Proč voda expanduje, když se ochladí. Proč je voda lehčí než samotná voda? Vlastnosti různých skupenství látek

Rozšíření nebo zmenšení? Odpověď je tato: s příchodem zimy začíná voda svůj proces expanze. Proč se tohle děje? Tato vlastnost odlišuje vodu od výčtu všech ostatních kapalin a plynů, které se naopak při ochlazování stlačují. Jaký je důvod tohoto chování této neobvyklé kapaliny?

Fyzika 3. stupeň: Roztahuje se nebo smršťuje voda, když zamrzne?

Většina látek a materiálů se při zahřívání roztahuje a při ochlazení smršťuje. Plyny vykazují tento efekt znatelněji, ale různé kapaliny a pevné kovy vykazují stejné vlastnosti.

Jedním z nejvýraznějších příkladů expanze a kontrakce plynu je vzduch v balónu. Když vezmeme balon ven v mínusovém počasí, balon se okamžitě zmenší. Pokud přivedeme míč do vyhřáté místnosti, pak se okamžitě zvětší. Pokud ale do vany přineseme balónek, praskne.

Molekuly vody vyžadují více prostoru

Důvodem, proč k těmto procesům expanze a kontrakce různých látek dochází, jsou molekuly. Ty, které přijímají více energie (to se děje v teplé místnosti), se pohybují mnohem rychleji než molekuly v chladné místnosti. Částice, které mají více energie, narážejí mnohem aktivněji a častěji, potřebují více prostoru k pohybu. Aby materiál zadržel tlak vyvíjený molekulami, začne se zvětšovat. A děje se to docela rychle. Takže se voda roztahuje nebo smršťuje, když zamrzne? Proč se tohle děje?

Voda tato pravidla nedodržuje. Pokud vodu začneme ochlazovat na čtyři stupně Celsia, pak zmenší svůj objem. Ale pokud teplota nadále klesá, voda se náhle začne rozpínat! Existuje taková vlastnost, jako je anomálie v hustotě vody. K této vlastnosti dochází při teplotě čtyř stupňů Celsia.

Nyní, když jsme zjistili, zda se voda při zamrznutí rozšiřuje nebo smršťuje, pojďme zjistit, jak k této anomálii vůbec dochází. Důvod spočívá v částicích, ze kterých se skládá. Molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho kyslíku. Každý zná vzorec vody už od základní školy. Atomy v této molekule přitahují elektrony různými způsoby. Vodík má kladné těžiště, kyslík naopak záporné. Když se molekuly vody navzájem srazí, atomy vodíku jedné molekuly se přenesou na atom kyslíku úplně jiné molekuly. Tento jev se nazývá vodíková vazba.

Voda potřebuje více prostoru, protože se ochlazuje

V okamžiku, kdy začne proces tvorby vodíkových vazeb, začnou se ve vodě objevovat místa, kde jsou molekuly ve stejném pořadí jako v ledovém krystalu. Tyto polotovary se nazývají shluky. Nejsou odolné, jako v pevném krystalu vody. Když teplota stoupne, jsou zničeny a mění své umístění.

Během procesu se počet shluků v kapalině začne rychle zvyšovat. Vyžadují více prostoru k šíření, a proto se voda po dosažení abnormální hustoty zvětšuje.

Když teploměr klesne pod nulu, shluky se začnou měnit v drobné ledové krystalky. Začínají stoupat. V důsledku toho všeho se voda mění v led. To je velmi neobvyklá schopnost vody. Tento jev je nezbytný pro velmi velké množství procesů v přírodě. Všichni víme, a pokud nevíme, pak si pamatujeme, že hustota ledu je o něco menší než hustota studené nebo studené vody. To umožňuje, aby led plaval na hladině vody. Všechny nádrže začnou zamrzat shora dolů, což umožňuje vodním obyvatelům existovat na dně a nezamrznout. Nyní tedy víme podrobně o tom, zda se voda při zamrznutí rozšiřuje nebo smršťuje.

Horká voda mrzne rychleji než studená. Vezmeme-li dvě stejné sklenice a do jedné nalijeme horkou vodu a do druhé stejné množství studené vody, všimneme si, že horká voda mrzne rychleji než studená. To není logické, že? Horká voda musí vychladnout, než začne mrznout, ale studená ne. Jak tuto skutečnost vysvětlit? Vědci dodnes nedokážou vysvětlit tuto hádanku. Tento jev se nazývá Mpembův efekt. Byl objeven v roce 1963 vědcem z Tanzanie za neobvyklých okolností. Student si chtěl udělat zmrzlinu a všiml si, že horká voda rychleji mrzne. Podělil se o to se svým učitelem fyziky, který mu zpočátku nevěřil.

Japonský fyzik Masakazu Matsumoto předložil teorii, která vysvětluje, proč se voda při zahřátí z 0 na 4 °C smršťuje, místo aby expandovala. Voda podle jeho modelu obsahuje mikroformace – „vitrity“, což jsou konvexní duté mnohostěny, na jejichž vrcholech jsou molekuly vody a jako hrany slouží vodíkové vazby. Se stoupající teplotou spolu soutěží dva jevy: prodlužování vodíkových vazeb mezi molekulami vody a deformace vitritů, vedoucí k úbytku jejich dutin. V teplotním rozsahu od 0 do 3,98 °C dominuje posledně jmenovaný jev nad účinkem prodlužování vodíkové vazby, což nakonec dává pozorovanou kompresi vody. Zatím neexistuje žádné experimentální potvrzení modelu Matsumoto - nicméně, stejně jako další teorie vysvětlující kompresi vody.

Na rozdíl od naprosté většiny látek je voda při zahřívání schopna zmenšit svůj objem (obr. 1), to znamená, že má negativní koeficient tepelné roztažnosti. Nemluvíme však o celém teplotním rozsahu, kde voda existuje v kapalném stavu, ale pouze o úzké oblasti – od 0°C do cca 4°C. Při vysokých teplotách voda, stejně jako jiné látky, expanduje.

Mimochodem, voda není jedinou látkou, která má tendenci se s rostoucí teplotou smršťovat (nebo expandovat při ochlazení). Podobným chováním se mohou „chlubit“ také vizmut, galium, křemík a antimon. Nicméně díky své složitější vnitřní struktuře, stejně jako její rozšířenosti a významu v různých procesech, je to voda, která přitahuje pozornost vědců (viz Studium struktury vody pokračuje, "Elementy", 9.10.2006).

Před časem obecně uznávanou teorií, která odpovídala na otázku, proč voda s klesající teplotou zvětšuje svůj objem (obr. 1), byl model směsi dvou složek – „normální“ a „ledové“. Tato teorie byla poprvé navržena v 19. století Haroldem Whitingem a později vyvinuta a vylepšena mnoha vědci. Relativně nedávno, v rámci objeveného vodního polymorfismu, byla Whitingova teorie přehodnocena. Od nynějška se má za to, že v podchlazené vodě existují dva typy nanodomén podobných ledu: oblasti podobné amorfnímu ledu s vysokou a nízkou hustotou. Zahřívání podchlazené vody vede k roztavení těchto nanostruktur a vzniku dvou typů vody: s vyšší a nižší hustotou. Je to mazaná teplotní konkurence mezi dvěma "druhy" výsledné vody, která dává vzniknout nemonotonické závislosti hustoty na teplotě. Tato teorie však zatím nebyla experimentálně potvrzena.

S tímto vysvětlením musíte být opatrní. Ne náhodou jsou zde zmíněny pouze struktury, které připomínají amorfní led. Jde o to, že nanoskopické oblasti amorfního ledu a jeho makroskopické analogy mají různé fyzikální parametry.

Japonský fyzik Masakazu Matsumoto se rozhodl najít vysvětlení zde diskutovaného efektu „od nuly“, přičemž zavrhl teorii dvousložkové směsi. Pomocí počítačových simulací se zabýval fyzikálními vlastnostmi vody v širokém rozmezí teplot od 200 do 360 K při nulovém tlaku, aby v molekulárním měřítku zjistil skutečné příčiny rozpínání vody při jejím ochlazování. Jeho článek v časopise Physical Review Letters se jmenuje: Why Does Water Expand When It Cools? Proč voda expanduje, když se ochladí?

Původně si autor článku položil otázku: co ovlivňuje koeficient tepelné roztažnosti vody? Matsumoto se domnívá, že k tomu stačí zjistit vliv pouze tří faktorů: 1) změny délky vodíkových vazeb mezi molekulami vody, 2) topologický index - počet vazeb na jednu molekulu vody a 3) odchylka úhel mezi vazbami od rovnovážné hodnoty (úhlové zkreslení).

Rýže. 2. Pro molekuly vody je nejvýhodnější spojit se do shluků s úhlem mezi vodíkovými vazbami rovným 109,47 stupňů. Takový úhel se nazývá čtyřstěn, protože je to úhel spojující střed pravidelného čtyřstěnu a jeho dva vrcholy. Obrázek z lsbu.ac.uk

Než budeme hovořit o výsledcích získaných japonským fyzikem, učiníme důležité poznámky a upřesnění ohledně výše uvedených tří faktorů. Za prvé, obvyklý chemický vzorec vody H 2 O odpovídá pouze jejímu parnímu stavu. V kapalné formě se molekuly vody spojují do skupin (H 2 O) x pomocí vodíkové vazby, kde x je počet molekul. Energeticky nejvýhodnější kombinace pěti molekul vody (x = 5) se čtyřmi vodíkovými vazbami, ve kterých vazby tvoří rovnovážný, tzv. tetraedrický úhel, rovný 109,47 stupňů (viz obr. 2).

Po analýze závislosti délky vodíkové vazby mezi molekulami vody na teplotě dospěl Matsumoto k očekávanému závěru: zvýšení teploty vede k lineárnímu prodlužování vodíkových vazeb. A to zase vede ke zvětšení objemu vody, tedy k její expanzi. Tato skutečnost odporuje pozorovaným výsledkům, proto dále zvažoval vliv druhého faktoru. Jak závisí koeficient tepelné roztažnosti na topologickém indexu?

Počítačová simulace poskytla následující výsledek. Při nízkých teplotách procentuálně největší objem vody zabírají vodní shluky, které mají 4 vodíkové vazby na molekulu (topologický index je 4). Zvýšení teploty způsobí pokles počtu asociátů s indexem 4, ale zároveň se začne zvyšovat počet shluků s indexy 3 a 5. Po provedení numerických výpočtů Matsumoto zjistil, že místní objem shluků s topologickým index 4 se s rostoucí teplotou prakticky nemění a změna celkového objemu asociátů s indexy 3 a 5 při jakékoli teplotě se vzájemně kompenzují. Změna teploty tedy nemění celkový objem vody, což znamená, že topologický index nemá žádný vliv na stlačení vody při jejím zahřátí.

Zbývá objasnit vliv úhlového zkreslení vodíkových vazeb. A zde začíná to nejzajímavější a nejdůležitější. Jak bylo uvedeno výše, molekuly vody mají tendenci se sjednocovat, takže úhel mezi vodíkovými vazbami je čtyřstěnný. V tom jim však brání tepelné vibrace molekul vody a interakce s jinými molekulami nezahrnutými do shluku, které vychylují úhel vodíkové vazby z rovnovážné hodnoty 109,47 stupně. Pro kvantifikaci tohoto procesu úhlové deformace Matsumoto a kolegové na základě své předchozí práce Topologické stavební bloky sítě vodíkových vazeb ve vodě, publikované v roce 2007 v Journal of Chemical Physics, předpokládali existenci trojrozměrných mikrostruktur ve vodě připomínajících konvexní dutinu. mnohostěny. Později, v dalších publikacích, nazývali takové mikrostruktury vitity (obr. 3). V nich jsou vrcholy molekuly vody, roli hran hrají vodíkové vazby a úhel mezi vodíkovými vazbami je úhel mezi hranami ve vitritu.

Podle Matsumotovy teorie existuje obrovská rozmanitost forem vititů, které stejně jako mozaikové prvky tvoří velkou část struktury vody a které zároveň rovnoměrně vyplňují celý její objem.

Rýže. 3. Šest typických vitritů, které tvoří vnitřní strukturu vody. Kuličky odpovídají molekulám vody, segmenty mezi kuličkami představují vodíkové vazby. Witrity splňují známou Eulerovu větu pro mnohostěny: celkový počet vrcholů a ploch mínus počet hran je 2. To znamená, že vitity jsou konvexní mnohostěny. Další typy vitritů si můžete prohlédnout na vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Rýže. z článku Masakazu Matsumoto, Akinori Baba a Iwao Ohminea Network Motif of Water publikovaného v AIP Conf. Proč.

Molekuly vody mají tendenci vytvářet tetraedrické úhly ve vitritech, protože vitrity by měly mít nejnižší možnou energii. V důsledku tepelných pohybů a lokálních interakcí s jinými vitity však některé mikrostruktury nemají geometrii s čtyřstěnnými úhly (nebo úhly blízké této hodnotě). Přijímají takové strukturně nerovnovážné konfigurace (které pro ně nejsou z energetického hlediska nejpříznivější), které umožňují celé „rodině“ vitrů jako celku získat co nejnižší energetickou hodnotu. Takoví vitritové, tedy vitritové, kteří se jakoby obětují „společným energetickým zájmům“, se nazývají frustrovaní. Pokud mají nefrustrovaní vitritové maximální objem dutiny při dané teplotě, pak frustrovaní vitritové mají naopak minimální možný objem.

Počítačové simulace od Matsumota ukázaly, že průměrný objem vitritových dutin lineárně klesá s rostoucí teplotou. Frustrovaní sklovci přitom výrazně zmenšují svůj objem, u nefrustrovaných se objem dutiny téměř nemění.

Stlačování vody s rostoucí teplotou je tedy způsobeno dvěma konkurenčními efekty - prodlužováním vodíkových vazeb, které vede ke zvětšení objemu vody, a zmenšením objemu dutin frustrovaných vitrů. V teplotním rozsahu od 0 do 4°C převládá druhý jmenovaný jev, jak ukazují výpočty, což v konečném důsledku vede k pozorovanému stlačování vody se zvyšující se teplotou.

Zbývá počkat na experimentální potvrzení existence vitritů a jejich chování. Ale to je bohužel velmi obtížný úkol.

Jsme obklopeni vodou, sama o sobě, jako součást jiných látek a těl. Může být pevná, kapalná nebo plynná, ale voda je vždy kolem nás. Proč na silnicích praská asfalt, proč v mrazu praskne sklenice s vodou, proč se v chladném období zamlžují okna, proč letadlo zanechává na obloze bílou stopu - na všechny tyto a další „proč“ budeme hledat odpovědi “ v této lekci. Dozvíme se, jak se mění vlastnosti vody při zahřátí, ochlazení a zamrznutí, jak v nich vznikají podzemní jeskyně a roztodivné obrazce, jak funguje teploměr.

Téma: Neživá příroda

Lekce: Vlastnosti kapalné vody

Voda ve své čisté formě nemá chuť, vůni a barvu, ale téměř nikdy se to tak nestane, protože většinu látek v sobě aktivně rozpouští a spojuje se s jejich částicemi. Voda také může pronikat do různých těles (vědci našli vodu i v kamenech).

Pokud naplníte sklenici vodou z kohoutku, bude se zdát čistá. Ale ve skutečnosti je to roztok mnoha látek, mezi nimiž jsou plyny (kyslík, argon, dusík, oxid uhličitý), různé nečistoty obsažené ve vzduchu, rozpuštěné soli z půdy, železo z vodovodního potrubí, nejmenší nerozpuštěný prach částice atd.

Pokud nanesete kapky vody z vodovodu pipetou na čistou sklenici a necháte ji odpařit, zůstanou sotva znatelné skvrny.

Voda řek a potoků, většina jezer obsahuje různé nečistoty, např. rozpuštěné soli. Je jich ale málo, protože tato voda je sladká.

Voda proudí po zemi i pod zemí, naplňuje potoky, jezera, řeky, moře a oceány, vytváří podzemní paláce.

Voda si razí cestu snadno rozpustnými látkami, proniká hluboko pod zem, bere je s sebou a prasklinami a puklinami ve skalách tvoří podzemní jeskyně, z jejich oblouku kape a vytváří bizarní sochy. Miliardy vodních kapiček se během stovek let vypařují a látky rozpuštěné ve vodě (soli, vápence) se usazují na klenbách jeskyně a vytvářejí kamenné rampouchy, kterým se říká stalaktity.

Podobné útvary na dně jeskyně se nazývají stalagmity.

A když se stalaktit a stalagmit srůstají a tvoří kamenný sloup, nazývá se to stalagnát.

Při pozorování ledového driftu na řece vidíme vodu v pevném (led a sníh), kapalném (protéká pod ním) a plynném skupenství (nejmenší částice vody stoupající do vzduchu, kterým se také říká vodní pára).

Voda může být současně ve všech třech stavech: ve vzduchu je vždy vodní pára a mraky, které se skládají z vodních kapiček a ledových krystalků.

Vodní pára je neviditelná, ale lze ji snadno odhalit, když v chladničce necháte hodinu vychladit sklenici vody v teplé místnosti, na jejíchž stěnách se okamžitě objeví kapky vody. Při kontaktu se studenými stěnami skla se vodní pára obsažená ve vzduchu přemění na vodní kapky a usadí se na povrchu skla.

Rýže. 11. Kondenzace na stěnách studené sklenice ()

Ze stejného důvodu se v chladném období vnitřek okenní tabule zamlžuje. Studený vzduch nemůže obsahovat tolik vodní páry jako teplý vzduch, takže část z nich kondenzuje – mění se na vodní kapky.

Bílá stopa za letadlem letícím na obloze je také výsledkem kondenzace vody.

Pokud si ke rtům přiblížíte zrcátko a vydechnete, na jeho povrchu zůstanou drobné kapičky vody, což dokazuje, že při dýchání člověk vdechuje vodní páru se vzduchem.

Při zahřátí se voda „rozpíná“. Dokázat to může jednoduchý experiment: skleněná trubice byla spuštěna do baňky s vodou a byla změřena hladina vody v ní; poté byla baňka spuštěna do nádoby s teplou vodou a po zahřátí vody byla znovu změřena hladina v trubici, která znatelně stoupla, protože voda při zahřívání zvětšuje svůj objem.

Rýže. 14. Baňka s hadičkou, číslo 1 a ryska označují počáteční hladinu vody

Rýže. 15. Baňka s hadičkou, číslo 2 a ryska označují hladinu vody při zahřátí

Jak se voda ochlazuje, "stlačuje". To lze dokázat podobným pokusem: v tomto případě byla baňka s trubičkou spuštěna do nádoby s ledem, po ochlazení hladina vody v trubici klesla z počáteční značky, protože voda zmenšila objem.

Rýže. 16. Baňka s hadičkou, číslice 3 a ryska označují hladinu vody během chlazení

Děje se tak proto, že částice vody, molekuly, se při zahřívání rychleji pohybují, narážejí do sebe, odpuzují se od stěn nádoby, zvětšuje se vzdálenost mezi molekulami, a proto kapalina zaujímá větší objem. Při ochlazení vody se zpomalí pohyb jejích částic, zmenší se vzdálenost mezi molekulami a pro kapalinu je potřeba menší objem.

Rýže. 17. Molekuly vody za normální teploty

Rýže. 18. Molekuly vody při zahřívání

Rýže. 19. Molekuly vody při chlazení

Takové vlastnosti má nejen voda, ale i jiné kapaliny (alkohol, rtuť, benzín, petrolej).

Znalost této vlastnosti kapalin vedla k vynálezu teploměru (teploměru), který využívá líh nebo rtuť.

Při zmrazování se voda rozpíná. To lze dokázat, když nádobu naplněnou vodou až po okraj volně přikryjeme víkem a vložíme do mrazáku, po chvíli uvidíme, že vzniklý led zvedne víko a překročí nádobu.

Tato vlastnost je zohledněna při pokládce vodovodního potrubí, které musí být izolováno, aby při zamrznutí led vzniklý z vody potrubí neporušil.

V přírodě může mrznoucí voda ničit hory: pokud se na podzim nahromadí voda v puklinách skal, v zimě zamrzne a pod tlakem ledu, který zaujímá větší objem než voda, z níž vznikla, skály praskají a lámou se. kolaps.

Voda, která zamrzá v trhlinách na vozovce, vede k destrukci asfaltové vozovky.

Dlouhé hřebeny připomínající záhyby na kmenech stromů jsou rány od prasklin dřeva pod tlakem zamrzající mízy stromů v něm. Proto je v chladných zimách slyšet praskání stromů v parku nebo v lese.

  1. Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Svět kolem 3. M .: Ballas.
  2. Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Svět kolem 3. M .: Nakladatelství "Fedorov".
  3. Pleshakov A.A. Okolní svět 3. M .: Osvícení.
  1. Festival pedagogických nápadů ().
  2. Věda a vzdělání ().
  3. Veřejná třída ().
  1. Vypracujte krátký test (4 otázky se třemi možnými odpověďmi) na téma „Voda kolem nás“.
  2. Proveďte malý experiment: položte sklenici velmi studené vody na stůl v teplé místnosti. Popište, co se stane, vysvětlete proč.
  3. *Nakreslete pohyb molekul vody v zahřátém, normálním a chlazeném stavu. V případě potřeby napište na výkres popisky.

Jedna z nejběžnějších látek na Zemi: voda. Potřebujeme to, jako vzduch, ale někdy si toho vůbec nevšimneme. Ona prostě je. Ale ukazuje se

Jedna z nejběžnějších látek na Zemi: voda. Potřebujeme to, jako vzduch, ale někdy si toho vůbec nevšimneme. Ona prostě je. Ukazuje se ale, že obyčejná voda může změnit svůj objem a vážit buď více, nebo méně. Jak se voda odpařuje, zahřívá a ochlazuje, dějí se skutečně úžasné věci, o kterých se dnes dozvíme.
Muriel Mandell ve své zábavné knize „Fyzikální pokusy pro děti“ uvádí ty nejzajímavější úvahy o vlastnostech vody, na jejichž základě se nejen mladí fyzici mohou dozvědět spoustu nového, ale i dospělí si osvěží znalosti, že již dlouho nemuseli žádat, takže se ukázalo, že se na ně trochu zapomnělo.Dnes si povíme o objemu a hmotnosti vody. Ukazuje se, že stejný objem vody neváží vždy stejně. A pokud do sklenice nalijete vodu a ta se nepřelije přes okraj, neznamená to, že se do ní za žádných okolností vejde.


1. Voda se při zahřátí rozpíná

Vložte sklenici naplněnou vodou do hrnce naplněného pěti centimetry vroucí vody. vodou a na mírném ohni vařte. Voda ze sklenice začne přetékat. Voda totiž při zahřátí, stejně jako jiné kapaliny, začne zabírat více místa. Molekuly se navzájem odpuzují s větší intenzitou a to vede ke zvětšení objemu vody.
2. Voda se ochlazováním smršťuje

Nechte vodu ve sklenici vychladnout na pokojovou teplotu nebo přidejte novou vodu a ochlaďte ji. Po chvíli zjistíte, že dříve plná sklenice již není plná. Při ochlazení na teplotu 3,89 stupně Celsia voda s klesající teplotou zmenšuje svůj objem. Důvodem bylo snížení rychlosti pohybu molekul a jejich vzájemná konvergence pod vlivem chlazení.Zdá se, že vše je velmi jednoduché: čím chladnější je voda, tím menší objem zabírá, ale ...

3. ... při zamrznutí se objem vody opět zvětší
Sklenici naplňte vodou až po okraj a přikryjte kusem lepenky. Dejte do mrazáku a počkejte, až zmrzne. Zjistíte, že kartonové „víko“ bylo vysunuto. V rozmezí teplot mezi 3,89 a 0 stupni Celsia, tedy na cestě k bodu mrazu, se voda začne znovu rozpínat. Je to jedna z mála známých látek s touto vlastností.Pokud použijete těsné víko, led jednoduše rozbije sklenici. Slyšeli jste někdy, že i vodovodní potrubí se může rozbít ledem?
4. Led je lehčí než voda
Vložte pár kostek ledu do sklenice vody. Na hladině bude plavat led. Voda se při zamrznutí rozpíná. A v důsledku toho je led lehčí než voda: jeho objem je asi 91 % odpovídajícího objemu vody.
Tato vlastnost vody existuje v přírodě z nějakého důvodu. Má velmi specifický účel. Říká se, že řeky v zimě zamrzají. Ale ve skutečnosti to není tak úplně pravda. Většinou zamrzne jen malá vrchní vrstva. Tento ledový štít neklesá, protože je lehčí než kapalná voda. Zpomaluje zamrzání vody v hloubce řeky a slouží jako jakási přikrývka, chránící ryby a další říční a jezerní živočichy před silnými zimními mrazy. Když studujete fyziku, začnete chápat, že spousta věcí v přírodě je uspořádána účelně.
5. Voda z vodovodu obsahuje minerály
Nalijte 5 polévkových lžic čisté vody z vodovodu do malé skleněné misky. Když se voda odpaří, na misce zůstane bílý okraj. Tento okraj je tvořen minerály, které byly rozpuštěny ve vodě, když procházela vrstvami půdy.Podívejte se dovnitř své konvice a uvidíte tam ložiska nerostů. Stejný plak je vytvořen na otvoru pro vypouštění vody ve vaně.Zkuste odpařit dešťovou vodu, abyste zjistili, zda neobsahuje minerály.

Jsme obklopeni vodou, sama o sobě, jako součást jiných látek a těl. Může být pevná, kapalná nebo plynná, ale voda je vždy kolem nás. Proč na silnicích praská asfalt, proč v mrazu praskne sklenice s vodou, proč se v chladném období zamlžují okna, proč letadlo zanechává na obloze bílou stopu - na všechny tyto a další „proč“ budeme hledat odpovědi “ v této lekci. Dozvíme se, jak se mění vlastnosti vody při zahřátí, ochlazení a zamrznutí, jak v nich vznikají podzemní jeskyně a roztodivné obrazce, jak funguje teploměr.

Téma: Neživá příroda

Lekce: Vlastnosti kapalné vody

Voda ve své čisté formě nemá chuť, vůni a barvu, ale téměř nikdy se to tak nestane, protože většinu látek v sobě aktivně rozpouští a spojuje se s jejich částicemi. Voda také může pronikat do různých těles (vědci našli vodu i v kamenech).

Pokud naplníte sklenici vodou z kohoutku, bude se zdát čistá. Ale ve skutečnosti je to roztok mnoha látek, mezi nimiž jsou plyny (kyslík, argon, dusík, oxid uhličitý), různé nečistoty obsažené ve vzduchu, rozpuštěné soli z půdy, železo z vodovodního potrubí, nejmenší nerozpuštěný prach částice atd.

Pokud nanesete kapky vody z vodovodu pipetou na čistou sklenici a necháte ji odpařit, zůstanou sotva znatelné skvrny.

Voda řek a potoků, většina jezer obsahuje různé nečistoty, např. rozpuštěné soli. Je jich ale málo, protože tato voda je sladká.

Voda proudí po zemi i pod zemí, naplňuje potoky, jezera, řeky, moře a oceány, vytváří podzemní paláce.

Voda si razí cestu snadno rozpustnými látkami, proniká hluboko pod zem, bere je s sebou a prasklinami a puklinami ve skalách tvoří podzemní jeskyně, z jejich oblouku kape a vytváří bizarní sochy. Miliardy vodních kapiček se během stovek let vypařují a látky rozpuštěné ve vodě (soli, vápence) se usazují na klenbách jeskyně a vytvářejí kamenné rampouchy, kterým se říká stalaktity.

Podobné útvary na dně jeskyně se nazývají stalagmity.

A když se stalaktit a stalagmit srůstají a tvoří kamenný sloup, nazývá se to stalagnát.

Při pozorování ledového driftu na řece vidíme vodu v pevném (led a sníh), kapalném (protéká pod ním) a plynném skupenství (nejmenší částice vody stoupající do vzduchu, kterým se také říká vodní pára).

Voda může být současně ve všech třech stavech: ve vzduchu je vždy vodní pára a mraky, které se skládají z vodních kapiček a ledových krystalků.

Vodní pára je neviditelná, ale lze ji snadno odhalit, když v chladničce necháte hodinu vychladit sklenici vody v teplé místnosti, na jejíchž stěnách se okamžitě objeví kapky vody. Při kontaktu se studenými stěnami skla se vodní pára obsažená ve vzduchu přemění na vodní kapky a usadí se na povrchu skla.

Rýže. 11. Kondenzace na stěnách studené sklenice ()

Ze stejného důvodu se v chladném období vnitřek okenní tabule zamlžuje. Studený vzduch nemůže obsahovat tolik vodní páry jako teplý vzduch, takže část z nich kondenzuje – mění se na vodní kapky.

Bílá stopa za letadlem letícím na obloze je také výsledkem kondenzace vody.

Pokud si ke rtům přiblížíte zrcátko a vydechnete, na jeho povrchu zůstanou drobné kapičky vody, což dokazuje, že při dýchání člověk vdechuje vodní páru se vzduchem.

Při zahřátí se voda „rozpíná“. Dokázat to může jednoduchý experiment: skleněná trubice byla spuštěna do baňky s vodou a byla změřena hladina vody v ní; poté byla baňka spuštěna do nádoby s teplou vodou a po zahřátí vody byla znovu změřena hladina v trubici, která znatelně stoupla, protože voda při zahřívání zvětšuje svůj objem.

Rýže. 14. Baňka s hadičkou, číslo 1 a ryska označují počáteční hladinu vody

Rýže. 15. Baňka s hadičkou, číslo 2 a ryska označují hladinu vody při zahřátí

Jak se voda ochlazuje, "stlačuje". To lze dokázat podobným pokusem: v tomto případě byla baňka s trubičkou spuštěna do nádoby s ledem, po ochlazení hladina vody v trubici klesla z počáteční značky, protože voda zmenšila objem.

Rýže. 16. Baňka s hadičkou, číslice 3 a ryska označují hladinu vody během chlazení

Děje se tak proto, že částice vody, molekuly, se při zahřívání rychleji pohybují, narážejí do sebe, odpuzují se od stěn nádoby, zvětšuje se vzdálenost mezi molekulami, a proto kapalina zaujímá větší objem. Při ochlazení vody se zpomalí pohyb jejích částic, zmenší se vzdálenost mezi molekulami a pro kapalinu je potřeba menší objem.

Rýže. 17. Molekuly vody za normální teploty

Rýže. 18. Molekuly vody při zahřívání

Rýže. 19. Molekuly vody při chlazení

Takové vlastnosti má nejen voda, ale i jiné kapaliny (alkohol, rtuť, benzín, petrolej).

Znalost této vlastnosti kapalin vedla k vynálezu teploměru (teploměru), který využívá líh nebo rtuť.

Při zmrazování se voda rozpíná. To lze dokázat, když nádobu naplněnou vodou až po okraj volně přikryjeme víkem a vložíme do mrazáku, po chvíli uvidíme, že vzniklý led zvedne víko a překročí nádobu.

Tato vlastnost je zohledněna při pokládce vodovodního potrubí, které musí být izolováno, aby při zamrznutí led vzniklý z vody potrubí neporušil.

V přírodě může mrznoucí voda ničit hory: pokud se na podzim nahromadí voda v puklinách skal, v zimě zamrzne a pod tlakem ledu, který zaujímá větší objem než voda, z níž vznikla, skály praskají a lámou se. kolaps.

Voda, která zamrzá v trhlinách na vozovce, vede k destrukci asfaltové vozovky.

Dlouhé hřebeny připomínající záhyby na kmenech stromů jsou rány od prasklin dřeva pod tlakem zamrzající mízy stromů v něm. Proto je v chladných zimách slyšet praskání stromů v parku nebo v lese.

  1. Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Svět kolem 3. M .: Ballas.
  2. Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Svět kolem 3. M .: Nakladatelství "Fedorov".
  3. Pleshakov A.A. Okolní svět 3. M .: Osvícení.
  1. Festival pedagogických nápadů ().
  2. Věda a vzdělání ().
  3. Veřejná třída ().
  1. Vypracujte krátký test (4 otázky se třemi možnými odpověďmi) na téma „Voda kolem nás“.
  2. Proveďte malý experiment: položte sklenici velmi studené vody na stůl v teplé místnosti. Popište, co se stane, vysvětlete proč.
  3. *Nakreslete pohyb molekul vody v zahřátém, normálním a chlazeném stavu. V případě potřeby napište na výkres popisky.