De ce gheața nu scufundă exemple din literatură. De ce gheața nu se scufundă în apă, ci plutește pe suprafața ei

Nu suntem deloc surprinși de blocurile de gheață plutitoare la începutul primăverii, când rezervoarele încep să se elibereze de „hainele” de iarnă și dezvăluie frumusețea apei proaspete ochiului uman. Suntem atât de obișnuiți fenomen natural că nici nu ne gândim la asta și nu ne întrebăm de ce nu se topește gheața? Și dacă vă gândiți bine, nu vă amintiți imediat exemplele în care substanțe solide precum gheața plutesc în lichide care se formează atunci când se topesc. Poti topi parafina sau ceara intr-un recipient si arunca o bucata din aceeasi substanta in balta rezultata, doar in stare solida. Și ce vedem? Ceara și parafina se îneacă în siguranță în lichidul care s-a format ca urmare a propriei topiri.

De ce gheața nu se scufundă în apă? Faptul este că apa din acest exemplu este o excepție foarte rară și în mod inerent unică. În natură, doar metalul și fonta se comportă ca o bucată de gheață care plutește pe suprafața apei.

Dacă gheața ar fi mai grea decât apa, atunci cu siguranță s-ar scufunda sub propria greutate și, în același timp, s-ar deplasa la suprafață apa din partea inferioară a rezervorului. Drept urmare, întregul iaz ar îngheța până la fund! Cu toate acestea, atunci când apa îngheață, apare o situație complet diferită. Transformarea apei în gheață îi crește volumul cu aproximativ 10% și tocmai în acest moment gheața este mai puțin densă decât apa însăși. Din acest motiv gheața plutește la suprafața apei și nu se scufundă. Același lucru poate fi observat atunci când o barcă de hârtie este coborâtă pe apă, a cărei densitate este mult mai mică decât densitatea apei. Dacă ar exista o barcă din lemn sau alt material, cu siguranță s-ar îneca. Dacă comparăm indicatorii de densitate în cifre, atunci, de exemplu, dacă densitatea apei este unitate, atunci densitatea gheții va fi 0,91.

Creșterea volumului de apă în timpul tranziției sale la starea de gheață trebuie luată în considerare în viața de zi cu zi. Este suficient să lăsați un butoi la rece, umplut până sus cu apă, apoi lichidul, înghețat, va sparge recipientul. De aceea, nu este recomandat să lăsați apă în radiatorul unui vehicul care stă la frig. De asemenea, în foarte rece este necesar să fim atenți la întreruperile în alimentarea cu apă caldă care trece prin conductele de încălzire. Dacă apă rămâne în conducta exterioară, aceasta îngheață instantaneu, ceea ce va duce inevitabil la deteriorarea alimentării cu apă.

După cum știți, în oceane și mări mai departe adâncimi mari, unde temperatura este sub zero, apa tot nu îngheață și nu se transformă în bloc de gheață. Pentru a explica acest lucru este destul de simplu - straturile superioare de apă creează o presiune extraordinară. De exemplu, un strat de apă de un kilometru presează cu o forță de peste o sută de atmosfere.

Dacă apa ar fi normală și nu un lichid unic, nu ne-ar plăcea să patinăm. Nu ne rostogolim pe sticlă, nu? Dar este mult mai netedă și mai atractivă decât gheața. Dar sticla este un material pe care patinele nu vor aluneca. Dar pe gheață, chiar și de calitate nu foarte bună, patinajul este o plăcere. Vei întreba de ce? Cert este că greutatea corpului nostru apasă pe o lamă foarte subțire a patinului, care exercită o presiune puternică asupra gheaţă. Ca urmare a acestei presiuni din creastă, gheața începe să se topească cu formarea unei pelicule subțiri de apă, peste care creasta alunecă excelent.

Cum să explici unui copil procesele fizice complexe?

Primul lucru care îmi vine în minte este densitatea. Da, de fapt, gheața plutește pentru că este mai puțin densă decât apa. Dar cum să explici unui copil ce este densitatea? Nimeni nu este obligat să-i spună programa școlară, dar este destul de realist să reducem totul la faptul că gheața este mai ușoară. Într-adevăr, de fapt, același volum de apă și gheață are greutăți diferite. Dacă studiem problema mai detaliat, atunci putem exprima mai multe motive, pe lângă densitate.
Gheața nu se scufundă în apă, nu numai pentru că densitatea sa redusă o împiedică să se scufunde mai jos. Motivul este, de asemenea, că mici bule de aer sunt înghețate în grosimea gheții. De asemenea, reduc densitatea și, prin urmare, în general, se dovedește că greutatea plăcii de gheață devine și mai mică. Când gheața se extinde, nu se captează mai mult aer, dar pe de altă parte, toate acele bule care au ajuns deja în interiorul acestui strat sunt acolo până când gheața începe să se topească sau să se sublimeze.

Facem un experiment asupra forței de dilatare a apei

Dar cum poți dovedi că gheața se extinde de fapt? La urma urmei, apa se poate extinde și ea, cum o poți dovedi în condiții artificiale? Puteți efectua un experiment interesant și foarte simplu. Pentru a face acest lucru, aveți nevoie de o cană de plastic sau carton și apă. Cantitatea sa nu trebuie să fie mare; nu trebuie să umpleți paharul până la refuz. De asemenea, în mod ideal, aveți nevoie de o temperatură de aproximativ -8 grade sau mai mică. Dacă temperatura este prea mare, experiența va dura nerezonabil de mult.
Deci, apa este turnată înăuntru, trebuie să așteptăm să se formeze gheața. Din moment ce am ales temperatura optima, la care o cantitate mică de lichid se va transforma în gheață în două până la trei ore, puteți merge în siguranță acasă și așteptați. Trebuie să așteptați până când toată apa se transformă în gheață. După ceva timp, ne uităm la rezultat. O cupă deformată sau ruptă de gheață este garantată. La temperaturi mai scăzute, efectele par mai impresionante, iar experimentul în sine durează mai puțin.

Consecințe negative

Se pare că un experiment simplu confirmă că blocurile de gheață se extind cu adevărat atunci când temperatura scade, iar volumul de apă crește cu ușurință atunci când îngheață. De regulă, această caracteristică aduce o mulțime de probleme oamenilor uituci: o sticlă de șampanie lăsată pe balcon sub An Nou mult timp, ruptă din cauza expunerii la gheață. Deoarece forța de expansiune este foarte mare, nu poate fi influențată în niciun fel. Ei bine, în ceea ce privește flotabilitatea blocurilor de gheață, aici nu poți dovedi nimic. Cei mai curioși pot conduce cu ușurință o experiență similară primăvara sau toamna singuri, încercând să înece bucăți de gheață într-o băltoacă mare.

Nu există nicio îndoială că gheața plutește pe apă; toată lumea l-a văzut de sute de ori atât pe iaz, cât și pe râu.

Dar câți oameni s-au gândit la această întrebare: toate solidele se comportă la fel ca gheața, adică plutesc în lichidele formate în timpul topirii lor?

Topiți parafina sau ceara într-un borcan și aruncați o altă bucată din aceeași substanță solidă în acest lichid, se va scufunda imediat. La fel se va întâmpla cu plumbul, cu staniul și cu multe alte substanțe. Se dovedește că, de regulă, corpurile solide se scufundă întotdeauna în lichidele care se formează atunci când se topesc.

Când avem de-a face cel mai adesea cu apa, suntem atât de obișnuiți cu fenomenul opus, încât uităm adesea această proprietate, care este caracteristică tuturor celorlalte substanțe. Trebuie amintit că apa este o excepție rară în acest sens. Doar bismutul metalic și fonta se comportă la fel ca apa.

Dacă gheața ar fi mai grea decât apa și nu ar rămâne pe suprafața ei, ci s-ar scufunda, atunci chiar și în rezervoare adânci apa ar îngheța complet iarna. De fapt: gheața căzând pe fundul iazului ar forța straturile inferioare de apă în sus, iar acest lucru s-ar întâmpla până când toată apa se va transforma în gheață.

Cu toate acestea, atunci când apa îngheață, este adevărat opusul. În momentul în care apa se transformă în gheață, volumul acesteia crește brusc cu aproximativ 10 la sută, iar gheața este mai puțin densă decât apa. De aceea plutește în apă, așa cum orice corp plutește într-un lichid cu densitate mare: un cui de fier în mercur, un dop în ulei etc. Dacă considerăm densitatea apei egală cu unu, atunci densitatea de gheața va fi doar 0,91. Această cifră ne permite să aflăm grosimea bancului de gheață care plutește pe apă. Dacă înălțimea bancului de gheață deasupra apei este, de exemplu, de 2 centimetri, atunci putem trage concluzia că stratul subacvatic al bancului de gheață este de 9 ori mai gros, adică este de 18 centimetri, iar întregul banc de gheață este de 20. centimetri grosime.

În mări și oceane există uneori uriași munți de gheață - aisberguri (Fig. 4). Aceștia sunt ghețari care au alunecat din munții polari și sunt duși de curent și vânt în larg. Înălțimea lor poate ajunge la 200 de metri, iar volumul - câteva milioane de metri cubi. Nouă zecimi din întreaga masă a aisbergului este ascunsă sub apă. Prin urmare, întâlnirea cu el este foarte periculoasă. Dacă nava nu observă la timp gigantul de gheață în mișcare, acesta poate fi grav deteriorat sau chiar ucis într-o coliziune.

Creșterea bruscă a volumului atunci când coda lichidă se transformă în gheață este o caracteristică importantă a apei. Această caracteristică trebuie adesea luată în considerare în viata practica. Dacă lăsați un butoi cu apă la rece, atunci apa, înghețată, va sparge butoiul. Din același motiv, nu trebuie să lăsați apă în caloriferul unei mașini într-un garaj rece. În înghețuri severe, trebuie să fiți atenți la cea mai mică întrerupere a aprovizionării apa calda prin conductele de încălzire a apei: apa care s-a oprit în conducta exterioară poate îngheța rapid, iar apoi conducta va sparge.

Înghețată în crăpăturile stâncilor, apa este adesea cauza prăbușirilor munților.

Să luăm acum în considerare un experiment care este direct legat de expansiunea apei atunci când este încălzită. Înființarea acestui experiment necesită echipamente speciale și este puțin probabil ca vreunul dintre cititori să îl poată reproduce acasă. Da, aceasta nu este o necesitate; experiența este ușor de imaginat și vom încerca să confirmăm rezultatele ei pe exemple care sunt bine cunoscute de toată lumea.

Să luăm un cilindru de metal foarte puternic, de preferință din oțel (Fig. 5), să turnăm puțină lovitură pe fundul acestuia, să-l umplem cu apă, să fixați capacul cu șuruburi și să începem să rotiți șurubul. Deoarece apa se comprimă foarte puțin, nu trebuie să rotiți șurubul mult timp. Deja după câteva rotații, presiunea din interiorul cilindrului crește la sute de atmosfere. Dacă acum cilindrul este răcit chiar și cu 2-3 grade sub zero, atunci apa din el nu va îngheța. Dar cum poți fi sigur de asta? Dacă deschideți cilindrul, atunci la această temperatură și presiune atmosferică apa se va transforma instantaneu în gheață și nu vom ști dacă era lichidă sau solidă când era sub presiune. Aici, peleții turnați ne vor ajuta. Când cilindrul este rece, întoarceți-l cu susul în jos. Dacă apa este înghețată, împușcătura va fi în partea de jos, dacă nu este înghețată, împușcătura se va aduna la capac. Să deșurubam șurubul. Presiunea va scădea și apa va îngheța cu siguranță. După ce am îndepărtat capacul, ne asigurăm că toată împușcătura s-a adunat lângă capac. Deci, într-adevăr, apa sub presiune nu a înghețat la temperaturi sub zero.

Experiența arată că punctul de îngheț al apei scade odată cu creșterea presiunii cu aproximativ un grad la fiecare 130 de atmosfere.

Dacă am începe să ne construim raționamentul pe baza observațiilor multor alte substanțe, ar trebui să ajungem la concluzia opusă. De obicei, presiunea ajută lichidele să se solidifice: sub presiune, lichidele îngheață mai mult temperatura ridicata, și nu este nimic de surprins dacă ne amintim că majoritatea substanțelor scad în volum în timpul solidificării. Presiunea determină o scădere a volumului și, prin urmare, facilitează tranziția unui lichid la starea solidă. Apa, la solidificare, așa cum știm deja, nu scade în volum, ci, dimpotrivă, se extinde. Prin urmare, presiunea, împiedicând expansiunea apei, îi scade punctul de îngheț.

Se știe că în oceanele la adâncimi mari temperatura apei este sub zero grade și totuși apa de la aceste adâncimi nu îngheață. Acest lucru se explică prin presiunea care creează straturile superioare de apă. Un strat de apă gros de un kilometru apasă cu o forță de aproximativ o sută de atmosfere.

Dacă apa ar fi un lichid normal, cu greu am experimenta plăcerea de a patina pe gheață. Ar fi la fel ca rularea pe sticlă perfect netedă. Patinele nu alunecă pe sticlă. Este cu totul altceva pe gheață. Patinajul pe gheață este foarte ușor. De ce? Sub greutatea corpului nostru, lama subțire a patinei exercită o presiune destul de puternică asupra gheții, iar gheața de sub patină se topește; se formează o peliculă subțire de apă, care servește ca un lubrifiant excelent.

Gheață și apă.
Se știe că o bucată de gheață pusă într-un pahar cu apă nu se scufundă. Acest lucru se datorează faptului că o forță de plutire acționează asupra gheții din partea apei.

Orez. 4.1. Gheață în apă.

După cum se poate observa din fig. 4.1, forța de flotabilitate este rezultanta forțelor de presiune a apei care acționează pe suprafața părții scufundate a gheții (zona umbrită în Fig. 4.1). Gheața plutește pe apă, deoarece forța gravitației care o trage spre fund este echilibrată de forța de plutire.
Imaginați-vă că nu există gheață în pahar, iar zona umbrită în figură este umplută cu apă. Aici, nu va exista nicio linie de despărțire între apa care se află în această zonă și în afara acesteia. Totuși, și în acest caz, forța de plutire și forța gravitațională care acționează asupra apei conținute în zona umbrită se echilibrează reciproc. Deoarece în ambele cazuri considerate mai sus forța de flotabilitate rămâne neschimbată, aceasta înseamnă că forța gravitațională care acționează asupra unei bucăți de gheață și asupra apei din zona de mai sus este aceeași. Cu alte cuvinte, au greutate egală. De asemenea, este corect că masa gheții este egală cu masa apei din zona umbrită.
După ce s-a topit, gheața se va transforma în apă de aceeași masă și va umple volumul egal cu volumul zonei umbrite. Prin urmare, nivelul apei dintr-un pahar cu apă și dintr-o bucată de gheață după ce gheața s-a topit nu se va schimba.
Stări lichide și solide.
Acum știm că volumul unei bucăți de gheață este mai mare decât volumul ocupat de apă de masă egală. Raportul dintre masa unei substanțe și volumul pe care îl ocupă se numește densitatea substanței. Prin urmare, densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei. Valorile lor numerice măsurate la 0 °C sunt: ​​pentru apă - 0,9998, pentru gheață - 0,917 g/cm3. Nu numai gheața, ci și alte solide, atunci când sunt încălzite, ajung la o anumită temperatură, la care începe trecerea lor la starea lichidă. În cazul topirii unei substanțe pure, temperatura acesteia nu va începe să crească atunci când este încălzită până când întreaga sa masă nu va trece în stare lichidă. Această temperatură se numește punctul de topire al substanței. După ce topirea sa încheiat, încălzirea va duce la o creștere suplimentară a temperaturii lichidului. Dacă lichidul este răcit, scăzând temperatura până la punctul de topire, acesta va începe să intre în stare solidă.
Pentru majoritatea substanțelor, spre deosebire de cazul gheții și apei, densitatea în stare solidă este mai mare decât în ​​stare lichidă. De exemplu, argonul, care este de obicei în stare gazoasă, se solidifică la o temperatură de -189,2 ° C; densitatea argonului solid este de 1,809 g/cm3 (în stare lichidă, densitatea argonului este de 1,38 g/cm3). Deci, dacă comparăm densitatea unei substanțe în stare solidă la o temperatură apropiată de punctul de topire cu densitatea acesteia în stare lichidă, rezultă că în cazul argonului acesta scade cu 14,4%, iar în cazul sodiu - cu 2,5%.
Modificarea densității unei substanțe la trecerea prin punctul de topire pentru metale este de obicei mică, cu excepția aluminiului și aurului (0, respectiv 5,3%). Pentru toate aceste substanțe, spre deosebire de apă, procesul de solidificare nu începe la suprafață, ci la fund.
Există, totuși, metale a căror densitate scade în timpul trecerii la starea solidă. Acestea includ antimoniul, bismutul, galiul, pentru care această scădere este, respectiv, de 0,95, 3,35 și, respectiv, 3,2%. Galiul, al cărui punct de topire este de -29,8 ° C, împreună cu mercurul și cesiul, aparține clasei metalelor cu punct de topire scăzut.
Diferența dintre starea solidă și lichidă a materiei.
În stare solidă, spre deosebire de starea lichidă, moleculele care alcătuiesc substanța sunt aranjate ordonat.

Orez. 4.2. Diferența dintre starea lichidă și solidă a materiei

Pe fig. 4.2 (în dreapta) prezintă un exemplu de ambalare densă de molecule (reprezentată condiționat prin cercuri), care este caracteristică unei substanțe în stare solidă. Alături de acesta este prezentată structura dezordonată caracteristică unui lichid. În stare lichidă, moleculele se află la distanțe mari unele de altele, au o mai mare libertate de mișcare și, ca urmare, substanța în stare lichidă își schimbă cu ușurință forma, adică are o proprietate ca fluiditatea.
Pentru substanțele fluide, așa cum s-a menționat mai sus, o aranjare aleatorie a moleculelor este caracteristică, dar nu toate substanțele cu o astfel de structură sunt capabile să curgă. Un exemplu este sticla, ale cărei molecule sunt aranjate aleatoriu, dar nu curge.
Substanțele cristaline sunt substanțe ale căror molecule sunt aranjate ordonat. În natură, există substanțe ale căror cristale au un aspect caracteristic. Acestea includ cuarț și gheață. Metalele dure, cum ar fi fierul și plumbul, nu se găsesc în mod natural în cristalele mari. Cu toate acestea, studiind suprafața lor la microscop, se pot distinge grupuri de cristale mici, așa cum se poate observa în fotografie (Fig. 4.3).

Orez. 4.3. Micrografie a suprafeței de fier.

Există metode speciale pentru a obține cristale mari de substanțe metalice.
Oricare ar fi dimensiunea cristalelor, acestea au în comun un aranjament ordonat al moleculelor. Ele se caracterizează și prin existența unui punct de topire foarte definit. Aceasta înseamnă că temperatura unui corp care se topește nu crește atunci când este încălzit până când este complet topit. Sticla, spre deosebire de substanțele cristaline, nu are un punct de topire specific: atunci când este încălzită, se înmoaie treptat și se transformă într-un lichid obișnuit. Astfel, punctul de topire corespunde temperaturii la care aranjamentul ordonat al moleculelor este distrus și structura cristalină devine dezordonată. În concluzie, remarcăm o altă proprietate interesantă a sticlei, din cauza lipsei unei structuri cristaline: aplicând acesteia o forță de întindere pe termen lung, de exemplu, pentru o perioadă de 10 ani, ne vom asigura că sticla curge ca un lichid obișnuit.
Ambalarea moleculelor.
Folosind raze X și un fascicul de electroni, se poate studia modul în care moleculele sunt aranjate într-un cristal. Radiația de raze X are o lungime de undă mult mai mică decât lumina vizibilă, așa că poate fi difractată de structura cristalină geometrică regulată a atomilor sau moleculelor. Prin înregistrarea unui model de difracție pe o placă fotografică (Fig. 4.4), se poate stabili dispunerea atomilor într-un cristal. Folosind aceeași metodă pentru lichide, se poate asigura că moleculele din lichid sunt aranjate aleatoriu.

Orez. 4.4. Difracția cu raze X pe o structură periodică.
Orez. 4.5. Două moduri de a împacheta bine bilele.

Moleculele unui solid, care se află în stare cristalină, sunt destul de complexe unele față de altele. Structura substanțelor constând din atomi sau molecule de același tip pare relativ simplă, cum ar fi, de exemplu, cristalul de argon prezentat în Fig. 4.5 (stânga), unde atomii sunt desemnați în mod convențional prin bile. Puteți umple o anumită cantitate de spațiu cu bile în diferite moduri. O astfel de împachetare densă este posibilă datorită prezenței forțelor de atracție intermoleculare, care tind să aranjeze moleculele astfel încât volumul pe care acestea îl ocupă să fie minim. Cu toate acestea, în realitate, structura din Fig. 4.5 (dreapta) nu apare; Nu este ușor de explicat acest fapt.
Deci cum vă imaginați diferite căi plasarea bilelor în spațiu este destul de dificilă, haideți să luăm în considerare cum puteți aranja strâns monedele în avion.

Orez. 4.6. Un aranjament ordonat de monede pe un avion.

Pe fig. 4.6 sunt prezentate două astfel de metode: în prima, fiecare moleculă este în contact cu patru învecinate, centrele cărora sunt vârfurile unui pătrat cu latura d, unde d este diametrul monedei; în al doilea caz, fiecare monedă este în contact cu șase învecinate. Liniile punctate din figură limitează suprafața ocupată de o monedă. In primul caz
este egal cu d 2 și din nou această zonă este mai mică și egală cu √3d 2 /2.
Al doilea mod de a plasa monede reduce semnificativ decalajul dintre ele.
Moleculă din interiorul unui cristal. Scopul studiului cristalelor este de a stabili modul în care sunt dispuse moleculele în ele. Cristalele de metale precum aurul, argintul, cuprul sunt dispuse ca niște cristale de argon. În cazul metalelor, ar trebui să vorbim de un aranjament ordonat de ioni, nu de molecule. Un atom de cupru, de exemplu, pierde un electron, se transformă într-un ion de cupru încărcat negativ. Electronii sunt liberi să se deplaseze între ioni. Dacă ionii sunt reprezentați condiționat sub formă de bile, obținem o structură caracterizată prin împachetare strânsă. Cristalele de metale precum sodiu și potasiu diferă oarecum ca structură de cupru. Moleculele de CO 2 și compușii organici, constând din diferiți atomi, nu pot fi reprezentate ca bile. Trecând în stare solidă, ele formează o structură cristalină extrem de complexă.

Orez. 4.7. „Gheață carbonică” de cristal (bile mari mari - atomi de carbon)

Pe fig. Figura 4.7 prezintă cristale solide de CO2 numite gheață carbonică. Diamantul, care nu este un compus chimic, are și o structură specială, deoarece se formează legături chimice între atomii de carbon.
Densitatea lichidului. La trecerea la o stare lichidă, structura moleculară a unei substanțe devine dezordonată. Acest proces poate fi însoțit atât de o scădere, cât și de o creștere a volumului ocupat de o anumită substanță în spațiu.


Orez. 4.8. Modele din cărămizi, corespunzătoare structurii apei și unui corp solid.

Ca o ilustrare, luați în considerare cel prezentat în Fig. 4.8 clădire din cărămidă. Fiecărei cărămizi îi corespunde o moleculă. O clădire din cărămidă distrusă de un cutremur se transformă într-un morman de cărămizi, ale căror dimensiuni sunt mai mici decât cele ale clădirii. Cu toate acestea, dacă toate cărămizile sunt stivuite cu grijă una câte una, spațiul pe care îl ocupă va deveni și mai mic. O relație similară există între densitatea materiei în stare solidă și lichidă. Cristalele de cupru și argon pot fi asociate cu ambalajul dens reprezentat de cărămizi. Starea lichidă din ele corespunde unui morman de cărămizi. Trecerea de la starea solidă la starea lichidă în aceste condiții este însoțită de o scădere a densității.
În același timp, trecerea de la o structură cristalină cu distanțe intermoleculare mari (care corespunde unei clădiri din cărămidă) la o stare lichidă este însoțită de o creștere a densității. Cu toate acestea, în realitate, multe cristale păstrează distanțe mari intermoleculare în timpul tranziției la starea lichidă.
Pentru antimoniu, bismut, galiu și alte metale, spre deosebire de sodiu și cupru, împachetarea densă nu este tipică. Datorită distanțelor interatomice mari, densitatea acestora crește în timpul trecerii la faza lichidă.

Structura gheții.
Molecula de apă este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen situati pe părțile opuse ale acestuia. Spre deosebire de molecula de dioxid de carbon, în care atomul de carbon și doi atomi de oxigen sunt localizați de-a lungul unei linii drepte, în molecula de apă, liniile care leagă atomul de oxigen de fiecare dintre atomii de hidrogen formează un unghi de 104,5 ° între ei. Prin urmare, există forțe de interacțiune între moleculele de apă care sunt de natură electrică. În plus, datorită proprietăților speciale ale atomului de hidrogen, în timpul cristalizării, apa formează o structură în care fiecare moleculă este asociată cu patru învecinate. Această structură este simplificată în fig. 4.9. Bilele mari sunt atomi de oxigen, bilele mici și negre sunt atomi de hidrogen.

Orez. 4.9. Structura cristalină a gheții.

În această structură se realizează distanțe intermoleculare mari. Deci, atunci când gheața se topește și structura se prăbușește, volumul pe moleculă scade. Acest lucru duce la faptul că densitatea apei este mai mare decât densitatea gheții și gheața poate pluti pe apă.

Studiul 1
DE CE ESTE CEA MAI MARE DENSITATEA APEI LA 4°C?

Legături de hidrogen și dilatare termică. După topire, gheața se transformă în apă, a cărei densitate este mai mare decât cea a gheții. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii apei, densitatea acesteia crește până când temperatura atinge 4 °C. Dacă la 0°C densitatea apei este de 0,99984 g/cm3, atunci la 4°C este de 0,99997 g/cm3. O creștere suplimentară a temperaturii determină o scădere a densității și la 8°C va avea din nou aceeași valoare ca la 0°C.

Orez. 4.10. Structura cristalină a gheții (bilele mari sunt atomi de oxigen).

Acest fenomen este asociat cu prezența unei structuri cristaline în gheață. Toate detaliile sunt prezentate în Fig. 4.10, unde, pentru claritate, atomii sunt reprezentați ca bile, iar legăturile chimice sunt indicate prin linii continue. O caracteristică a structurii este că atomul de hidrogen este întotdeauna situat între doi atomi de oxigen, fiind mai aproape de unul dintre ei. Astfel, atomul de hidrogen contribuie la apariția unei forțe de coeziune între două molecule de apă adiacente. Această forță de legătură se numește legătură de hidrogen. Deoarece legăturile de hidrogen apar doar în anumite direcții, aranjarea moleculelor de apă într-o bucată de gheață este aproape de tetraedric. Atunci când gheața, topită, se transformă în apă, o parte semnificativă a legăturilor de hidrogen nu este distrusă, fapt pentru care se păstrează structura, aproape de tetraedric cu distanțe intermoleculare mari caracteristice acesteia. Pe măsură ce temperatura crește, viteza de mișcare de translație și rotație a moleculelor crește, drept urmare legăturile de hidrogen sunt rupte, distanța intermoleculară scade și densitatea apei crește.
Totuși, în paralel cu acest proces, odată cu creșterea temperaturii, are loc dilatarea termică a apei, ceea ce determină o scădere a densității acesteia. Influența acestor doi factori duce la faptul că densitatea maximă a apei este atinsă la 4 °C. La temperaturi peste 4°C, factorul asociat cu dilatarea termică începe să predomine și densitatea scade din nou.

Studiul 2
GHEAZĂ LA TEMPERATURĂ JOSE SAU LA PRESIUNI ÎNALTE

Soiuri de gheață. Deoarece distanțele intermoleculare cresc în timpul cristalizării apei, densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei. Dacă o bucată de gheață este expusă presiune ridicata, atunci se poate aștepta ca distanța intermoleculară să scadă. Într-adevăr, prin supunerea gheții la 0°C la o presiune de 14 kbar (1 kbar = 987 atm), obținem gheață cu o structură cristalină diferită, a cărei densitate este de 1,38 g/cm3. Dacă apa sub o astfel de presiune este răcită la o anumită temperatură, va începe
cristaliza. Deoarece densitatea unei astfel de gheață este mai mare decât cea a apei, cristalele nu pot rămâne pe suprafața ei și se scufundă în fund. Astfel, apa din vas se cristalizează începând de la fund. Acest tip de gheață se numește gheață VI; gheață obișnuită - gheață I.
La o presiune de 25 kbar și o temperatură de 100 °C, apa se solidifică, transformându-se în gheață VII cu o densitate de 1,57 g/cm3.

Orez. 4.11. Diagrama stării apei.

Prin modificarea temperaturii și presiunii se pot obține 13 varietăți de gheață. Zonele de modificare a parametrilor sunt prezentate în diagrama de stare (Fig. 4.11). Din această diagramă, puteți determina ce tip de gheață corespunde unei anumite temperaturi și presiuni. Liniile continue corespund temperaturilor și presiunilor la care coexistă două structuri diferite de gheață. Gheața VIII are cea mai mare densitate de 1,83 g/cm3 dintre toate tipurile de gheață.
La o presiune relativ scăzută, 3 kbar, există gheață II, a cărei densitate este tot mai mare decât cea a apei și este de 1,15 g/cm3. Este interesant de observat că la o temperatură de -120 °C, structura cristalină dispare și gheața trece într-o stare sticloasă.
În ceea ce privește apa și gheața I, din diagramă se poate observa că pe măsură ce presiunea crește, punctul de topire scade. Deoarece densitatea apei este mai mare decât cea a gheții, tranziția „gheață – apă” este însoțită de o scădere a volumului, iar presiunea aplicată din exterior nu face decât să accelereze acest proces. La Gheață III, a cărei densitate este mai mare decât cea a apei, situația este exact inversă - punctul său de topire crește odată cu creșterea presiunii.

Blocurile de gheață polară și aisbergurile plutesc în ocean și, chiar și în băuturi, gheața nu se scufundă niciodată pe fund. Se poate concluziona că gheața nu se scufundă în apă. De ce? Dacă vă gândiți bine, această întrebare ar putea părea puțin ciudată, deoarece gheața este solidă și - intuitiv - ar trebui să fie mai grea decât lichidă. Deși această afirmație este adevărată pentru majoritatea substanțelor, apa este excepția de la regulă. Apa și gheața se disting prin legături de hidrogen, care fac gheața mai ușoară în stare solidă decât atunci când este în stare lichidă.

Întrebare științifică: de ce gheața nu se scufundă în apă

Imaginați-vă că suntem la o lecție numită " Lumea» în clasa a III-a. „De ce gheața nu se scufundă în apă?” îi întreabă profesorul pe copii. Iar copiii, neavând cunoștințe profunde în fizică, încep să raționeze. — Poate că este magie? spune unul dintre copii.

Într-adevăr, gheața este extrem de neobișnuită. Practic nu există alte substanțe naturale care, în stare solidă, ar putea pluti pe suprafața unui lichid. Aceasta este una dintre proprietățile care fac din apa o substanță atât de neobișnuită și, să fiu sincer, aceasta este cea care schimbă calea evoluției planetare.

Există unele planete care conțin cantități uriașe de hidrocarburi lichide, cum ar fi amoniacul - cu toate acestea, atunci când îngheață, acest material se scufundă în fund. Motivul pentru care gheața nu se scufundă în apă este că atunci când apa îngheață, se extinde, iar odată cu ea, densitatea ei scade. Interesant este că expansiunea gheții poate sparge roci - procesul de glaciare a apei este atât de neobișnuit.

Din punct de vedere științific, procesul de îngheț stabilește cicluri rapide de intemperii și sigure substanțe chimice eliberate la suprafață sunt capabile să dizolve mineralele. În general, procesele și posibilitățile asociate cu înghețarea apei sunt proprietăți fizice alte lichide nu sunt de așteptat.

Densitatea gheții și a apei

Deci, răspunsul la întrebarea de ce gheața nu se scufundă în apă, ci plutește la suprafață, este că are o densitate mai mică decât lichidul - dar acesta este un răspuns de prim nivel. Pentru a înțelege mai bine, trebuie să știți de ce gheața are o densitate scăzută, de ce lucrurile plutesc în primul rând, cum densitatea duce la plutire.

Amintiți-vă de geniul grec Arhimede, care a aflat că după scufundarea unui anumit obiect în apă, volumul apei crește cu un număr egal cu volumul obiectului scufundat. Cu alte cuvinte, dacă așezi un vas adânc pe suprafața apei și apoi așezi un obiect greu în el, volumul de apă care va fi turnat în vas va fi exact egal cu volumul obiectului. Nu contează dacă obiectul este scufundat complet sau parțial.

Proprietățile apei

Apa este lucruri uimitoare, care practic hrănește viața pe pământ, pentru că fiecare organism viu are nevoie de ea. Una dintre cele mai importante proprietăți ale apei este că are cea mai mare densitate la 4°C. Asa de, apa fierbinte sau gheața sunt mai puțin dense decât apa rece. Substanțele mai puțin dense plutesc deasupra substanțelor mai dense.

De exemplu, în timp ce pregătiți o salată, puteți observa că uleiul se află la suprafața oțetului - acest lucru se poate explica prin faptul că are o densitate mai mică. Aceeași lege este valabilă și pentru a explica de ce gheața nu se scufundă în apă, ci se scufundă în benzină și kerosen. Doar că aceste două substanțe au o densitate mai mică decât gheața. Deci, dacă arunci o minge gonflabilă în piscină, aceasta va pluti la suprafață, dar dacă arunci o piatră în apă, se va scufunda în fund.

Ce schimbări se întâmplă cu apa când îngheață

Motivul pentru care gheața nu se scufundă în apă este din cauza legăturilor de hidrogen care se schimbă atunci când apa îngheață. După cum știți, apa este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Ele sunt atașate prin legături covalente care sunt incredibil de puternice. Cu toate acestea, celălalt tip de legătură care se formează între diferite molecule, numită legătură de hidrogen, este mai slabă. Aceste legături se formează deoarece atomii de hidrogen încărcați pozitiv sunt atrași de atomii de oxigen încărcați negativ ai moleculelor de apă învecinate.

Când apa este caldă, moleculele sunt foarte active, se mișcă mult, formează și rup rapid legăturile cu alte molecule de apă. Au energia să se apropie unul de altul și să se miște rapid. Deci de ce gheața nu se scufundă în apă? Chimia ascunde răspunsul.

Chimia fizică a gheții

Pe măsură ce temperatura apei scade sub 4 °C, energia cinetică a lichidului scade, astfel încât moleculele nu se mai mișcă. Nu au energie pentru a se mișca și sunt la fel de ușor ca la temperaturi ridicate să rupă și să formeze legături. În schimb, formează mai multe legături de hidrogen cu alte molecule de apă pentru a forma structuri hexagonale de rețea.

Ele formează aceste structuri pentru a menține moleculele de oxigen încărcate negativ separate. În mijlocul hexagoanelor formate ca urmare a activității moleculelor, există mult gol.

Gheața se scufundă în apă - motive

Gheața este de fapt cu 9% mai puțin densă decât apa lichidă. Prin urmare, gheața ocupă mai mult spațiu decât apa. Practic, acest lucru are sens deoarece gheața se extinde. De aceea, nu se recomandă congelarea sticla de sticla apa - apa inghetata poate crea fisuri mari chiar si in beton. Dacă aveți o sticlă de un litru de gheață și o sticlă de un litru de apă, atunci o sticlă de apă cu gheață va fi mai ușor. Moleculele sunt mai îndepărtate în acest punct decât atunci când substanța este în stare lichidă. Acesta este motivul pentru care gheața nu se scufundă în apă.

Pe măsură ce gheața se topește, structura cristalină stabilă se descompune și devine mai densă. Când apa se încălzește până la 4°C, câștigă energie și moleculele se deplasează mai repede și mai departe. Din acest motiv, apa fierbinte ocupă mai mult spațiu decât apa rece și plutește deasupra apă rece- are o densitate mai mica. Amintiți-vă, atunci când vă aflați pe lac, în timp ce înotați, stratul superior de apă este întotdeauna plăcut și cald, dar când puneți picioarele în jos, simți răceala stratului inferior.

Importanța procesului de înghețare a apei în funcționarea planetei

În ciuda faptului că întrebarea „De ce gheața nu se scufundă în apă?” pentru clasa a 3-a, este foarte important să înțelegem de ce se întâmplă acest proces și ce înseamnă pentru planetă. Astfel, flotabilitatea gheții are implicații importante pentru viața de pe Pământ. Lacurile îngheață iarna în locuri reci - acest lucru permite peștilor și altor animale acvatice să supraviețuiască sub calota de gheață. Dacă fundul ar fi înghețat, atunci există o probabilitate mare ca întregul lac să fie înghețat.

În astfel de condiții, nici un singur organism nu ar fi supraviețuit.

Dacă densitatea gheții ar fi mai mare decât densitatea apei, atunci gheața s-ar scufunda în oceane, iar calotele glaciare, care s-ar afla atunci pe fund, nu ar permite nimănui să trăiască acolo. Fundul oceanului ar fi plin de gheață - și în ce s-ar transforma totul? Printre altele, gheața polară este importantă deoarece reflectă lumina și împiedică planeta Pământ să se încălzească prea mult.

Fiecare dintre noi a urmărit cum plăcile de gheață plutesc pe râu primăvara. Dar de ce sunt nu te îneca? Ce îi ține la suprafața apei?

Avem impresia că, în ciuda greutății lor, ceva pur și simplu nu le permite să coboare. Esența acestui fenomen misterios și o voi dezvălui.

De ce gheața nu se scufundă

Ideea este că apa este foarte substanță neobișnuită. Are proprietăți uimitoare pe care uneori pur și simplu nu le observăm.

După cum știți, aproape toate lucrurile din lume se extind atunci când sunt încălzite și se contractă când sunt răcite. Această regulă se aplică și apei, dar cu o notă interesantă: când este răcită de la +4°C la 0°C, apa începe să se extindă. Aceasta explică densitatea scăzută a maselor de gheață. Extinsă de la fenomenul de mai sus, apa devine mai usoara decat cea in care se afla, și începe să plutească pe suprafața sa.

De ce este periculoasă această gheață?

Fenomenul descris mai sus se găsește adesea în natură și în viața de zi cu zi. Dar dacă începi să uiți de asta, atunci poate deveni o sursă a multor probleme. De exemplu:

• iarna din bidon de apă înghețată spargerea conductelor de apă;

• contribuie aceeași apă, înghețată în crăpăturile de munte distrugerea rocilor, provocând căderi de pietre;
• nu trebuie uitat scurgeți apa din caloriferul unei mașini pentru a evita situațiile de mai sus.

Dar există și aspecte pozitive. La urma urmei, dacă apa nu ar avea proprietăți atât de uimitoare, atunci nu ar exista un astfel de sport ca patinaj. Sub greutatea corpului uman, lama patinului apasă atât de tare pe gheață încât pur și simplu se topește, creând o peliculă de apă ideală pentru alunecare.

Apă în adâncul oceanului

Un alt punct interesant este că, chiar și în ciuda temperaturii zero în adâncurile oceanului (sau mării), apa de acolo nu îngheață, nu devine un bloc de gheață. De ce se întâmplă asta? Aici este vorba presiune, care este asigurată de straturile superioare de apă.

În general, presiunea contribuie la solidificarea diferitelor lichide. Determină o reducere a volumului corpului, facilitând foarte mult trecerea acestuia la o stare solidă. Dar atunci când apa îngheață, nu scade în volum, ci mai degrabă crește. Și astfel presiunea, prevenind expansiunea apei, își scade punctul de îngheț.

Atât pot spune despre asta fenomen interesant. Sper că ai învățat ceva nou pentru tine. Mult succes in calatoriile tale!

Nu există nicio îndoială că gheața plutește pe apă; toată lumea l-a văzut de sute de ori atât pe iaz, cât și pe râu.

Dar câți oameni s-au gândit la această întrebare: toate solidele se comportă la fel ca gheața, adică plutesc în lichidele formate în timpul topirii lor?

Topiți parafina sau ceara într-un borcan și aruncați o altă bucată din aceeași substanță solidă în acest lichid, se va scufunda imediat. La fel se va întâmpla cu plumbul, cu staniul și cu multe alte substanțe. Se dovedește că, de regulă, corpurile solide se scufundă întotdeauna în lichidele care se formează atunci când se topesc.

Când avem de-a face cel mai adesea cu apa, suntem atât de obișnuiți cu fenomenul opus, încât uităm adesea această proprietate, care este caracteristică tuturor celorlalte substanțe. Trebuie amintit că apa este o excepție rară în acest sens. Doar bismutul metalic și fonta se comportă la fel ca apa.

Dacă gheața ar fi mai grea decât apa și nu ar rămâne pe suprafața ei, ci s-ar scufunda, atunci chiar și în rezervoare adânci apa ar îngheța complet iarna. De fapt: gheața căzând pe fundul iazului ar forța straturile inferioare de apă în sus, iar acest lucru s-ar întâmpla până când toată apa se va transforma în gheață.

Cu toate acestea, atunci când apa îngheață, este adevărat opusul. În momentul în care apa se transformă în gheață, volumul acesteia crește brusc cu aproximativ 10 la sută, iar gheața este mai puțin densă decât apa. De aceea plutește în apă, așa cum orice corp plutește într-un lichid cu densitate mare: un cui de fier în mercur, un dop în ulei etc. Dacă considerăm densitatea apei egală cu unu, atunci densitatea de gheața va fi doar 0,91. Această cifră ne permite să aflăm grosimea bancului de gheață care plutește pe apă. Dacă înălțimea bancului de gheață deasupra apei este, de exemplu, de 2 centimetri, atunci putem trage concluzia că stratul subacvatic al bancului de gheață este de 9 ori mai gros, adică este de 18 centimetri, iar întregul banc de gheață este de 20. centimetri grosime.

În mări și oceane există uneori uriași munți de gheață - aisberguri (Fig. 4). Aceștia sunt ghețari care au alunecat din munții polari și sunt duși de curent și vânt în larg. Înălțimea lor poate ajunge la 200 de metri, iar volumul - câteva milioane de metri cubi. Nouă zecimi din întreaga masă a aisbergului este ascunsă sub apă. Prin urmare, întâlnirea cu el este foarte periculoasă. Dacă nava nu observă la timp gigantul de gheață în mișcare, acesta poate fi grav deteriorat sau chiar ucis într-o coliziune.

Creșterea bruscă a volumului atunci când coda lichidă se transformă în gheață este o caracteristică importantă a apei. Această caracteristică trebuie deseori luată în considerare în viața practică. Dacă lăsați un butoi cu apă la rece, atunci apa, înghețată, va sparge butoiul. Din același motiv, nu trebuie să lăsați apă în caloriferul unei mașini într-un garaj rece. În înghețuri severe, trebuie să fiți atenți la cea mai mică întrerupere a furnizării de apă caldă prin conductele de încălzire a apei: apa care s-a oprit în conducta exterioară poate îngheța rapid, iar apoi conducta va sparge.

Înghețată în crăpăturile stâncilor, apa este adesea cauza prăbușirilor munților.

Să luăm acum în considerare un experiment care este direct legat de expansiunea apei atunci când este încălzită. Înființarea acestui experiment necesită echipamente speciale și este puțin probabil ca vreunul dintre cititori să îl poată reproduce acasă. Da, aceasta nu este o necesitate; experiența este ușor de imaginat și vom încerca să confirmăm rezultatele ei pe exemple care sunt bine cunoscute de toată lumea.

Să luăm un cilindru de metal foarte puternic, de preferință din oțel (Fig. 5), să turnăm puțină lovitură pe fundul acestuia, să-l umplem cu apă, să fixați capacul cu șuruburi și să începem să rotiți șurubul. Deoarece apa se comprimă foarte puțin, nu trebuie să rotiți șurubul mult timp. Deja după câteva rotații, presiunea din interiorul cilindrului crește la sute de atmosfere. Dacă acum cilindrul este răcit chiar și cu 2-3 grade sub zero, atunci apa din el nu va îngheța. Dar cum poți fi sigur de asta? Dacă deschideți cilindrul, atunci la această temperatură și presiune atmosferică, apa se va transforma instantaneu în gheață și nu vom ști dacă era lichidă sau solidă când era sub presiune. Aici, peleții turnați ne vor ajuta. Când cilindrul este rece, întoarceți-l cu susul în jos. Dacă apa este înghețată, împușcătura va fi în partea de jos, dacă nu este înghețată, împușcătura se va aduna la capac. Să deșurubam șurubul. Presiunea va scădea și apa va îngheța cu siguranță. După ce am îndepărtat capacul, ne asigurăm că toată împușcătura s-a adunat lângă capac. Deci, într-adevăr, apa sub presiune nu a înghețat la temperaturi sub zero.

Experiența arată că punctul de îngheț al apei scade odată cu creșterea presiunii cu aproximativ un grad la fiecare 130 de atmosfere.

Dacă am începe să ne construim raționamentul pe baza observațiilor multor alte substanțe, ar trebui să ajungem la concluzia opusă. Presiunea ajută, de obicei, lichidele să se solidifice: sub presiune, lichidele îngheață la o temperatură mai mare și acest lucru nu este surprinzător când vă amintiți că majoritatea substanțelor se micșorează în volum atunci când se solidifică. Presiunea determină o scădere a volumului și, prin urmare, facilitează tranziția unui lichid la starea solidă. Apa, la solidificare, așa cum știm deja, nu scade în volum, ci, dimpotrivă, se extinde. Prin urmare, presiunea, împiedicând expansiunea apei, îi scade punctul de îngheț.

Se știe că în oceanele la adâncimi mari temperatura apei este sub zero grade și totuși apa de la aceste adâncimi nu îngheață. Acest lucru se explică prin presiunea care creează straturile superioare de apă. Un strat de apă gros de un kilometru apasă cu o forță de aproximativ o sută de atmosfere.

Dacă apa ar fi un lichid normal, cu greu am experimenta plăcerea de a patina pe gheață. Ar fi la fel ca rularea pe sticlă perfect netedă. Patinele nu alunecă pe sticlă. Este cu totul altceva pe gheață. Patinajul pe gheață este foarte ușor. De ce? Sub greutatea corpului nostru, lama subțire a patinei exercită o presiune destul de puternică asupra gheții, iar gheața de sub patină se topește; se formează o peliculă subțire de apă, care servește ca un lubrifiant excelent.