Pourquoi la glace ne coule pas exemples tirés de la littérature. Pourquoi la glace ne coule pas dans l'eau, mais flotte à sa surface

Nous ne sommes pas du tout surpris par les blocs de glace flottants au début du printemps, lorsque les réservoirs commencent à se libérer des «vêtements» d'hiver et révèlent la beauté de l'eau douce à l'œil humain. Nous y sommes tellement habitués phenomene naturel qu'on n'y pense même pas et qu'on ne se demande pas pourquoi la glace ne fond pas ? Et si vous y réfléchissez, vous ne vous souvenez pas immédiatement d'exemples où des substances solides comme la glace flottent dans des liquides qui se forment lorsqu'elles fondent. Vous pouvez faire fondre de la paraffine ou de la cire dans un récipient et jeter un morceau de la même substance dans la flaque résultante, uniquement à l'état solide. Et que voit-on ? La cire et la paraffine se noient en toute sécurité dans le liquide qui s'est formé à la suite de leur propre fusion.

Pourquoi la glace ne coule-t-elle pas dans l'eau ? Le fait est que l'eau dans cet exemple est une exception très rare et intrinsèquement unique. Dans la nature, seuls le métal et la fonte se comportent comme un morceau de glace flottant à la surface de l'eau.

Si la glace était plus lourde que l'eau, elle coulerait certainement sous son propre poids et déplacerait en même temps l'eau de la partie inférieure du réservoir vers la surface. En conséquence, tout l'étang gèlerait jusqu'au fond ! Cependant, lorsque l'eau gèle, une situation complètement différente se produit. Transformer l'eau en glace augmente son volume d'environ 10% et c'est à ce moment que la glace est moins dense que l'eau elle-même. C'est pour cette raison que la glace flotte à la surface de l'eau et ne coule pas. La même chose peut être observée lorsqu'un bateau en papier est descendu sur l'eau, dont la densité est bien inférieure à la densité de l'eau. S'il y avait un bateau en bois ou autre matériau, il se noierait certainement. Si nous comparons les indicateurs de densité en nombres, alors, par exemple, si la densité de l'eau est de l'unité, la densité de la glace sera de 0,91.

L'augmentation du volume d'eau lors de son passage à l'état de glace doit être prise en compte dans la vie de tous les jours. Il suffit de laisser un tonneau au froid, rempli à ras bord d'eau, puis le liquide, gelé, va casser le récipient. C'est pourquoi il est déconseillé de laisser de l'eau dans le radiateur d'un véhicule stationné au froid. aussi dans très froid il faut se méfier des interruptions de l'alimentation en eau chaude passant par les canalisations de chauffage. S'il reste de l'eau dans le tuyau extérieur, elle gèle instantanément, ce qui entraînera inévitablement des dommages à l'alimentation en eau.

Comme vous le savez, dans les océans et les mers grandes profondeurs, où la température est inférieure à zéro, l'eau ne gèle toujours pas et ne se transforme pas en bloc de glace. L'explication est assez simple - les couches supérieures de l'eau créent une pression énorme. Par exemple, une couche d'eau d'un kilomètre appuie avec une force de plus de cent atmosphères.

Si l'eau était normale et non un liquide unique, nous n'aurions pas plaisir à patiner. On ne roule pas sur du verre, n'est-ce pas ? Mais c'est beaucoup plus lisse et plus attrayant que la glace. Mais le verre est un matériau sur lequel les patins ne glissent pas. Mais sur glace, même de qualité médiocre, le patinage est un plaisir. Vous demanderez pourquoi ? Le fait est que le poids de notre corps appuie sur une lame très fine du patin, qui exerce une forte pression sur la glace. À la suite de cette pression de la crête, la glace commence à fondre avec la formation d'un mince film d'eau, sur lequel la crête glisse parfaitement.

Comment expliquer des processus physiques complexes à un enfant ?

La première chose qui me vient à l'esprit est la densité. Oui, en fait, la glace flotte car elle est moins dense que l'eau. Mais comment expliquer à un enfant ce qu'est la densité ? Personne n'est obligé de lui dire le programme scolaire, mais c'est assez réaliste de tout réduire au fait que la glace est plus légère. En effet, en fait, un même volume d'eau et de glace a des poids différents. Si nous étudions le problème plus en détail, nous pouvons exprimer plusieurs autres raisons, en plus de la densité.
La glace ne coule pas dans l'eau, pas seulement parce que sa densité réduite l'empêche de couler plus bas. La raison en est aussi que de petites bulles d'air sont figées dans l'épaisseur de la glace. Ils réduisent également la densité, et donc en général, il s'avère que le poids de la plaque de glace devient encore moindre. Lorsque la glace se dilate, elle ne capture pas plus d'air, mais d'un autre côté, toutes ces bulles qui se sont déjà retrouvées à l'intérieur de cette couche sont là jusqu'à ce que la glace commence à fondre ou à se sublimer.

Nous menons une expérience sur la force d'expansion de l'eau

Mais comment prouver que la glace se dilate réellement ? Après tout, l'eau peut aussi se dilater, comment le prouver dans des conditions artificielles ? Vous pouvez mener une expérience intéressante et très simple. Pour ce faire, vous avez besoin d'un gobelet en plastique ou en carton et d'eau. Sa quantité n'a pas besoin d'être importante, vous n'avez pas besoin de remplir le verre à ras bord. De plus, idéalement, vous avez besoin d'une température d'environ -8 degrés ou moins. Si la température est trop élevée, l'expérience durera déraisonnablement longtemps.
Donc, l'eau est versée à l'intérieur, il faut attendre que la glace se forme. Puisque nous avons choisi température optimale, à laquelle une petite quantité de liquide se transformera en glace dans les deux à trois heures, vous pouvez rentrer chez vous en toute sécurité et attendre. Vous devez attendre que toute l'eau se transforme en glace. Après un certain temps, nous regardons le résultat. Une tasse déformée ou déchirée par la glace est garantie. À des températures plus basses, les effets semblent plus impressionnants et l'expérience elle-même prend moins de temps.

Conséquences négatives

Il s'avère qu'une expérience simple confirme que les blocs de glace se dilatent vraiment lorsque la température diminue et que le volume d'eau augmente facilement lorsqu'il gèle. En règle générale, cette fonctionnalité pose beaucoup de problèmes aux oublieux : une bouteille de champagne laissée sur le balcon sous Nouvel An pendant longtemps, déchiré en raison de l'exposition à la glace. Comme la force d'expansion est très grande, elle ne peut en aucun cas être influencée. Eh bien, en ce qui concerne la flottabilité des blocs de glace, ici, vous ne pouvez rien prouver. Les plus curieux peuvent facilement mener une expérience similaire au printemps ou à l'automne en essayant de noyer des morceaux de glace dans une grande flaque.

Il ne fait aucun doute que la glace flotte sur l'eau ; tout le monde l'a vu des centaines de fois aussi bien sur l'étang que sur la rivière.

Mais combien ont réfléchi à cette question : tous les solides se comportent-ils de la même manière que la glace, c'est-à-dire flottent-ils dans les liquides formés lors de leur fonte ?

Faites fondre de la paraffine ou de la cire dans un bocal et jetez un autre morceau de la même substance solide dans ce liquide, il coulera immédiatement. Il en sera de même avec le plomb, l'étain et bien d'autres substances. Il s'avère qu'en règle générale, les corps solides coulent toujours dans les liquides qui se forment lorsqu'ils fondent.

Lorsqu'il s'agit le plus souvent d'eau, nous sommes tellement habitués au phénomène inverse que nous oublions souvent cette propriété, caractéristique de toutes les autres substances. Il faut se rappeler que l'eau est une rare exception à cet égard. Seuls les métaux bismuth et fonte se comportent de la même manière que l'eau.

Si la glace était plus lourde que l'eau et ne restait pas à sa surface, mais coulait, alors même dans les réservoirs profonds, l'eau gèlerait entièrement en hiver. En fait : la glace tombant au fond de l'étang forcerait les couches d'eau inférieures vers le haut, et cela se produirait jusqu'à ce que toute l'eau se transforme en glace.

Cependant, lorsque l'eau gèle, c'est le contraire qui est vrai. Au moment où l'eau se transforme en glace, son volume augmente soudainement d'environ 10 % et la glace est moins dense que l'eau. C'est pourquoi elle flotte dans l'eau, comme tout corps flotte dans un liquide à haute densité : un clou de fer dans le mercure, un bouchon dans l'huile, etc. Si l'on considère que la densité de l'eau est égale à un, alors la densité de la glace ne sera que de 0,91. Ce chiffre nous permet de connaître l'épaisseur de la banquise flottant sur l'eau. Si la hauteur de la banquise au-dessus de l'eau est, par exemple, de 2 centimètres, nous pouvons en conclure que la couche sous-marine de la banquise est 9 fois plus épaisse, c'est-à-dire qu'elle est de 18 centimètres et que la banquise entière est de 20 centimètres d'épaisseur.

Dans les mers et les océans, il y a parfois d'énormes montagnes de glace - des icebergs (Fig. 4). Ce sont des glaciers qui ont glissé des montagnes polaires et sont emportés par le courant et le vent en pleine mer. Leur hauteur peut atteindre 200 mètres et leur volume - plusieurs millions de mètres cubes. Les neuf dixièmes de la masse totale de l'iceberg sont cachés sous l'eau. Par conséquent, le rencontrer est très dangereux. Si le navire ne remarque pas à temps le géant de glace en mouvement, il peut être gravement endommagé ou même tué lors d'une collision.

L'augmentation soudaine de volume lorsque la coda liquide se transforme en glace est une caractéristique importante de l'eau. Cette caractéristique doit souvent être prise en compte dans Vie pratique. Si vous laissez un baril d'eau dans le froid, l'eau gelée cassera le baril. Pour la même raison, il ne faut pas laisser d'eau dans le radiateur d'une voiture dans un garage froid. En cas de fortes gelées, il faut se méfier de la moindre interruption de l'approvisionnement eau chaudeà travers les tuyaux de chauffage de l'eau : l'eau qui s'est arrêtée dans le tuyau extérieur peut rapidement geler, puis le tuyau éclatera.

Gelant dans les fissures des rochers, l'eau est souvent à l'origine de l'effondrement des montagnes.

Considérons maintenant une expérience qui est directement liée à la dilatation de l'eau lorsqu'elle est chauffée. La mise en place de cette expérience nécessite un équipement spécial, et il est peu probable que l'un des lecteurs puisse la reproduire à la maison. Oui, ce n'est pas une nécessité; l'expérience est facile à imaginer, et nous essaierons d'en confirmer les résultats sur des exemples bien connus de tous.

Prenons un métal très solide, de préférence un cylindre en acier (Fig. 5), versons un peu de tir au fond, remplissons-le d'eau, fixons le couvercle avec des boulons et commençons à tourner la vis. Comme l'eau se comprime très peu, vous n'avez pas à tourner la vis pendant longtemps. Déjà après quelques tours, la pression à l'intérieur du cylindre monte à des centaines d'atmosphères. Si maintenant le cylindre est refroidi même de 2 à 3 degrés en dessous de zéro, l'eau qu'il contient ne gèlera pas. Mais comment en être sûr ? Si vous ouvrez le cylindre, alors à cette température et pression atmosphérique l'eau se transformera instantanément en glace, et nous ne saurons pas si elle était liquide ou solide lorsqu'elle était sous pression. Ici, les granulés coulés nous aideront. Lorsque le cylindre est froid, retournez-le. Si l'eau est gelée, la grenaille se trouvera au fond, si elle n'est pas gelée, la grenaille s'accumulera au niveau du couvercle. Dévissons la vis. La pression va chuter et l'eau va définitivement geler. Après avoir retiré le couvercle, nous nous assurons que tout le tir s'est accumulé près du couvercle. Ainsi, en effet, l'eau sous pression ne gèle pas à des températures inférieures à zéro.

L'expérience montre que le point de congélation de l'eau diminue avec l'augmentation de la pression d'environ un degré pour 130 atmosphères.

Si nous commencions à construire notre raisonnement sur la base d'observations de nombreuses autres substances, nous serions obligés d'arriver à la conclusion inverse. La pression aide généralement les liquides à se solidifier : sous pression, les liquides gèlent à plus haute température, et il n'y a rien d'étonnant si l'on se souvient que la plupart des substances diminuent de volume lors de la solidification. La pression provoque une diminution de volume et facilite ainsi la transition d'un liquide à un état solide. L'eau, lors de la solidification, comme nous le savons déjà, ne diminue pas de volume, mais au contraire se dilate. Par conséquent, la pression, empêchant l'expansion de l'eau, abaisse son point de congélation.

On sait que dans les océans à de grandes profondeurs, la température de l'eau est inférieure à zéro degré, et pourtant l'eau à ces profondeurs ne gèle pas. Cela s'explique par la pression qui crée les couches supérieures de l'eau. Une couche d'eau d'un kilomètre d'épaisseur presse avec une force d'une centaine d'atmosphères.

Si l'eau était un liquide normal, nous éprouverions à peine le plaisir de patiner sur la glace. Ce serait la même chose que de rouler sur du verre parfaitement lisse. Les patins ne glissent pas sur le verre. C'est une chose complètement différente sur la glace. Le patinage sur glace est très facile. Pourquoi? Sous le poids de notre corps, la fine lame du patin exerce une pression assez forte sur la glace, et la glace sous le patin fond ; un mince film d'eau se forme, qui sert d'excellent lubrifiant.

Glace et eau.
On sait qu'un morceau de glace placé dans un verre d'eau ne coule pas. C'est parce qu'une force flottante agit sur la glace du côté de l'eau.

Riz. 4.1. Glace dans l'eau.

Comme on peut le voir sur la fig. 4.1, la force de flottabilité est la résultante des forces de pression de l'eau agissant à la surface de la partie immergée de la glace (zone grisée sur la Fig. 4.1). La glace flotte sur l'eau parce que la force de gravité qui la tire vers le fond est équilibrée par la force de flottabilité.
Imaginez qu'il n'y a pas de glace dans le verre et que la zone ombrée sur la figure est remplie d'eau. Ici, il n'y aura pas de ligne de démarcation entre l'eau qui se trouve à l'intérieur de cette zone et à l'extérieur de celle-ci. Cependant, même dans ce cas, la flottabilité et la gravité agissant sur l'eau contenue dans la zone ombrée s'équilibrent. Étant donné que dans les deux cas considérés ci-dessus, la force de flottabilité reste inchangée, cela signifie que la force de gravité agissant sur un morceau de glace et sur l'eau dans la zone ci-dessus est la même. En d'autres termes, ils ont le même poids. Il est également exact que la masse de glace est égale à la masse d'eau dans la zone ombrée.
Après avoir fondu, la glace se transformera en eau de même masse et remplira le volume égal au volume de la zone ombragée. Par conséquent, le niveau d'eau dans un verre d'eau et un morceau de glace après la fonte de la glace ne changera pas.
États liquides et solides.
Or on sait que le volume d'un morceau de glace est supérieur au volume occupé par de l'eau de masse égale. Le rapport de la masse d'une substance au volume qu'elle occupe s'appelle la densité de la substance. Par conséquent, la densité de la glace est inférieure à la densité de l'eau. Leurs valeurs numériques mesurées à 0 °C sont : pour l'eau - 0,9998, pour la glace - 0,917 g/cm3. Non seulement la glace, mais aussi d'autres solides, lorsqu'ils sont chauffés, atteignent une certaine température, à laquelle commence leur transition vers un état liquide. Dans le cas de la fusion d'une substance pure, sa température ne commencera à s'élever lorsqu'elle sera chauffée que lorsque toute sa masse sera passée à l'état liquide. Cette température s'appelle le point de fusion de la substance. Une fois la fusion terminée, le chauffage entraînera une nouvelle augmentation de la température du liquide. Si le liquide est refroidi, en abaissant la température au point de fusion, il commencera à passer à l'état solide.
Pour la plupart des substances, contrairement au cas de la glace et de l'eau, la densité à l'état solide est plus élevée qu'à l'état liquide. Par exemple, l'argon, qui est généralement à l'état gazeux, se solidifie à une température de -189,2°C ; la masse volumique de l'argon solide est de 1,809 g/cm3 (à l'état liquide, la masse volumique de l'argon est de 1,38 g/cm3). Ainsi, si l'on compare la densité d'une substance à l'état solide à une température proche du point de fusion avec sa densité à l'état liquide, il s'avère que dans le cas de l'argon elle diminue de 14,4 %, et dans le cas de sodium - de 2,5%.
Le changement de densité d'une substance lors du passage par le point de fusion des métaux est généralement faible, à l'exception de l'aluminium et de l'or (0 et 5,3%, respectivement). Pour toutes ces substances, contrairement à l'eau, le processus de solidification ne commence pas à la surface, mais au fond.
Il existe cependant des métaux dont la densité diminue lors du passage à l'état solide. Il s'agit notamment de l'antimoine, du bismuth, du gallium, pour lesquels cette diminution est respectivement de 0,95, 3,35 et 3,2 %. Le gallium, dont le point de fusion est de -29,8 ° C, avec le mercure et le césium, appartient à la classe des métaux fusibles.
Différence entre les états solide et liquide de la matière.
À l'état solide, contrairement à l'état liquide, les molécules qui composent la substance sont disposées de manière ordonnée.

Riz. 4.2. La différence entre les états liquide et solide de la matière

Sur la fig. 4.2 (à droite) montre un exemple d'un empilement dense de molécules (représenté conditionnellement par des cercles), caractéristique d'une substance à l'état solide. La structure désordonnée caractéristique d'un liquide est représentée à côté. À l'état liquide, les molécules sont très éloignées les unes des autres, ont une plus grande liberté de mouvement et, par conséquent, la substance à l'état liquide change facilement de forme, c'est-à-dire qu'elle a une propriété telle que la fluidité.
Pour les substances fluides, comme indiqué ci-dessus, un arrangement aléatoire de molécules est caractéristique, mais toutes les substances ayant une telle structure ne sont pas capables de s'écouler. Un exemple est le verre, dont les molécules sont disposées au hasard, mais il ne coule pas.
Les substances cristallines sont des substances dont les molécules sont disposées de manière ordonnée. Dans la nature, il existe des substances dont les cristaux ont un aspect caractéristique. Ceux-ci incluent le quartz et la glace. Les métaux durs tels que le fer et le plomb ne sont pas naturellement présents dans les gros cristaux. Cependant, en étudiant leur surface au microscope, on peut distinguer des amas de petits cristaux, comme on peut le voir sur la photographie (Fig. 4.3).

Riz. 4.3. Micrographie de la surface du fer.

Il existe des méthodes spéciales pour obtenir de gros cristaux de substances métalliques.
Quelle que soit la taille des cristaux, ils ont en commun un arrangement ordonné de molécules. Ils se caractérisent également par l'existence d'un point de fusion bien défini. Cela signifie que la température d'un corps en fusion n'augmente pas lorsqu'il est chauffé jusqu'à ce qu'il soit complètement fondu. Le verre, contrairement aux substances cristallines, n'a pas de point de fusion spécifique : lorsqu'il est chauffé, il se ramollit progressivement et se transforme en un liquide ordinaire. Ainsi, le point de fusion correspond à la température à laquelle l'arrangement ordonné des molécules est détruit et la structure cristalline devient désordonnée. En conclusion, notons une autre propriété intéressante du verre, due à son absence de structure cristalline : en lui appliquant une force de traction à long terme, par exemple, pendant une période de 10 ans, on fera en sorte que le verre s'écoule comme un liquide ordinaire.
Emballage de molécules.
En utilisant des rayons X et un faisceau d'électrons, on peut étudier comment les molécules sont disposées dans un cristal. Le rayonnement X a une longueur d'onde beaucoup plus courte que la lumière visible, il peut donc être diffracté par la structure cristalline géométriquement régulière des atomes ou des molécules. En enregistrant un diagramme de diffraction sur une plaque photographique (Fig. 4.4), il est possible d'établir l'arrangement des atomes dans un cristal. En utilisant la même méthode pour les liquides, on peut vérifier que les molécules du liquide sont disposées de manière aléatoire.

Riz. 4.4. Diffraction des rayons X sur une structure périodique.
Riz. 4.5. Deux façons de bien emballer les balles.

Les molécules d'un solide, qui est à l'état cristallin, sont assez complexes les unes par rapport aux autres. La structure des substances constituées d'atomes ou de molécules du même type semble relativement simple, comme, par exemple, le cristal d'argon illustré à la Fig. 4.5 (à gauche), où les atomes sont classiquement désignés par des boules. Vous pouvez remplir une certaine quantité d'espace avec des balles de différentes manières. Un tel garnissage dense est possible en raison de la présence de forces d'attraction intermoléculaires, qui tendent à disposer les molécules de sorte que le volume qu'elles occupent soit minimal. Cependant, en réalité, la structure de la Fig. 4.5 (à droite) ne se produit pas ; Il n'est pas facile d'expliquer ce fait.
Alors, comment imaginez-vous différentes manières placer les boules dans l'espace est assez difficile, considérons comment vous pouvez bien ranger les pièces dans l'avion.

Riz. 4.6. Un arrangement ordonné de pièces de monnaie dans un avion.

Sur la fig. 4.6 deux de ces méthodes sont présentées : dans la première, chaque molécule est en contact avec quatre molécules voisines dont les centres sont les sommets d'un carré de côté d, où d est le diamètre de la pièce ; dans le second cas, chaque pièce est en contact avec six pièces voisines. Les lignes pointillées sur la figure délimitent la zone occupée par une pièce. Dans le premier cas
elle est égale à d 2 , et là encore cette aire est plus petite et égale à √3d 2 /2.
La deuxième façon de placer les pièces réduit considérablement l'écart entre elles.
Molécule à l'intérieur d'un cristal. Le but de l'étude des cristaux est d'établir comment les molécules y sont disposées. Des cristaux de métaux tels que l'or, l'argent, le cuivre sont disposés comme des cristaux d'argon. Dans le cas des métaux, on devrait parler d'un arrangement ordonné d'ions, pas de molécules. Un atome de cuivre, par exemple, perdant un électron, se transforme en un ion cuivre chargé négativement. Les électrons sont libres de se déplacer entre les ions. Si les ions sont représentés conditionnellement sous forme de boules, on obtient une structure caractérisée par un tassement serré. Les cristaux de métaux tels que le sodium et le potassium diffèrent quelque peu de la structure du cuivre. Les molécules de CO 2 et les composés organiques, constitués d'atomes différents, ne peuvent pas être représentés sous forme de boules. Passant à l'état solide, ils forment une structure cristalline extrêmement complexe.

Riz. 4.7. Cristal "glace sèche" (grosses grosses boules - atomes de carbone)

Sur la fig. La figure 4.7 montre des cristaux de CO2 solides appelés neige carbonique. Le diamant, qui n'est pas un composé chimique, a également une structure particulière, puisque des liaisons chimiques se forment entre les atomes de carbone.
Densité liquide. Lors du passage à un état liquide, la structure moléculaire d'une substance devient désordonnée. Ce processus peut s'accompagner à la fois d'une diminution et d'une augmentation du volume occupé par une substance donnée dans l'espace.


Riz. 4.8. Modèles en briques, correspondant à la structure de l'eau et d'un corps solide.

A titre d'illustration, considérons celui représenté sur la Fig. Immeuble de 4,8 briques. Soit chaque brique correspond à une molécule. Un bâtiment en brique détruit par un tremblement de terre se transforme en un tas de briques dont les dimensions sont inférieures à celles du bâtiment. Cependant, si toutes les briques sont soigneusement empilées une par une, la quantité d'espace qu'elles occupent deviendra encore plus petite. Une relation similaire existe entre la densité de la matière à l'état solide et liquide. Des cristaux de cuivre et d'argon peuvent être associés à l'empilement dense de briques représenté. L'état liquide en eux correspond à un tas de briques. Le passage d'un état solide à un état liquide dans ces conditions s'accompagne d'une diminution de la densité.
Dans le même temps, le passage d'une structure cristalline à grandes distances intermoléculaires (ce qui correspond à un bâtiment en brique) à un état liquide s'accompagne d'une augmentation de la densité. Cependant, en réalité, de nombreux cristaux conservent de grandes distances intermoléculaires lors du passage à l'état liquide.
Pour l'antimoine, le bismuth, le gallium et d'autres métaux, contrairement au sodium et au cuivre, un garnissage dense n'est pas typique. En raison des grandes distances interatomiques, leur densité augmente lors du passage à la phase liquide.

Structure de glace.
La molécule d'eau est constituée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène situés de part et d'autre de celle-ci. Contrairement à la molécule de dioxyde de carbone, dans laquelle l'atome de carbone et deux atomes d'oxygène sont situés le long d'une ligne droite, dans la molécule d'eau, les lignes reliant l'atome d'oxygène à chacun des atomes d'hydrogène forment un angle de 104,5° entre elles. Par conséquent, il existe des forces d'interaction entre les molécules d'eau qui sont de nature électrique. De plus, en raison des propriétés particulières de l'atome d'hydrogène, lors de la cristallisation, l'eau forme une structure dans laquelle chaque molécule est associée à quatre molécules voisines. Cette structure est simplifiée sur la Fig. 4.9. Les grosses boules sont des atomes d'oxygène, les petites boules noires sont des atomes d'hydrogène.

Riz. 4.9. Structure cristalline de la glace.

De grandes distances intermoléculaires sont réalisées dans cette structure. Ainsi, lorsque la glace fond et que la structure s'effondre, le volume par molécule diminue. Cela conduit au fait que la densité de l'eau est supérieure à la densité de la glace et que la glace peut flotter sur l'eau.

Étude 1
POURQUOI LA DENSITÉ DE L'EAU EST-ELLE LA PLUS ÉLEVÉE À 4 °C ?

Liaison hydrogène et dilatation thermique. Après avoir fondu, la glace se transforme en eau dont la densité est supérieure à celle de la glace. Avec une nouvelle augmentation de la température de l'eau, sa densité augmente jusqu'à ce que la température atteigne 4 °C. Si à 0°C la masse volumique de l'eau est de 0,99984 g/cm3, alors à 4°C elle est de 0,99997 g/cm3. Une nouvelle augmentation de la température entraîne une diminution de la densité et à 8°C elle reprendra la même valeur qu'à 0°C.

Riz. 4.10. La structure cristalline de la glace (les grosses boules sont des atomes d'oxygène).

Ce phénomène est associé à la présence d'une structure cristalline dans la glace. Tous les détails sont montrés sur la Fig. 4.10, où, pour plus de clarté, les atomes sont représentés par des boules et les liaisons chimiques sont indiquées par des lignes pleines. Une caractéristique de la structure est que l'atome d'hydrogène est toujours situé entre deux atomes d'oxygène, étant plus proche de l'un d'eux. Ainsi, l'atome d'hydrogène contribue à l'émergence d'une force de cohésion entre deux molécules d'eau adjacentes. Cette force de liaison s'appelle une liaison hydrogène. Étant donné que les liaisons hydrogène ne se produisent que dans certaines directions, la disposition des molécules d'eau dans un morceau de glace est proche du tétraèdre. Lorsque la glace, ayant fondu, se transforme en eau, une partie importante des liaisons hydrogène n'est pas détruite, grâce à quoi la structure est préservée, proche du tétraédrique avec de grandes distances intermoléculaires qui le caractérisent. À mesure que la température augmente, le taux de mouvement de translation et de rotation des molécules augmente, ce qui entraîne la rupture des liaisons hydrogène, la distance intermoléculaire diminue et la densité de l'eau augmente.
Cependant, parallèlement à ce processus, avec une augmentation de la température, une dilatation thermique de l'eau se produit, ce qui entraîne une diminution de sa densité. L'influence de ces deux facteurs conduit au fait que la densité maximale de l'eau est atteinte à 4 °C. A des températures supérieures à 4°C, le facteur associé à la dilatation thermique commence à prédominer et la densité diminue à nouveau.

Étude 2
GLACE À BASSES TEMPÉRATURES OU HAUTES PRESSIONS

Variétés de glace. Comme les distances intermoléculaires augmentent lors de la cristallisation de l'eau, la densité de la glace est inférieure à la densité de l'eau. Si un morceau de glace est exposé à haute pression, on peut s'attendre à ce que la distance intermoléculaire diminue. En effet, en exposant de la glace à 0°C à une pression de 14 kbar (1 kbar = 987 atm), on obtient une glace de structure cristalline différente dont la densité est de 1,38 g/cm3. Si l'eau sous une telle pression est refroidie à une certaine température, elle commencera à
cristalliser. Étant donné que la densité de cette glace est supérieure à celle de l'eau, les cristaux ne peuvent pas rester à sa surface et couler au fond. Ainsi, l'eau de la cuve cristallise en partant du fond. Ce type de glace est appelé glace VI ; glace ordinaire - glace I.
A une pression de 25 kbar et une température de 100 °C, l'eau se solidifie en se transformant en glace VII d'une densité de 1,57 g/cm3.

Riz. 4.11. Diagramme de l'état de l'eau.

En changeant la température et la pression, 13 variétés de glace peuvent être obtenues. Les zones de changement de paramètre sont indiquées dans le diagramme d'état (Fig. 4.11). À partir de ce diagramme, vous pouvez déterminer à quel type de glace correspond une température et une pression données. Les lignes pleines correspondent aux températures et aux pressions auxquelles coexistent deux structures de glace différentes. La glace VIII a la densité la plus élevée de 1,83 g/cm3 parmi tous les types de glace.
A une pression relativement basse, 3 kbar, il existe de la glace II dont la densité est également supérieure à celle de l'eau et est de 1,15 g/cm3. Il est intéressant de noter qu'à une température de -120 °C, la structure cristalline disparaît et la glace passe à l'état vitreux.
Comme pour l'eau et la glace I, on peut voir sur le diagramme que lorsque la pression augmente, le point de fusion diminue. La densité de l'eau étant supérieure à celle de la glace, la transition "glace - eau" s'accompagne d'une diminution de volume, et la pression appliquée de l'extérieur ne fait qu'accélérer ce processus. À Glace III, dont la densité est supérieure à celle de l'eau, la situation est exactement le contraire - son point de fusion augmente avec l'augmentation de la pression.

Les blocs de glace polaires et les icebergs dérivent dans l'océan, et même dans les boissons, la glace ne coule jamais au fond. On peut en conclure que la glace ne coule pas dans l'eau. Pourquoi? Si vous y réfléchissez, cette question peut sembler un peu étrange, car la glace est solide et - intuitivement - devrait être plus lourde que le liquide. Bien que cette affirmation soit vraie pour la plupart des substances, l'eau est l'exception à la règle. L'eau et la glace se distinguent par des liaisons hydrogène, qui rendent la glace plus légère à l'état solide que lorsqu'elle est à l'état liquide.

Question scientifique : pourquoi la glace ne coule pas dans l'eau

Imaginez que nous sommes dans une leçon intitulée " Le monde» en classe de 3e. « Pourquoi la glace ne coule-t-elle pas dans l'eau ? » demande l'enseignant aux enfants. Et les enfants, n'ayant pas de connaissances approfondies en physique, commencent à raisonner. "Peut-être que c'est magique ?" dit l'un des enfants.

En effet, la glace est extrêmement inhabituelle. Il n'existe pratiquement aucune autre substance naturelle qui, à l'état solide, puisse flotter à la surface d'un liquide. C'est l'une des propriétés qui fait de l'eau une substance si inhabituelle et, pour être honnête, c'est cela qui change la voie de l'évolution planétaire.

Certaines planètes contiennent d'énormes quantités d'hydrocarbures liquides tels que l'ammoniac - cependant, lorsqu'elles gèlent, ce matériau coule au fond. La raison pour laquelle la glace ne coule pas dans l'eau est que lorsque l'eau gèle, elle se dilate et, avec elle, sa densité diminue. Fait intéressant, l'expansion de la glace peut briser les roches - le processus de glaciation de l'eau est si inhabituel.

Scientifiquement parlant, le processus de congélation met en place des cycles rapides d'altération et certains substances chimiques libérés à la surface sont capables de dissoudre les minéraux. En général, les processus et les possibilités associés au gel de l'eau sont propriétés physiques d'autres liquides ne sont pas attendus.

Densité de la glace et de l'eau

Donc, la réponse à la question de savoir pourquoi la glace ne coule pas dans l'eau, mais flotte à la surface, est qu'elle a une densité inférieure à celle du liquide, mais c'est une réponse de premier niveau. Pour mieux comprendre, vous devez savoir pourquoi la glace a une faible densité, pourquoi les choses flottent en premier lieu, comment la densité conduit au flottement.

Rappelez-vous le génie grec Archimède, qui a découvert qu'après avoir immergé un certain objet dans l'eau, le volume d'eau augmente d'un nombre égal au volume de l'objet immergé. En d'autres termes, si vous placez un plat profond à la surface de l'eau et que vous y placez ensuite un objet lourd, le volume d'eau qui sera versé dans le plat sera exactement égal au volume de l'objet. Peu importe si l'objet est entièrement ou partiellement submergé.

Propriétés de l'eau

L'eau est des trucs incroyables, qui nourrit essentiellement la vie sur terre, car tout organisme vivant en a besoin. L'une des propriétés les plus importantes de l'eau est qu'elle a la densité la plus élevée à 4°C. Alors, eau chaude ou la glace sont moins denses que l'eau froide. Les substances moins denses flottent au-dessus des substances plus denses.

Par exemple, lors de la préparation d'une salade, vous remarquerez peut-être que l'huile se trouve à la surface du vinaigre - cela peut s'expliquer par le fait qu'il a une densité plus faible. La même loi est également valable pour expliquer pourquoi la glace ne coule pas dans l'eau, mais coule dans l'essence et le kérosène. C'est juste que ces deux substances ont une densité inférieure à celle de la glace. Ainsi, si vous jetez un ballon gonflable dans la piscine, il flottera à la surface, mais si vous jetez une pierre dans l'eau, il coulera au fond.

Quels changements arrivent à l'eau quand elle gèle

La raison pour laquelle la glace ne coule pas dans l'eau est due aux liaisons hydrogène qui changent lorsque l'eau gèle. Comme vous le savez, l'eau est composée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Ils sont liés par des liaisons covalentes incroyablement fortes. Cependant, l'autre type de liaison qui se forme entre différentes molécules, appelée liaison hydrogène, est plus faible. Ces liaisons se forment parce que les atomes d'hydrogène chargés positivement sont attirés par les atomes d'oxygène chargés négativement des molécules d'eau voisines.

Lorsque l'eau est chaude, les molécules sont très actives, bougent beaucoup, forment et rompent rapidement les liaisons avec les autres molécules d'eau. Ils ont l'énergie de se rapprocher et d'agir rapidement. Alors pourquoi la glace ne coule-t-elle pas dans l'eau ? La chimie cache la réponse.

Chimie physique de la glace

Lorsque la température de l'eau descend en dessous de 4 °C, l'énergie cinétique du liquide diminue, de sorte que les molécules ne bougent plus. Ils n'ont pas l'énergie nécessaire pour se déplacer et sont aussi faciles qu'à haute température à se rompre et à former des liaisons. Au lieu de cela, ils forment plus de liaisons hydrogène avec d'autres molécules d'eau pour former des structures de réseau hexagonales.

Ils forment ces structures pour séparer les molécules d'oxygène chargées négativement. Au milieu des hexagones formés à la suite de l'activité des molécules, il y a beaucoup de vide.

La glace coule dans l'eau - raisons

La glace est en fait 9% moins dense que l'eau liquide. Par conséquent, la glace prend plus de place que l'eau. Pratiquement, cela a du sens car la glace se dilate. C'est pourquoi il n'est pas recommandé de congeler bouteille en verre l'eau - l'eau gelée peut créer de grandes fissures même dans le béton. Si vous avez une bouteille d'un litre de glace et une bouteille d'un litre d'eau, une bouteille d'eau glacée sera plus facile. Les molécules sont plus éloignées à ce stade que lorsque la substance est à l'état liquide. C'est pourquoi la glace ne coule pas dans l'eau.

À mesure que la glace fond, la structure cristalline stable se décompose et devient plus dense. Lorsque l'eau se réchauffe jusqu'à 4°C, elle gagne en énergie et les molécules se déplacent plus vite et plus loin. C'est pour cette raison que l'eau chaude prend plus de place que l'eau froide et flotte au-dessus de eau froide- il a une densité plus faible. Rappelez-vous, lorsque vous êtes sur le lac, en nageant, la couche d'eau supérieure est toujours agréable et chaude, mais lorsque vous posez vos pieds, vous ressentez la froideur de la couche inférieure.

L'importance du processus de congélation de l'eau dans le fonctionnement de la planète

Malgré le fait que la question "Pourquoi la glace ne coule-t-elle pas dans l'eau?" pour la 3e année, il est très important de comprendre pourquoi ce processus se produit et ce qu'il signifie pour la planète. Ainsi, la flottabilité de la glace a des implications importantes pour la vie sur Terre. Les lacs gèlent en hiver dans des endroits froids - cela permet aux poissons et autres animaux aquatiques de survivre sous la calotte glaciaire. Si le fond était gelé, il y a une forte probabilité que tout le lac soit gelé.

Dans de telles conditions, pas un seul organisme n'aurait survécu.

Si la densité de la glace était supérieure à la densité de l'eau, alors les océans couleraient, et les calottes glaciaires qui seraient alors au fond ne permettraient à personne d'y vivre. Le fond de l'océan serait plein de glace - et en quoi tout cela se transformerait-il ? Entre autres choses, la glace polaire est importante car elle réfléchit la lumière et empêche la planète Terre de devenir trop chaude.

Chacun de nous a observé comment les plaques de glace flottent sur la rivière au printemps. Mais pourquoi sont-ils ne te noie pas? Qu'est-ce qui les maintient à la surface de l'eau ?

On a l'impression que malgré leur poids, quelque chose ne leur permet tout simplement pas de descendre. L'essence de ce phénomène mystérieux et je vais révéler.

Pourquoi la glace ne coule pas

Le fait est que l'eau est très substance inhabituelle. Il a des propriétés étonnantes que nous ne remarquons parfois tout simplement pas.

Comme vous le savez, presque toutes les choses dans le monde se dilatent lorsqu'elles sont chauffées et se contractent lorsqu'elles sont refroidies. Cette règle s'applique également à l'eau, mais avec une remarque intéressante : lorsqu'elle est refroidie de +4°C à 0°C, l'eau commence à se dilater. Ceci explique la faible densité des masses de glace. Développée à partir du phénomène ci-dessus, l'eau devient plus léger que celui dans lequel il se trouve, et commence à dériver à sa surface.

Pourquoi cette glace est-elle dangereuse ?

Le phénomène décrit ci-dessus se retrouve souvent dans la nature et dans la vie de tous les jours. Mais si vous commencez à l'oublier, cela peut devenir une source de nombreux problèmes. Par exemple:

• en hiver de l'eau gelée peut éclater des conduites d'eau;

• la même eau, gelée dans les crevasses des montagnes, contribue destruction de rochers, provoquant des chutes de pierres ;
• ne doit pas être oublié vidanger l'eau d'un radiateur de voiture pour éviter les situations ci-dessus.

Mais il y a aussi des aspects positifs. Après tout, si l'eau n'avait pas des propriétés aussi étonnantes, il n'y aurait pas de sport tel que patinage. Sous le poids du corps humain, la lame du patin appuie si fort sur la glace qu'elle fond tout simplement, créant un film d'eau idéal pour la glisse.

L'eau dans l'océan profond

Un autre point intéressant est que même malgré la température nulle dans les profondeurs de l'océan (ou de la mer), l'eau qui s'y trouve ne gèle pas, ne devient pas un bloc de glace. Pourquoi cela arrive-t-il? Ici, il s'agit de pression, qui est fourni par les couches d'eau supérieures.

En général, la pression contribue à la solidification de divers liquides. Il provoque une diminution du volume du corps, facilitant grandement son passage à l'état solide. Mais lorsque l'eau gèle, son volume ne diminue pas, mais augmente plutôt. Et ainsi la pression, empêchant l'expansion de l'eau, abaisse son point de congélation.

C'est tout ce que je peux en dire phénomène intéressant. J'espère que vous avez appris quelque chose de nouveau pour vous-même. Bonne chance dans vos voyages!

Il ne fait aucun doute que la glace flotte sur l'eau ; tout le monde l'a vu des centaines de fois aussi bien sur l'étang que sur la rivière.

Mais combien ont réfléchi à cette question : tous les solides se comportent-ils de la même manière que la glace, c'est-à-dire flottent-ils dans les liquides formés lors de leur fonte ?

Faites fondre de la paraffine ou de la cire dans un bocal et jetez un autre morceau de la même substance solide dans ce liquide, il coulera immédiatement. Il en sera de même avec le plomb, l'étain et bien d'autres substances. Il s'avère qu'en règle générale, les corps solides coulent toujours dans les liquides qui se forment lorsqu'ils fondent.

Lorsqu'il s'agit le plus souvent d'eau, nous sommes tellement habitués au phénomène inverse que nous oublions souvent cette propriété, caractéristique de toutes les autres substances. Il faut se rappeler que l'eau est une rare exception à cet égard. Seuls les métaux bismuth et fonte se comportent de la même manière que l'eau.

Si la glace était plus lourde que l'eau et ne restait pas à sa surface, mais coulait, alors même dans les réservoirs profonds, l'eau gèlerait entièrement en hiver. En fait : la glace tombant au fond de l'étang forcerait les couches d'eau inférieures vers le haut, et cela se produirait jusqu'à ce que toute l'eau se transforme en glace.

Cependant, lorsque l'eau gèle, c'est le contraire qui est vrai. Au moment où l'eau se transforme en glace, son volume augmente soudainement d'environ 10 % et la glace est moins dense que l'eau. C'est pourquoi elle flotte dans l'eau, comme tout corps flotte dans un liquide à haute densité : un clou de fer dans le mercure, un bouchon dans l'huile, etc. Si l'on considère que la densité de l'eau est égale à un, alors la densité de la glace ne sera que de 0,91. Ce chiffre nous permet de connaître l'épaisseur de la banquise flottant sur l'eau. Si la hauteur de la banquise au-dessus de l'eau est, par exemple, de 2 centimètres, nous pouvons en conclure que la couche sous-marine de la banquise est 9 fois plus épaisse, c'est-à-dire qu'elle est de 18 centimètres et que la banquise entière est de 20 centimètres d'épaisseur.

Dans les mers et les océans, il y a parfois d'énormes montagnes de glace - des icebergs (Fig. 4). Ce sont des glaciers qui ont glissé des montagnes polaires et sont emportés par le courant et le vent en pleine mer. Leur hauteur peut atteindre 200 mètres et leur volume - plusieurs millions de mètres cubes. Les neuf dixièmes de la masse totale de l'iceberg sont cachés sous l'eau. Par conséquent, le rencontrer est très dangereux. Si le navire ne remarque pas à temps le géant de glace en mouvement, il peut être gravement endommagé ou même tué lors d'une collision.

L'augmentation soudaine de volume lorsque la coda liquide se transforme en glace est une caractéristique importante de l'eau. Cette caractéristique doit souvent être prise en compte dans la vie pratique. Si vous laissez un baril d'eau dans le froid, l'eau gelée cassera le baril. Pour la même raison, il ne faut pas laisser d'eau dans le radiateur d'une voiture dans un garage froid. En cas de fortes gelées, vous devez vous méfier de la moindre interruption de l'alimentation en eau chaude par les tuyaux de chauffage de l'eau : l'eau qui s'est arrêtée dans le tuyau extérieur peut geler rapidement, puis le tuyau éclatera.

Gelant dans les fissures des rochers, l'eau est souvent à l'origine de l'effondrement des montagnes.

Considérons maintenant une expérience qui est directement liée à la dilatation de l'eau lorsqu'elle est chauffée. La mise en place de cette expérience nécessite un équipement spécial, et il est peu probable que l'un des lecteurs puisse la reproduire à la maison. Oui, ce n'est pas une nécessité; l'expérience est facile à imaginer, et nous essaierons d'en confirmer les résultats sur des exemples bien connus de tous.

Prenons un métal très solide, de préférence un cylindre en acier (Fig. 5), versons un peu de tir au fond, remplissons-le d'eau, fixons le couvercle avec des boulons et commençons à tourner la vis. Comme l'eau se comprime très peu, vous n'avez pas à tourner la vis pendant longtemps. Déjà après quelques tours, la pression à l'intérieur du cylindre monte à des centaines d'atmosphères. Si maintenant le cylindre est refroidi même de 2 à 3 degrés en dessous de zéro, l'eau qu'il contient ne gèlera pas. Mais comment en être sûr ? Si vous ouvrez le cylindre, alors à cette température et à cette pression atmosphérique, l'eau se transformera instantanément en glace et nous ne saurons pas si elle était liquide ou solide lorsqu'elle était sous pression. Ici, les granulés coulés nous aideront. Lorsque le cylindre est froid, retournez-le. Si l'eau est gelée, la grenaille se trouvera au fond, si elle n'est pas gelée, la grenaille s'accumulera au niveau du couvercle. Dévissons la vis. La pression va chuter et l'eau va définitivement geler. Après avoir retiré le couvercle, nous nous assurons que tout le tir s'est accumulé près du couvercle. Ainsi, en effet, l'eau sous pression ne gèle pas à des températures inférieures à zéro.

L'expérience montre que le point de congélation de l'eau diminue avec l'augmentation de la pression d'environ un degré pour 130 atmosphères.

Si nous commencions à construire notre raisonnement sur la base d'observations de nombreuses autres substances, nous serions obligés d'arriver à la conclusion inverse. La pression aide généralement les liquides à se solidifier : sous pression, les liquides gèlent à une température plus élevée, et cela n'est pas surprenant si vous vous souvenez que la plupart des substances rétrécissent en volume lorsqu'elles se solidifient. La pression provoque une diminution de volume et facilite ainsi la transition d'un liquide à un état solide. L'eau, lors de la solidification, comme nous le savons déjà, ne diminue pas de volume, mais au contraire se dilate. Par conséquent, la pression, empêchant l'expansion de l'eau, abaisse son point de congélation.

On sait que dans les océans à de grandes profondeurs, la température de l'eau est inférieure à zéro degré, et pourtant l'eau à ces profondeurs ne gèle pas. Cela s'explique par la pression qui crée les couches supérieures de l'eau. Une couche d'eau d'un kilomètre d'épaisseur presse avec une force d'une centaine d'atmosphères.

Si l'eau était un liquide normal, nous éprouverions à peine le plaisir de patiner sur la glace. Ce serait la même chose que de rouler sur du verre parfaitement lisse. Les patins ne glissent pas sur le verre. C'est une chose complètement différente sur la glace. Le patinage sur glace est très facile. Pourquoi? Sous le poids de notre corps, la fine lame du patin exerce une pression assez forte sur la glace, et la glace sous le patin fond ; un mince film d'eau se forme, qui sert d'excellent lubrifiant.