Zašto led ne tone primjeri iz literature. Zašto led ne tone u vodi, već lebdi na njenoj površini
Nimalo nas ne čude lebdeći ledeni blokovi početkom proljeća, kada se akumulacije počnu oslobađati zimske „odjeće“ i ljudskom oku otkrivaju ljepotu slatke vode. Tako smo navikli na to prirodni fenomen da o tome i ne razmišljamo i da se ne pitamo zašto se led ne topi? A ako razmislite o tome, ne sjećate se odmah primjera kada čvrste tvari poput leda lebde u tekućinama koje nastaju kada se otape. Možete rastopiti parafin ili vosak u posudi i baciti komad iste supstance u nastalu lokvicu, samo u čvrstom stanju. I šta vidimo? Vosak i parafin se sigurno utapaju u tekućini koja je nastala kao rezultat njihovog vlastitog topljenja.
Zašto led ne tone u vodi?Činjenica je da je voda u ovom primjeru vrlo rijedak i inherentno jedinstven izuzetak. U prirodi se samo metal i liveno gvožđe ponašaju kao komad leda koji pluta na površini vode.
Kada bi led bio teži od vode, onda bi sigurno potonuo pod vlastitom težinom i istovremeno istisnuo vodu u donjem dijelu rezervoara na površinu. Kao rezultat toga, cijeli ribnjak bi se smrznuo do samog dna! Međutim, kada se voda smrzne, dolazi do potpuno drugačije situacije. Pretvaranje vode u led povećava njen volumen za oko 10% i to je u ovom trenutku led je manje gust od same vode. Upravo iz tog razloga led pluta na površini vode i ne tone. Ista stvar se može primijetiti kada se papirnati brodić spusti na vodu, čija je gustoća mnogo manja od gustine vode. Da postoji čamac od drveta ili drugog materijala, sigurno bi se utopio. Ako uporedimo pokazatelje gustoće u brojevima, onda, na primjer, ako je gustoća vode jedinica, tada će gustoća leda biti 0,91.
Povećanje zapremine vode tokom njenog prelaska u stanje leda treba uzeti u obzir u svakodnevnom životu. Dovoljno je ostaviti bačvu na hladnom, napunjenu do vrha vodom, tada će tečnost, smrzavajući, razbiti posudu. Zbog toga se ne preporučuje ostavljanje vode u hladnjaku vozila koje stoji na hladnom. takođe u veoma hladno potrebno je paziti na prekide u opskrbi toplom vodom koja ide kroz cijevi za grijanje. Ako voda ostane u vanjskoj cijevi, ona se trenutno smrzava, što će neminovno dovesti do oštećenja dovoda vode.
Kao što znate, u okeanima i morima velike dubine, gdje je temperatura ispod nule, voda se još uvijek ne smrzava i ne pretvara u blok leda. Objasniti ovo je prilično jednostavno - gornji slojevi vode stvaraju ogroman pritisak. Na primjer, sloj vode od jednog kilometra pritiska silom većom od stotinu atmosfera.
Da je voda normalna, a ne jedinstvena tečnost, ne bismo uživali u klizanju. Ne valjamo se po staklu, zar ne? Ali mnogo je glatkiji i privlačniji od leda. Ali staklo je materijal po kojem klizaljke neće kliziti. Ali na ledu, čak i ne baš kvalitetnog, klizanje je zadovoljstvo. Pitaćete zašto? Činjenica je da težina našeg tijela pritiska na vrlo tanku oštricu klizaljke, koja vrši snažan pritisak na led. Kao rezultat ovog pritiska sa grebena, led počinje da se topi sa stvaranjem tankog filma vode, po kojem greben odlično klizi.
Kako djetetu objasniti složene fizičke procese?
Prva stvar koja pada na pamet je gustina. Da, u stvari, led pluta jer je manje gust od vode. Ali kako objasniti djetetu šta je denzitet? Niko nije dužan da mu kaže školski program, ali je sasvim realno sve svesti na to da je led lakši. Zaista, u stvari, isti volumen vode i leda imaju različite težine. Ako detaljnije proučimo problem, onda možemo navesti još nekoliko razloga, osim gustine.
Led ne tone u vodi, ne samo zato što njegova smanjena gustina sprečava da tone niže. Razlog je i to što su mali mjehurići zraka zamrznuti u debljini leda. Oni također smanjuju gustoću, pa se općenito ispostavlja da težina ledene ploče postaje još manja. Kada se led širi, on se ne hvata više vazduha, ali s druge strane, svi oni mjehurići koji su već završili unutar ovog sloja su tu sve dok led ne počne da se topi ili sublimira.
Provodimo eksperiment sa sili širenja vode
Ali kako možete dokazati da se led zapravo širi? Uostalom, i voda se može širiti, kako to dokazati u vještačkim uslovima? Možete provesti zanimljiv i vrlo jednostavan eksperiment. Da biste to učinili, potrebna vam je plastična ili kartonska čaša i voda. Njegova količina ne mora biti velika, ne morate čašu puniti do vrha. Takođe, u idealnom slučaju, potrebna vam je temperatura od oko -8 stepeni ili niža. Ako je temperatura previsoka, iskustvo će trajati nerazumno dugo.
Dakle, voda se sipa unutra, moramo sačekati da se stvori led. Pošto smo izabrali optimalna temperatura, pri čemu će se mala količina tečnosti pretvoriti u led u roku od dva do tri sata, možete sigurno ići kući i čekati. Morate sačekati dok se sva voda ne pretvori u led. Nakon nekog vremena gledamo rezultat. Zagarantovana je deformisana ili ledom poderana šolja. Na nižim temperaturama efekti izgledaju impresivnije, a sam eksperiment traje manje vremena.
Negativne posljedice
Ispostavilo se da jednostavan eksperiment potvrđuje da se ledeni blokovi zaista šire kada se temperatura smanji, a volumen vode se lako povećava kada se smrzne. Po pravilu, ova karakteristika donosi mnogo problema zaboravnim ljudima: boca šampanjca ostavljena na balkonu ispod Nova godina dugo vremena, pocepan zbog izlaganja ledu. Pošto je sila ekspanzije veoma velika, na nju se ne može uticati ni na koji način. Pa, što se tiče plovnosti ledenih blokova, ovdje ne možete ništa dokazati. Najradoznaliji lako mogu sami provesti slično iskustvo u proljeće ili jesen, pokušavajući utopiti komade leda u velikoj lokvi.
Nema sumnje da led pluta na vodi; svi su to vidjeli stotine puta i na bari i na rijeci.
Ali koliko ih je razmišljalo o ovom pitanju: da li se sve čvrste materije ponašaju na isti način kao led, odnosno plutaju u tečnostima koje nastaju tokom njihovog topljenja?
Rastopite parafin ili vosak u tegli i bacite još jedan komad iste čvrste supstance u ovu tečnost, odmah će potonuti. Isto će se dogoditi i sa olovom, i sa kalajem, i sa mnogim drugim supstancama. Ispostavilo se da, po pravilu, čvrsta tela uvek tonu u tečnostima koje nastaju pri topljenju.
Kada se najčešće bavimo vodom, toliko smo navikli na suprotnu pojavu da često zaboravljamo na ovo svojstvo koje je karakteristično za sve druge supstance. Mora se imati na umu da je voda rijedak izuzetak u ovom pogledu. Samo se metalni bizmut i liveno gvožđe ponašaju na isti način kao voda.
Kada bi led bio teži od vode i ne bi se zadržavao na njegovoj površini, već bi potonuo, tada bi se čak iu dubokim rezervoarima voda zimi potpuno smrzavala. U stvari: led koji pada na dno ribnjaka tjerao bi niže slojeve vode prema gore, a to bi se dešavalo sve dok se sva voda ne pretvori u led.
Međutim, kada se voda smrzne, istina je upravo suprotno. U trenutku kada se voda pretvori u led, njen volumen se naglo povećava za oko 10 posto, a led je manje gust od vode. Zato pluta u vodi, kao što svako tijelo pluta u tečnosti velike gustine: gvozdeni ekser u živi, pluto u ulju, itd. Ako smatramo da je gustina vode jednaka jedan, onda je gustina led će biti samo 0,91. Ova brojka nam omogućava da saznamo debljinu ledene plohe koja pluta na vodi. Ako je visina ledene lamele iznad vode, na primjer, 2 centimetra, onda možemo zaključiti da je podvodni sloj leda 9 puta deblji, odnosno 18 centimetara, a cijela ledenica 20 centimetara debljine.
U morima i okeanima ponekad postoje ogromne ledene planine - sante leda (slika 4). Riječ je o glečerima koji su skliznuli sa polarnih planina, a struja i vjetar ih odnesu na otvoreno more. Njihova visina može doseći 200 metara, a zapremina - nekoliko miliona kubnih metara. Devet desetina ukupne mase ledenog brega je skriveno pod vodom. Stoga je susret s njim veoma opasan. Ako brod ne primijeti na vrijeme ledenog giganta koji se kreće, može biti ozbiljno oštećen ili čak poginuo u sudaru.
Naglo povećanje zapremine kada se tečna koda pretvori u led je važna karakteristika vode. Ova karakteristika se često mora uzeti u obzir u praktičan život. Ako bure vode ostavite na hladnom, tada će voda, smrzavajući, razbiti bure. Iz istog razloga ne biste trebali ostavljati vodu u hladnjaku automobila u hladnoj garaži. U teškim mrazevima, morate biti oprezni s najmanjim prekidom u opskrbi toplu vodu kroz cijevi za grijanje vode: voda koja se zaustavila u vanjskoj cijevi može se brzo smrznuti, a zatim će cijev puknuti.
Smrznuvši se u pukotinama stijena, voda je često uzrok planinskih kolapsa.
Razmotrimo sada jedan eksperiment koji je direktno povezan sa širenjem vode kada se zagrije. Za postavljanje ovog eksperimenta potrebna je posebna oprema i malo je vjerovatno da će je neko od čitača moći reproducirati kod kuće. Da, ovo nije nužnost; iskustvo je lako zamisliti, a njegove rezultate ćemo pokušati potvrditi na primjerima koji su svima dobro poznati.
Uzmimo vrlo jak metal, po mogućnosti čelični cilindar (slika 5), sipamo malo sačme na dno, napunite ga vodom, pričvrstite poklopac vijcima i počnite okretati vijak. Pošto se voda vrlo malo kompresuje, ne morate dugo okretati vijak. Već nakon nekoliko okretaja, tlak unutar cilindra raste na stotine atmosfera. Ako se sada cilindar ohladi čak i za 2-3 stepena ispod nule, tada se voda u njemu neće smrznuti. Ali kako možete biti sigurni u ovo? Ako otvorite cilindar, onda na ovoj temperaturi i atmosferski pritisak voda će se trenutno pretvoriti u led, a mi nećemo znati da li je bila tečna ili čvrsta kada je bila pod pritiskom. Tu će nam pomoći sipani peleti. Kada se cilindar ohladi, okrenite ga naopako. Ako je voda zamrznuta, sačma će ležati na dnu, ako nije zamrznuta, sačma će se skupiti na poklopcu. Hajde da odvrnemo šraf. Pritisak će pasti i voda će se definitivno smrznuti. Nakon što smo uklonili poklopac, uvjeravamo se da se sav metak skupio blizu poklopca. Dakle, zaista, voda pod pritiskom nije se smrzavala na temperaturama ispod nule.
Iskustvo pokazuje da se tačka smrzavanja vode smanjuje sa povećanjem pritiska za oko jedan stepen na svakih 130 atmosfera.
Kada bismo svoje razmišljanje počeli graditi na osnovu opažanja mnogih drugih supstanci, morali bismo doći do suprotnog zaključka. Pritisak obično pomaže tečnosti da se stvrdnu: pod pritiskom tečnosti se smrzavaju pri većem visoke temperature, i nema čemu da se čudimo ako se prisjetimo da većina tvari smanjuje volumen tijekom skrućivanja. Pritisak uzrokuje smanjenje volumena i time olakšava prijelaz tekućine u čvrsto stanje. Voda se pri skrućivanju, kao što već znamo, ne smanjuje u volumenu, već se, naprotiv, širi. Zbog toga pritisak, sprečavajući širenje vode, snižava njenu tačku smrzavanja.
Poznato je da je u okeanima na velikim dubinama temperatura vode ispod nula stepeni, a ipak voda na tim dubinama ne smrzava. To se objašnjava pritiskom koji stvara gornji sloj vode. Sloj vode debeo jedan kilometar pritiska silom od oko stotinu atmosfera.
Da je voda normalna tečnost, teško da bismo doživjeli užitak klizanja na ledu. To bi bilo isto kao valjanje po savršeno glatkom staklu. Klizaljke ne klize po staklu. Na ledu je sasvim druga stvar. Klizanje na ledu je veoma lako. Zašto? Pod težinom našeg tijela, tanka oštrica klizaljke vrši prilično snažan pritisak na led, a led ispod klizaljke se topi; formira se tanak film vode, koji služi kao odlično mazivo.
Led i voda.Poznato je da komad leda stavljen u čašu vode ne tone. To je zato što sila uzgona djeluje na led sa strane vode.
Rice. 4.1. Led u vodi.
Kao što se može vidjeti sa sl. 4.1, sila uzgona je rezultanta sila pritiska vode koje djeluju na površinu potopljenog dijela leda (zasjenjeno područje na slici 4.1). Led pluta na vodi jer je sila gravitacije koja ga vuče na dno uravnotežena silom uzgona.
Zamislite da u čaši nema leda, a područje zasjenjeno na slici je ispunjeno vodom. Ovdje neće biti linije razdvajanja između vode koja je unutar ovog područja i izvan njega. Međutim, i u ovom slučaju, sila uzgona i sila gravitacije koja djeluje na vodu koja se nalazi u zasjenjenom području uravnotežuju jedna drugu. Budući da u oba slučaja gore razmatrana sila uzgona ostaje nepromijenjena, to znači da je sila gravitacije koja djeluje na komad leda i na vodu unutar gornje površine ista. Drugim riječima, imaju jednaku težinu. Takođe je tačno da je masa leda jednaka masi vode u zasjenjenom području.
Nakon što se otopi, led će se pretvoriti u vodu iste mase i ispunit će volumen jednak volumenu zasjenjenog područja. Stoga se nivo vode u čaši vode i komadu leda nakon što se led otopi neće promijeniti.
Tečno i čvrsto stanje.
Sada znamo da je zapremina komada leda veća od zapremine koju zauzima voda jednake mase. Odnos mase supstance i zapremine koju zauzima naziva se gustina supstance. Stoga je gustina leda manja od gustine vode. Njihove numeričke vrijednosti mjerene na 0 °C su: za vodu - 0,9998, za led - 0,917 g/cm3. Ne samo led, već i druge čvrste materije, kada se zagreju, dostižu određenu temperaturu, na kojoj počinje njihov prelazak u tečno stanje. U slučaju topljenja čiste supstance, njena temperatura neće početi da raste kada se zagreje sve dok njena celokupna masa ne pređe u tečno stanje. Ova temperatura se naziva tačka topljenja supstance. Nakon što se topljenje završi, zagrevanje će dovesti do daljeg povećanja temperature tečnosti. Ako se tečnost ohladi, snižavajući temperaturu do tačke topljenja, ona će početi da prelazi u čvrsto stanje.
Za većinu supstanci, za razliku od leda i vode, gustina u čvrstom stanju je veća nego u tekućem stanju. Na primjer, argon, koji je obično u plinovitom stanju, stvrdnjava se na temperaturi od -189,2 ° C; gustina čvrstog argona je 1,809 g/cm3 (u tečnom stanju gustina argona je 1,38 g/cm3). Dakle, ako uporedimo gustinu supstance u čvrstom stanju na temperaturi blizu tačke topljenja sa njenom gustinom u tekućem stanju, ispada da se u slučaju argona ona smanjuje za 14,4%, a u slučaju natrijum - za 2,5%.
Promjena gustoće tvari pri prolasku kroz tačku topljenja za metale je obično mala, s izuzetkom aluminija i zlata (0 i 5,3%, respektivno). Za sve ove tvari, za razliku od vode, proces skrućivanja ne počinje na površini, već na dnu.
Međutim, postoje metali čija se gustina smanjuje tokom prelaska u čvrsto stanje. To uključuje antimon, bizmut, galijum, za koje je ovo smanjenje 0,95, 3,35 i 3,2%. Galijum, čija je tačka topljenja -29,8°C, zajedno sa živom i cezijumom, pripada klasi metala niskog topljenja.
Razlika između čvrstog i tekućeg stanja materije.
U čvrstom stanju, za razliku od tekućeg, molekuli koji čine supstancu raspoređeni su na uredan način. 
Rice. 4.2. Razlika između tečnog i čvrstog agregatnog stanja
Na sl. 4.2 (desno) prikazuje primjer gustog pakiranja molekula (uvjetno prikazanog kružićima), što je karakteristično za supstancu u čvrstom stanju. Pored nje je prikazana neuređena struktura karakteristična za tečnost. U tekućem stanju, molekuli su na velikim udaljenostima jedan od drugog, imaju veću slobodu kretanja, a kao rezultat toga, tvar u tekućem stanju lako mijenja svoj oblik, odnosno ima takvo svojstvo kao što je fluidnost.
Za tečne tvari, kao što je gore navedeno, karakterističan je nasumični raspored molekula, ali nisu sve tvari s takvom strukturom sposobne teći. Primjer je staklo, čiji su molekuli raspoređeni nasumično, ali ne teče.
Kristalne tvari su tvari čiji su molekuli raspoređeni na uredan način. U prirodi postoje tvari čiji kristali imaju karakterističan izgled. To uključuje kvarc i led. Tvrdi metali kao što su željezo i olovo ne nalaze se prirodno u velikim kristalima. Međutim, proučavajući njihovu površinu pod mikroskopom, mogu se razlikovati nakupine malih kristala, kao što se može vidjeti na fotografiji (slika 4.3). 
Rice. 4.3. Mikrofotografija gvozdene površine.
Postoje posebne metode za dobijanje velikih kristala metalnih supstanci.
Bez obzira na veličinu kristala, zajednički im je uređen raspored molekula. Takođe ih karakteriše postojanje vrlo određene tačke topljenja. To znači da se temperatura tijela koje se topi ne povećava kada se zagrije sve dok se potpuno ne otopi. Staklo, za razliku od kristalnih tvari, nema određenu tačku topljenja: kada se zagrije, postepeno omekšava i pretvara se u običnu tekućinu. Dakle, tačka topljenja odgovara temperaturi na kojoj je uređeni raspored molekula uništen i kristalna struktura postaje neuređena. U zaključku, napominjemo još jedno zanimljivo svojstvo stakla, zbog nedostatka kristalne strukture: primjenom dugotrajne vlačne sile na njega, na primjer, u periodu od 10 godina, osigurat ćemo da staklo teče kao obična tečnost.
Pakovanje molekula.
Koristeći X-zrake i snop elektrona, može se proučavati kako su molekuli raspoređeni u kristalu. Rentgensko zračenje ima mnogo kraću valnu dužinu od vidljive svjetlosti, tako da se može prelomiti geometrijski pravilnom kristalnom strukturom atoma ili molekula. Registracijom difrakcionog uzorka na fotografskoj ploči (slika 4.4), moguće je ustanoviti raspored atoma u kristalu. Koristeći istu metodu za tečnosti, može se osigurati da su molekuli u tečnosti raspoređeni nasumično. 
Rice. 4.4. Difrakcija rendgenskih zraka na periodičnoj strukturi.
Rice. 4.5. Dva načina za čvrsto spakovanje loptica.
Molekuli čvrste supstance, koja je u kristalnom stanju, prilično su složeni jedni u odnosu na druge. Struktura tvari koje se sastoje od atoma ili molekula istog tipa izgleda relativno jednostavno, kao, na primjer, kristal argona prikazan na Sl. 4.5 (lijevo), gdje su atomi konvencionalno označeni kuglicama. Određenu količinu prostora možete čvrsto ispuniti lopticama na razne načine. Ovako gusto pakiranje moguće je zbog prisutnosti međumolekularnih sila privlačenja, koje teže da rasporede molekule tako da volumen koji zauzimaju bude minimalan. Međutim, u stvarnosti, struktura na sl. 4.5 (desno) se ne pojavljuje; Nije lako objasniti ovu činjenicu.
Pa kako zamišljaš razne načine postavljanje loptica u prostor je prilično teško, hajde da razmotrimo kako možete čvrsto rasporediti novčiće u ravnini. 
Rice. 4.6. Naručeni raspored kovanica u avionu.
Na sl. 4.6 prikazane su dvije takve metode: u prvoj, svaki molekul je u kontaktu sa četiri susjedna, čiji su centri vrhovi kvadrata sa stranicom d, gdje je d prečnik novčića; u drugom slučaju svaki novčić je u kontaktu sa šest susjednih novčića. Isprekidane linije na slici ograničavaju površinu koju zauzima jedan novčić. U prvom slučaju
jednako je d 2 , i opet je ova površina manja i jednaka je √3d 2 /2.
Drugi način postavljanja novčića značajno smanjuje jaz između njih.
Molekul unutar kristala. Svrha proučavanja kristala je da se ustanovi kako su molekuli raspoređeni u njima. Kristali metala poput zlata, srebra, bakra raspoređeni su poput kristala argona. U slučaju metala, treba govoriti o uređenom rasporedu jona, a ne molekula. Atom bakra, na primjer, izgubivši jedan elektron, pretvara se u negativno nabijeni ion bakra. Elektroni se slobodno kreću između jona. Ako se ioni uvjetno predstave u obliku kuglica, dobijamo strukturu koju karakterizira blisko pakovanje. Kristali metala kao što su natrij i kalij po strukturi se donekle razlikuju od bakra. Molekuli CO 2 i organskih jedinjenja, koji se sastoje od različitih atoma, ne mogu se predstaviti kao kuglice. Prelazeći u čvrsto stanje, formiraju izuzetno složenu kristalnu strukturu. 
Rice. 4.7. Kristalni "suhi led" (velike velike kugle - atomi ugljika)
Na sl. Slika 4.7 prikazuje čvrste kristale CO2 zvane suvi led. Dijamant, koji nije hemijsko jedinjenje, takođe ima posebnu strukturu, jer se hemijske veze formiraju između atoma ugljenika.
Gustina tečnosti. Nakon prijelaza u tekuće stanje, molekularna struktura tvari postaje neuređena. Ovaj proces može biti praćen i smanjenjem i povećanjem volumena koji zauzima određena tvar u prostoru. 
Rice. 4.8. Modeli od cigle, odgovaraju strukturi vode i čvrstog tijela.
Kao ilustraciju, razmotrite onu prikazanu na sl. 4.8 zgrada od cigle. Neka svaka cigla odgovara jednom molekulu. Zgrada od cigle uništena zemljotresom pretvara se u gomilu cigala čije su dimenzije manje od dimenzija zgrade. Međutim, ako su sve cigle uredno složene jedna po jedna, količina prostora koju zauzimaju postat će još manja. Sličan odnos postoji između gustine materije u čvrstom i tekućem stanju. Kristali bakra i argona mogu se povezati s prikazanim gustim pakiranjem opeke. Tečno stanje u njima odgovara gomili cigli. Prijelaz iz čvrstog u tekuće stanje u ovim uvjetima je praćen smanjenjem gustine.
Istovremeno, prijelaz iz kristalne strukture s velikim međumolekularnim razmacima (što odgovara zgradi od cigle) u tekuće stanje je praćen povećanjem gustoće. Međutim, u stvarnosti, mnogi kristali zadržavaju velike međumolekularne udaljenosti tokom prijelaza u tekuće stanje.
Za antimon, bizmut, galijum i druge metale, za razliku od natrijuma i bakra, gusto pakovanje nije tipično. Zbog velikih međuatomskih udaljenosti, njihova gustina raste tokom prelaska u tečnu fazu.
Struktura leda.
Molekul vode sastoji se od atoma kisika i dva atoma vodika koji se nalaze na suprotnim stranama. Za razliku od molekule ugljičnog dioksida, u kojoj se atom ugljika i dva atoma kisika nalaze duž jedne ravne linije, u molekuli vode linije koje povezuju atom kisika sa svakim od atoma vodika čine ugao od 104,5 ° između njih. Stoga postoje sile interakcije između molekula vode koje su po prirodi električne. Osim toga, zbog posebnih svojstava atoma vodika, voda tokom kristalizacije formira strukturu u kojoj je svaki molekul povezan s četiri susjedna. Ova struktura je pojednostavljena na Sl. 4.9. Velike lopte su atomi kiseonika, male crne kuglice su atomi vodonika. 
Rice. 4.9. Kristalna struktura leda.
U ovoj strukturi se ostvaruju velike međumolekularne udaljenosti. Dakle, kada se led otopi i struktura se sruši, volumen po molekulu se smanjuje. To dovodi do činjenice da je gustina vode veća od gustine leda i led može plutati na vodi.
Studija 1
ZAŠTO JE GUSTINA VODE NAJVEĆA NA 4°C?
Vodikova veza i termičko širenje. Nakon topljenja, led se pretvara u vodu, čija je gustina veća od gustine leda. Sa daljim povećanjem temperature vode, njena gustina se povećava sve dok temperatura ne dostigne 4 °C. Ako je na 0°C gustina vode 0,99984 g/cm3, onda je na 4°C 0,99997 g/cm3. Daljnji porast temperature uzrokuje smanjenje gustine i na 8°C opet će imati istu vrijednost kao na 0°C. 
Rice. 4.10. Kristalna struktura leda (velike kugle su atomi kiseonika).
Ovaj fenomen je povezan sa prisustvom kristalne strukture u ledu. Svi detalji su prikazani na sl. 4.10, gdje su, radi jasnoće, atomi prikazani kao kuglice, a hemijske veze su označene punim linijama. Karakteristika strukture je da se atom vodika uvijek nalazi između dva atoma kisika, budući da je bliži jednom od njih. Dakle, atom vodika doprinosi nastanku kohezivne sile između dva susjedna molekula vode. Ova sila vezivanja naziva se vodikovom vezom. Budući da se vodikove veze javljaju samo u određenim smjerovima, raspored molekula vode u komadu leda je blizak tetraedarskom. Kada se led, otapanjem, pretvori u vodu, značajan dio vodikovih veza se ne razara, zbog čega je struktura očuvana, bliska tetraedarskoj s velikim međumolekularnim udaljenostima karakterističnim za nju. Kako temperatura raste, povećava se brzina translacijskog i rotacijskog kretanja molekula, uslijed čega se prekidaju vodikove veze, smanjuje se međumolekularna udaljenost i povećava gustoća vode.
Međutim, paralelno s ovim procesom, s povećanjem temperature dolazi do toplinskog širenja vode, što uzrokuje smanjenje njene gustoće. Uticaj ova dva faktora dovodi do toga da se maksimalna gustina vode postiže na 4 °C. Na temperaturama iznad 4°C faktor povezan s toplinskim širenjem počinje da prevladava i gustoća ponovo opada.
Studija 2
LED NA NISKIM TEMPERATURAMA ILI VISOKOM PRITISKU
Sorte leda. Pošto se međumolekularne udaljenosti povećavaju tokom kristalizacije vode, gustina leda je manja od gustine vode. Ako je komad leda izložen visokog pritiska, onda se može očekivati da će se međumolekularna udaljenost smanjiti. Zaista, izlaganjem leda na 0°C pritisku od 14 kbara (1 kbar = 987 atm), dobijamo led drugačije kristalne strukture, čija je gustina 1,38 g/cm3. Ako se voda pod takvim pritiskom ohladi na određenu temperaturu, to će početi kristalizirati. Budući da je gustina takvog leda veća od gustine vode, kristali se ne mogu zadržati na njegovoj površini i potonuti na dno. Dakle, voda u posudi kristalizira počevši od dna. Ova vrsta leda se zove led VI; obični led - led I.
Pri pritisku od 25 kbara i temperaturi od 100 °C voda se stvrdnjava, pretvarajući se u led VII gustine 1,57 g/cm3.
Rice. 4.11. Dijagram stanja vode.
Promjenom temperature i pritiska može se dobiti 13 vrsta leda. Područja promjene parametara prikazana su na dijagramu stanja (slika 4.11). Iz ovog dijagrama možete odrediti koja vrsta leda odgovara datoj temperaturi i pritisku. Pune linije odgovaraju temperaturama i pritiscima pri kojima koegzistiraju dvije različite strukture leda. Led VIII ima najveću gustinu od 1,83 g/cm3 među svim vrstama leda.
Pri relativno niskom pritisku, 3 kbara, postoji led II, čija je gustina takođe veća od gustine vode i iznosi 1,15 g/cm3. Zanimljivo je napomenuti da na temperaturi od -120 °C kristalna struktura nestaje i led prelazi u staklasto stanje.
Što se tiče vode i leda I, iz dijagrama se može vidjeti da kako se pritisak povećava, temperatura topljenja opada. Budući da je gustoća vode veća od gustoće leda, prijelaz "led - voda" je praćen smanjenjem volumena, a pritisak primijenjen izvana samo ubrzava ovaj proces. At Ice III, čija je gustina veća od gustine vode, situacija je upravo suprotna - njena tačka topljenja raste sa povećanjem pritiska.
Polarni ledeni blokovi i sante leda lebde u okeanu, a čak ni u pićima led nikada ne tone na dno. Može se zaključiti da led ne tone u vodi. Zašto? Ako razmislite o tome, ovo bi pitanje moglo izgledati malo čudno, jer je led čvrst i - intuitivno - trebao bi biti teži od tekućine. Iako ova izjava vrijedi za većinu tvari, voda je izuzetak od pravila. Vodu i led razlikuju vodonične veze, koje čine led lakšim u čvrstom stanju nego kada je u tekućem stanju.
Naučno pitanje: zašto led ne tone u vodi
Zamislite da smo na lekciji koja se zove " Svijet» u 3. razredu. “Zašto led ne tone u vodi?”, pita učiteljica djecu. I djeca, koja nemaju duboko znanje iz fizike, počinju da rasuđuju. "Možda je to magija?" kaže jedno od djece.
Zaista, led je krajnje neobičan. Praktično ne postoje druge prirodne tvari koje bi u čvrstom stanju mogle plivati na površini tekućine. Ovo je jedno od svojstava koja vodu čini tako neobičnom supstancom i, da budem iskrena, to je ono što mijenja put planetarne evolucije.
Postoje neke planete koje sadrže ogromne količine tekućih ugljikovodika kao što je amonijak - međutim, kada se smrznu, ovaj materijal tone na dno. Razlog zašto led ne tone u vodi je taj što se voda kada se smrzava širi, a s tim se smanjuje i njegova gustina. Zanimljivo je da širenje leda može razbiti stijene - proces glacijacije vode je tako neobičan.
Naučno gledano, proces smrzavanja postavlja brze cikluse vremenskih i određenih vremenskih uslova hemijske supstance oslobođeni na površini sposobni su da otapaju minerale. Općenito, procesi i mogućnosti povezani sa smrzavanjem vode su fizička svojstva druge tečnosti se ne očekuju.
Gustina leda i vode
Dakle, odgovor na pitanje zašto led ne tone u vodi, već lebdi na površini je da ima manju gustinu od tečnosti – ali to je odgovor na prvom nivou. Da biste bolje razumjeli, morate znati zašto led ima malu gustinu, zašto stvari uopće lebde, kako gustina dovodi do plutanja.
Prisjetimo se grčkog genija Arhimeda, koji je otkrio da se nakon potapanja određenog predmeta u vodu volumen vode povećava za broj jednak volumenu uronjenog predmeta. Drugim riječima, ako stavite duboku posudu na površinu vode, a zatim u nju stavite težak predmet, zapremina vode koja će biti ulivena u posudu biće tačno jednaka zapremini predmeta. Nije bitno da li je objekt potpuno ili djelomično potopljen.
Svojstva vode
Voda je neverovatna supstanca, koji u osnovi hrani život na zemlji, jer je potreban svakom živom organizmu. Jedno od najvažnijih svojstava vode je da ima najveću gustinu na 4°C. dakle, vruća voda ili led su manje gustoće od hladne vode. Manje guste tvari lebde na vrhu gušćih tvari.
Na primjer, dok pripremate salatu, možete primijetiti da se ulje nalazi na površini octa - to se može objasniti činjenicom da ima manju gustoću. Isti zakon vrijedi i za objašnjenje zašto led ne tone u vodi, već tone u benzinu i kerozinu. Samo ove dvije supstance imaju manju gustoću od leda. Dakle, ako bacite loptu na naduvavanje u bazen, ona će plutati na površini, ali ako bacite kamen u vodu, ona će potonuti na dno.
Šta se menja sa vodom kada se smrzava
Razlog zašto led ne tone u vodi je vodonične veze koje se mijenjaju kada se voda smrzava. Kao što znate, voda se sastoji od jednog atoma kiseonika i dva atoma vodika. Spojeni su kovalentnim vezama koje su nevjerovatno jake. Međutim, druga vrsta veze koja se stvara između različitih molekula, koja se zove vodikova veza, je slabija. Ove veze nastaju zato što su pozitivno nabijeni atomi vodika privučeni negativno nabijenim atomima kisika susjednih molekula vode.
Kada je voda topla, molekuli su veoma aktivni, mnogo se kreću, brzo formiraju i prekidaju veze sa drugim molekulima vode. Imaju energiju da priđu jedno drugom i brzo se kreću. Pa zašto led ne tone u vodi? Hemija krije odgovor.
Fizička hemija leda
Kako temperatura vode padne ispod 4 °C, kinetička energija tekućine se smanjuje, pa se molekuli više ne kreću. Nemaju energiju za kretanje i lako se raskinu i formiraju veze kao na visokoj temperaturi. Umjesto toga, oni stvaraju više vodikovih veza s drugim molekulima vode kako bi formirali heksagonalne rešetkaste strukture.
Oni formiraju ove strukture kako bi razdvojili negativno nabijene molekule kisika. U sredini šesterokuta nastalih kao rezultat aktivnosti molekula, puno je praznine.
Led tone u vodi - razlozi
Led je zapravo 9% manje gustoće od tekuće vode. Dakle, led zauzima više prostora od vode. Praktično, ovo ima smisla jer se led širi. Zato se ne preporučuje zamrzavanje staklena boca voda – smrznuta voda može stvoriti velike pukotine čak i u betonu. Ako imate litarsku flašu leda i litarsku flašu vode, onda će vam flaša s ledenom vodom biti lakša. Molekuli su u ovom trenutku udaljeniji nego kada je supstanca u tekućem stanju. Zbog toga led ne tone u vodi. 
Kako se led topi, stabilna kristalna struktura se raspada i postaje gušća. Kada se voda zagrije do 4°C, dobija energiju i molekuli se kreću sve brže i dalje. Iz tog razloga topla voda zauzima više prostora od hladne vode i pluta na njoj hladnom vodom- ima manju gustinu. Zapamtite, kada ste na jezeru, dok plivate, gornji sloj vode je uvijek prijatan i topao, ali kada spustite noge, osjetite hladnoću donjeg sloja.
Značaj procesa zamrzavanja vode u funkcionisanju planete
Unatoč činjenici da je pitanje "Zašto led ne tone u vodi?" za 3. razred, veoma je važno razumjeti zašto se ovaj proces dešava i šta to znači za planetu. Dakle, uzgon leda ima važne implikacije za život na Zemlji. Jezera se zimi zamrzavaju na hladnim mjestima - to omogućava ribama i drugim vodenim životinjama da prežive ispod ledenog pokrivača. Ako bi dno bilo zaleđeno, onda postoji velika vjerovatnoća da bi cijelo jezero moglo biti zaleđeno.
U takvim uslovima ni jedan organizam ne bi preživeo.
Kada bi gustina leda bila veća od gustine vode, onda bi led potonuo u okeane, a ledene kape, koje bi tada bile na dnu, ne bi dozvolile nikome da tamo živi. Dno okeana bi bilo puno leda - i u šta bi se sve to pretvorilo? Između ostalog, polarni led je važan jer reflektuje svjetlost i sprečava da se planeta Zemlja previše zagrije.
Svako od nas je gledao kako ledene ploče plutaju rijekom u proljeće. Ali zašto su nemoj se udaviti? Šta ih drži na površini vode?
Stiče se utisak da im uprkos težini nešto jednostavno ne dozvoljava da se spuste. Suštinu ovog misterioznog fenomena i ja ću otkriti.
Zašto led ne tone
Poenta je da je voda veoma neobična supstanca. Ima nevjerovatna svojstva koja ponekad jednostavno ne primjećujemo.
Kao što znate, skoro sve stvari na svijetu se šire kada se zagriju i skupljaju kada se ohlade. Ovo pravilo važi i za vodu, ali uz jednu zanimljivu napomenu: kada se ohladi sa +4°C na 0°C, voda počinje da se širi. Ovo objašnjava nisku gustinu ledenih masa. Prošireno iz gore navedenog fenomena, voda postaje lakši od onog u kome se nalazi, i počinje da pluta po njegovoj površini.
Zašto je ovaj led opasan?
Gore opisani fenomen često se nalazi u prirodi i svakodnevnom životu. Ali ako počnete da zaboravljate na to, onda to može postati izvor mnogih problema. Na primjer:
- zimi iz zamrznute limenke za vodu puknule vodovodne cijevi;
- doprinosi ista voda koja se smrzava u planinskim pukotinama uništavanje stijena, uzrokujući padove stijena;
- ne smije se zaboraviti ispustite vodu iz hladnjaka automobila kako biste izbjegli gore navedene situacije.
Ali postoje i pozitivni aspekti. Uostalom, da voda nema tako nevjerovatna svojstva, onda ne bi postojao ni sport kao klizanje. Pod težinom ljudskog tijela, oštrica klizaljke toliko snažno pritišće led da se jednostavno topi, stvarajući vodeni film idealan za klizanje.
Voda u dubokom okeanu
Još jedna zanimljiva stvar je da čak i pored nulte temperature u okeanskim (ili morskim) dubinama, voda postoji ne smrzava, ne postaje ledeni blok. Zašto se ovo dešava? Ovdje se radi o svemu pritisak, koju obezbjeđuju gornji slojevi vode.
Općenito, pritisak doprinosi skrućivanju različitih tekućina. Izaziva smanjenje volumena tijela, uvelike olakšavajući njegov prijelaz u čvrsto stanje. Ali kada se voda zamrzne, ona se ne smanjuje u volumenu, već se povećava. I tako pritisak, sprečavajući ekspanziju vode, snižava tačku smrzavanja.
To je sve što mogu reći o tome zanimljiv fenomen. Nadam se da ste naučili nešto novo za sebe. Sretno na putovanjima!
Nema sumnje da led pluta na vodi; svi su to vidjeli stotine puta i na bari i na rijeci.
Ali koliko ih je razmišljalo o ovom pitanju: da li se sve čvrste materije ponašaju na isti način kao led, odnosno plutaju u tečnostima koje nastaju tokom njihovog topljenja?
Rastopite parafin ili vosak u tegli i bacite još jedan komad iste čvrste supstance u ovu tečnost, odmah će potonuti. Isto će se dogoditi i sa olovom, i sa kalajem, i sa mnogim drugim supstancama. Ispostavilo se da, po pravilu, čvrsta tela uvek tonu u tečnostima koje nastaju pri topljenju.
Kada se najčešće bavimo vodom, toliko smo navikli na suprotnu pojavu da često zaboravljamo na ovo svojstvo koje je karakteristično za sve druge supstance. Mora se imati na umu da je voda rijedak izuzetak u ovom pogledu. Samo se metalni bizmut i liveno gvožđe ponašaju na isti način kao voda.
Kada bi led bio teži od vode i ne bi se zadržavao na njegovoj površini, već bi potonuo, tada bi se čak iu dubokim rezervoarima voda zimi potpuno smrzavala. U stvari: led koji pada na dno ribnjaka tjerao bi niže slojeve vode prema gore, a to bi se dešavalo sve dok se sva voda ne pretvori u led.
Međutim, kada se voda smrzne, istina je upravo suprotno. U trenutku kada se voda pretvori u led, njen volumen se naglo povećava za oko 10 posto, a led je manje gust od vode. Zato pluta u vodi, kao što svako tijelo pluta u tečnosti velike gustine: gvozdeni ekser u živi, pluto u ulju, itd. Ako smatramo da je gustina vode jednaka jedan, onda je gustina led će biti samo 0,91. Ova brojka nam omogućava da saznamo debljinu ledene plohe koja pluta na vodi. Ako je visina ledene lamele iznad vode, na primjer, 2 centimetra, onda možemo zaključiti da je podvodni sloj leda 9 puta deblji, odnosno 18 centimetara, a cijela ledenica 20 centimetara debljine.
U morima i okeanima ponekad postoje ogromne ledene planine - sante leda (slika 4). Riječ je o glečerima koji su skliznuli sa polarnih planina, a struja i vjetar ih odnesu na otvoreno more. Njihova visina može doseći 200 metara, a zapremina - nekoliko miliona kubnih metara. Devet desetina ukupne mase ledenog brega je skriveno pod vodom. Stoga je susret s njim veoma opasan. Ako brod ne primijeti na vrijeme ledenog giganta koji se kreće, može biti ozbiljno oštećen ili čak poginuo u sudaru.
Naglo povećanje zapremine kada se tečna koda pretvori u led je važna karakteristika vode. Ova karakteristika se često mora uzeti u obzir u praktičnom životu. Ako bure vode ostavite na hladnom, tada će voda, smrzavajući, razbiti bure. Iz istog razloga ne biste trebali ostavljati vodu u hladnjaku automobila u hladnoj garaži. U teškim mrazima morate biti oprezni s najmanjim prekidom u opskrbi toplom vodom kroz cijevi za grijanje vode: voda koja se zaustavila u vanjskoj cijevi može se brzo smrznuti, a zatim će cijev puknuti.
Smrznuvši se u pukotinama stijena, voda je često uzrok planinskih kolapsa.
Razmotrimo sada jedan eksperiment koji je direktno povezan sa širenjem vode kada se zagrije. Za postavljanje ovog eksperimenta potrebna je posebna oprema i malo je vjerovatno da će je neko od čitača moći reproducirati kod kuće. Da, ovo nije nužnost; iskustvo je lako zamisliti, a njegove rezultate ćemo pokušati potvrditi na primjerima koji su svima dobro poznati.
Uzmimo vrlo jak metal, po mogućnosti čelični cilindar (slika 5), sipamo malo sačme na dno, napunite ga vodom, pričvrstite poklopac vijcima i počnite okretati vijak. Pošto se voda vrlo malo kompresuje, ne morate dugo okretati vijak. Već nakon nekoliko okretaja, tlak unutar cilindra raste na stotine atmosfera. Ako se sada cilindar ohladi čak i za 2-3 stepena ispod nule, tada se voda u njemu neće smrznuti. Ali kako možete biti sigurni u ovo? Ako otvorite cilindar, tada će se na ovoj temperaturi i atmosferskom pritisku voda odmah pretvoriti u led, a mi nećemo znati da li je bila tečna ili čvrsta kada je bila pod pritiskom. Tu će nam pomoći sipani peleti. Kada se cilindar ohladi, okrenite ga naopako. Ako je voda zamrznuta, sačma će ležati na dnu, ako nije zamrznuta, sačma će se skupiti na poklopcu. Hajde da odvrnemo šraf. Pritisak će pasti i voda će se definitivno smrznuti. Nakon što smo uklonili poklopac, uvjeravamo se da se sav metak skupio blizu poklopca. Dakle, zaista, voda pod pritiskom nije se smrzavala na temperaturama ispod nule.
Iskustvo pokazuje da se tačka smrzavanja vode smanjuje sa povećanjem pritiska za oko jedan stepen na svakih 130 atmosfera.
Kada bismo svoje razmišljanje počeli graditi na osnovu opažanja mnogih drugih supstanci, morali bismo doći do suprotnog zaključka. Pritisak obično pomaže tečnostima da se očvrsnu: pod pritiskom tečnosti se smrzavaju na višoj temperaturi, a to nije iznenađujuće kada se seti da se većina supstanci smanjuje u zapremini kada se stvrdne. Pritisak uzrokuje smanjenje volumena i time olakšava prijelaz tekućine u čvrsto stanje. Voda se pri skrućivanju, kao što već znamo, ne smanjuje u volumenu, već se, naprotiv, širi. Zbog toga pritisak, sprečavajući širenje vode, snižava njenu tačku smrzavanja.
Poznato je da je u okeanima na velikim dubinama temperatura vode ispod nula stepeni, a ipak voda na tim dubinama ne smrzava. To se objašnjava pritiskom koji stvara gornji sloj vode. Sloj vode debeo jedan kilometar pritiska silom od oko stotinu atmosfera.
Da je voda normalna tečnost, teško da bismo doživjeli užitak klizanja na ledu. To bi bilo isto kao valjanje po savršeno glatkom staklu. Klizaljke ne klize po staklu. Na ledu je sasvim druga stvar. Klizanje na ledu je veoma lako. Zašto? Pod težinom našeg tijela, tanka oštrica klizaljke vrši prilično snažan pritisak na led, a led ispod klizaljke se topi; formira se tanak film vode, koji služi kao odlično mazivo.
