستنتاج المعاكس. يساعد الضغط عادة السوائل على التصلب: تحت الضغط ، تتجمد السوائل عند درجة حرارة أعلى ، وهذا ليس مفاجئًا إذا كنت تتذكر أن معظم المواد تتقلص في الحجم عندما تتصلب. يتسبب الضغط في انخفاض الحجم وبالتالي يسهل انتقال السائل إلى الحالة الصلبة. الماء ، عند التصلب ، كما نعلم بالفعل ، لا ينقص في الحجم ، بل على العكس يتوسع. لذلك ، فإن الضغط ، الذي يمنع تمدد الماء ، يقلل من نقطة التجمد.

من المعروف أنه في المحيطات على أعماق كبيرة تكون درجة حرارة الماء أقل من درجة الصفر ، ومع ذلك فإن الماء في هذه الأعماق لا يتجمد. يفسر ذلك الضغط الذي ينتج الطبقات العليا من الماء. طبقة من الماء بسماكة كيلومتر واحد بقوة تبلغ حوالي مائة ضغط جوي.

إذا كان الماء سائلاً عاديًا ، فإننا بالكاد نشعر بمتعة التزلج على الجليد. سيكون مثل الدحرجة على زجاج أملس تمامًا. الزلاجات لا تنزلق على الزجاج. إنه شيء مختلف تمامًا على الجليد. التزحلق على الجليد سهل جدا. لماذا ا؟ تحت ثقل أجسامنا ، تمارس الشفرة الرقيقة للتزلج ضغطًا قويًا إلى حد ما على الجليد ، ويذوب الجليد الموجود أسفل الزلاجة ؛ يتم تشكيل غشاء رقيق من الماء ، والذي يعمل بمثابة مادة تشحيم ممتازة.