Warum dehnt sich Wasser aus wenn es abkühlt. Warum ist Wasser leichter als Wasser selbst? Eigenschaften verschiedener Aggregatzustände

Erweitern oder schrumpfen? Die Antwort lautet: Mit dem Wintereinbruch beginnt das Wasser seinen Expansionsprozess. Warum passiert das? Diese Eigenschaft unterscheidet Wasser aus der Liste aller anderen Flüssigkeiten und Gase, die im Gegenteil beim Abkühlen komprimiert werden. Was ist der Grund für dieses Verhalten dieser ungewöhnlichen Flüssigkeit?

Physik Klasse 3: Dehnt sich Wasser aus oder zieht es sich zusammen, wenn es gefriert?

Die meisten Stoffe und Materialien dehnen sich bei Erwärmung aus und schrumpfen bei Abkühlung. Gase zeigen diesen Effekt deutlicher, aber verschiedene Flüssigkeiten und feste Metalle zeigen die gleichen Eigenschaften.

Eines der auffälligsten Beispiele für Gasausdehnung und -kontraktion ist Luft in einem Ballon. Wenn wir den Ballon bei Minuswetter nach draußen bringen, wird der Ballon sofort kleiner. Wenn wir den Ball in einen beheizten Raum bringen, steigt er sofort an. Aber wenn wir einen Ballon ins Bad bringen, wird er platzen.

Wassermoleküle benötigen mehr Platz

Der Grund für diese Expansions- und Kontraktionsprozesse verschiedener Substanzen sind Moleküle. Diejenigen, die mehr Energie erhalten (dies geschieht in einem warmen Raum), bewegen sich viel schneller als Moleküle in einem kalten Raum. Teilchen, die mehr Energie haben, kollidieren viel aktiver und häufiger, sie brauchen mehr Platz, um sich zu bewegen. Um den von den Molekülen ausgeübten Druck einzudämmen, beginnt das Material an Größe zuzunehmen. Und es passiert ziemlich schnell. Dehnt sich also Wasser aus oder zieht es sich zusammen, wenn es gefriert? Warum passiert das?

Wasser gehorcht diesen Regeln nicht. Wenn wir beginnen, Wasser auf vier Grad Celsius abzukühlen, dann verringert es sein Volumen. Aber wenn die Temperatur weiter sinkt, dann beginnt sich das Wasser plötzlich auszudehnen! Es gibt eine solche Eigenschaft wie eine Anomalie in der Dichte von Wasser. Diese Eigenschaft tritt bei einer Temperatur von vier Grad Celsius auf.

Nachdem wir nun herausgefunden haben, ob sich Wasser ausdehnt oder zusammenzieht, wenn es gefriert, wollen wir herausfinden, wie diese Anomalie überhaupt zustande kommt. Der Grund liegt in den Partikeln, aus denen es zusammengesetzt ist. Das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Die Formel des Wassers kennt jeder seit der Grundschule. Die Atome in diesem Molekül ziehen Elektronen auf unterschiedliche Weise an. Wasserstoff hat einen positiven Schwerpunkt, Sauerstoff dagegen einen negativen. Wenn Wassermoleküle miteinander kollidieren, werden die Wasserstoffatome eines Moleküls auf das Sauerstoffatom eines völlig anderen Moleküls übertragen. Dieses Phänomen wird als Wasserstoffbindung bezeichnet.

Wasser benötigt beim Abkühlen mehr Platz

In dem Moment, in dem der Prozess der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen beginnt, beginnen im Wasser Stellen zu erscheinen, an denen die Moleküle in der gleichen Reihenfolge wie im Eiskristall angeordnet sind. Diese Leerzeichen werden Cluster genannt. Sie sind nicht haltbar, wie in einem festen Wasserkristall. Bei steigender Temperatur werden sie zerstört und wechseln ihren Standort.

Während des Prozesses beginnt die Anzahl der Cluster in der Flüssigkeit schnell zuzunehmen. Sie benötigen mehr Platz, um sich auszubreiten, weshalb Wasser nach Erreichen seiner abnormalen Dichte an Größe zunimmt.

Wenn das Thermometer unter Null fällt, beginnen sich die Cluster in winzige Eiskristalle zu verwandeln. Sie beginnen zu steigen. Infolgedessen verwandelt sich Wasser in Eis. Dies ist eine sehr ungewöhnliche Fähigkeit des Wassers. Dieses Phänomen ist für sehr viele Prozesse in der Natur notwendig. Wir alle wissen, und wenn wir es nicht wissen, dann erinnern wir uns, dass die Dichte von Eis etwas geringer ist als die Dichte von kühlem oder kaltem Wasser. Dadurch kann Eis auf der Wasseroberfläche schwimmen. Alle Stauseen beginnen von oben nach unten zu gefrieren, was es den Wasserbewohnern ermöglicht, am Boden zu existieren und nicht zu gefrieren. Jetzt wissen wir also genau, ob sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt oder zusammenzieht.

Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Wenn wir zwei identische Gläser nehmen und in das eine heißes Wasser und in das andere die gleiche Menge kaltes Wasser gießen, werden wir feststellen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Das ist nicht logisch, oder? Heißes Wasser muss abkühlen, bevor es zu gefrieren beginnt, kaltes Wasser jedoch nicht. Wie ist diese Tatsache zu erklären? Wissenschaftler können dieses Rätsel bis heute nicht lösen. Dieses Phänomen wird als Mpemba-Effekt bezeichnet. Es wurde 1963 von einem Wissenschaftler aus Tansania unter ungewöhnlichen Umständen entdeckt. Der Student wollte sich Eis machen und bemerkte, dass heißes Wasser schneller gefriert. Er teilte dies seinem Physiklehrer mit, der ihm zunächst nicht glaubte.

Der japanische Physiker Masakazu Matsumoto hat eine Theorie aufgestellt, die erklärt, warum Wasser schrumpft, wenn es von 0 auf 4 °C erhitzt wird, anstatt sich auszudehnen. Nach seinem Modell enthält Wasser Mikroformationen - "Vitrite", das sind konvexe hohle Polyeder, an deren Spitzen sich Wassermoleküle befinden, und Wasserstoffbrückenbindungen als Kanten dienen. Bei steigender Temperatur konkurrieren zwei Phänomene miteinander: die Verlängerung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen und die Verformung von Vitriten, was zu einer Verringerung ihrer Hohlräume führt. Im Temperaturbereich von 0 bis 3,98 °C dominiert das letztere Phänomen den Effekt der Wasserstoffbindungsdehnung, was letztendlich die beobachtete Kompression von Wasser ergibt. Bisher gibt es jedoch keine experimentelle Bestätigung des Matsumoto-Modells – ebenso wenig wie andere Theorien, die die Verdichtung von Wasser erklären.

Im Gegensatz zu den allermeisten Stoffen kann Wasser beim Erhitzen sein Volumen verringern (Abb. 1), d. h. es hat einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Allerdings sprechen wir nicht über den gesamten Temperaturbereich, in dem Wasser in flüssigem Zustand vorliegt, sondern nur über einen schmalen Bereich – von 0°C bis etwa 4°C. Bei hohen Temperaturen dehnt sich Wasser wie andere Stoffe aus.

Übrigens ist Wasser nicht die einzige Substanz, die dazu neigt, bei steigender Temperatur zu schrumpfen (oder sich beim Abkühlen auszudehnen). Wismut, Gallium, Silizium und Antimon können sich ebenfalls eines ähnlichen Verhaltens "rühmen". Aufgrund seiner komplexeren inneren Struktur sowie seiner Verbreitung und Bedeutung in verschiedenen Prozessen ist es jedoch Wasser, das die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zieht (siehe Die Erforschung der Wasserstruktur geht weiter, "Elemente", 09.10.2006).

Vor einiger Zeit war die allgemein anerkannte Theorie zur Beantwortung der Frage, warum Wasser mit abnehmender Temperatur sein Volumen vergrößert (Abb. 1), ein Modell einer Mischung aus zwei Komponenten - „normal“ und „eisartig“. Diese Theorie wurde erstmals im 19. Jahrhundert von Harold Whiting vorgeschlagen und später von vielen Wissenschaftlern weiterentwickelt und verbessert. Vor relativ kurzer Zeit wurde Whitings Theorie im Rahmen des entdeckten Wasserpolymorphismus überdacht. Von nun an wird angenommen, dass es in unterkühltem Wasser zwei Arten von eisähnlichen Nanodomänen gibt: amorphes Eis ähnliche Bereiche mit hoher und niedriger Dichte. Das Erhitzen von unterkühltem Wasser führt zum Schmelzen dieser Nanostrukturen und zum Auftreten von zwei Arten von Wasser: mit höherer und niedrigerer Dichte. Es ist die raffinierte Temperaturkonkurrenz zwischen den beiden "Sorten" des resultierenden Wassers, die zu einer nichtmonotonen Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur führt. Diese Theorie wurde jedoch noch nicht experimentell bestätigt.

Mit dieser Erklärung muss man vorsichtig sein. Es ist kein Zufall, dass hier nur Strukturen erwähnt werden, die amorphem Eis ähneln. Der Punkt ist, dass nanoskopische Regionen von amorphem Eis und seinen makroskopischen Analoga unterschiedliche physikalische Parameter haben.

Der japanische Physiker Masakazu Matsumoto beschloss, eine Erklärung für den hier diskutierten Effekt "von Grund auf neu" zu finden und verwarf die Theorie einer Zwei-Komponenten-Mischung. Mithilfe von Computersimulationen untersuchte er die physikalischen Eigenschaften von Wasser über einen weiten Temperaturbereich von 200 bis 360 K bei Nulldruck, um auf molekularer Ebene die wahren Ursachen der Wasserausdehnung beim Abkühlen herauszufinden. Sein Artikel in der Zeitschrift Physical Review Letters trägt den Titel: Warum expandiert Wasser, wenn es abkühlt? Warum dehnt sich Wasser beim Abkühlen aus?

Zunächst stellte der Autor des Artikels die Frage: Was beeinflusst den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wasser? Matsumoto glaubt, dass es dafür ausreicht, den Einfluss von nur drei Faktoren herauszufinden: 1) Änderungen in der Länge der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen, 2) topologischer Index – die Anzahl der Bindungen pro Wassermolekül und 3) Abweichung von der Winkel zwischen Bindungen vom Gleichgewichtswert (Winkelverzerrung).

Reis. 2. Es ist für Wassermoleküle am bequemsten, sich in Clustern mit einem Winkel zwischen Wasserstoffbrückenbindungen von 109,47 Grad zu vereinen. Ein solcher Winkel wird Tetraeder genannt, da er der Winkel ist, der den Mittelpunkt eines regelmäßigen Tetraeders und seine beiden Ecken verbindet. Abbildung von lsbu.ac.uk

Bevor wir über die Ergebnisse des japanischen Physikers sprechen, werden wir wichtige Bemerkungen und Erläuterungen zu den oben genannten drei Faktoren machen. Zunächst einmal entspricht die übliche chemische Formel von Wasser H 2 O nur seinem Dampfzustand. In flüssiger Form werden Wassermoleküle durch eine Wasserstoffbrücke zu Gruppen (H 2 O) x zusammengefasst, wobei x die Anzahl der Moleküle ist. Die energetisch günstigste Kombination von fünf Wassermolekülen (x = 5) mit vier Wasserstoffbrückenbindungen, bei denen die Bindungen ein Gleichgewicht bilden, sogenannte Tetraederwinkel, gleich 109,47 Grad (siehe Abb. 2).

Nachdem Matsumoto die Abhängigkeit der Länge der Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen von der Temperatur analysiert hatte, kam er zu dem erwarteten Ergebnis: Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einer linearen Verlängerung der Wasserstoffbrücken. Und dies wiederum führt zu einer Zunahme des Wasservolumens, dh zu seiner Ausdehnung. Diese Tatsache widerspricht den beobachteten Ergebnissen, daher betrachtete er weiter den Einfluss des zweiten Faktors. Wie hängt der thermische Ausdehnungskoeffizient vom topologischen Index ab?

Eine Computersimulation ergab das folgende Ergebnis. Bei niedrigen Temperaturen wird das prozentual größte Wasservolumen von Wasserclustern eingenommen, die 4 Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül aufweisen (der topologische Index ist 4). Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einer Abnahme der Anzahl der Mitarbeiter mit Index 4, aber gleichzeitig beginnt die Anzahl der Cluster mit den Indizes 3 und 5. Nach numerischen Berechnungen fand Matsumoto heraus, dass das lokale Volumen von Clustern mit topologischen der Index 4 ändert sich praktisch nicht mit zunehmender Temperatur, und die Änderung des Gesamtvolumens der Assoziate mit den Indizes 3 und 5 bei jeder Temperatur kompensieren sich gegenseitig. Daher ändert eine Temperaturänderung nicht das Gesamtvolumen des Wassers, was bedeutet, dass der topologische Index keinen Einfluss auf die Kompression von Wasser hat, wenn es erhitzt wird.

Es bleibt noch, den Einfluss der Winkelverzerrung von Wasserstoffbrückenbindungen aufzuklären. Und hier beginnt das Interessanteste und Wichtigste. Wie oben erwähnt, neigen Wassermoleküle dazu, sich zu vereinen, so dass der Winkel zwischen Wasserstoffbrückenbindungen tetraedrisch ist. Thermische Schwingungen von Wassermolekülen und Wechselwirkungen mit anderen Molekülen, die nicht im Cluster enthalten sind, hindern sie jedoch daran, wodurch der Winkel der Wasserstoffbindung vom Gleichgewichtswert von 109,47 Grad abweicht. Um diesen Prozess der Winkelverformung zu quantifizieren, stellten Matsumoto und Kollegen auf der Grundlage ihrer früheren Arbeit Topological Building Blocks of Hydrogen Bond Network in Water, die 2007 im Journal of Chemical Physics veröffentlicht wurde, die Hypothese auf, dass es in Wasser dreidimensionale Mikrostrukturen gibt, die konvexen Hohlräumen ähneln Polyeder. Später, in späteren Veröffentlichungen, nannten sie solche Mikrostrukturen Vitrite (Abb. 3). In ihnen sind die Ecken Wassermoleküle, die Rolle der Kanten spielen Wasserstoffbrückenbindungen, und der Winkel zwischen Wasserstoffbrückenbindungen ist der Winkel zwischen den Kanten in Vitrit.

Nach Matsumotos Theorie gibt es eine große Vielfalt an Formen von Vitriten, die wie Mosaikelemente einen großen Teil der Struktur des Wassers ausmachen und gleichzeitig sein gesamtes Volumen gleichmäßig ausfüllen.

Reis. 3. Sechs typische Vitriten, die die innere Struktur des Wassers bilden. Die Kugeln entsprechen Wassermolekülen, die Segmente zwischen den Kugeln repräsentieren Wasserstoffbrückenbindungen. Witrite erfüllen den bekannten Satz von Euler für Polyeder: Die Gesamtzahl der Ecken und Flächen minus der Anzahl der Kanten ist 2. Das bedeutet, dass Vitrite konvexe Polyeder sind. Andere Arten von Vitriten können unter vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp eingesehen werden. Reis. aus einem Artikel von Masakazu Matsumoto, Akinori Baba und Iwao Ohminea Network Motif of Water, veröffentlicht in AIP Conf. Proz.

Wassermoleküle neigen dazu, in Vitriten Tetraederwinkel zu erzeugen, da Vitrite die niedrigstmögliche Energie haben sollten. Aufgrund thermischer Bewegungen und lokaler Wechselwirkungen mit anderen Vitriten haben einige Mikrostrukturen jedoch keine Geometrie mit Tetraederwinkeln (oder Winkeln nahe diesem Wert). Sie akzeptieren solche strukturell nicht im Gleichgewicht befindliche Konfigurationen (die aus energetischer Sicht nicht die günstigsten für sie sind), die es der ganzen „Familie“ von Vitriten ermöglichen, den niedrigstmöglichen Energiewert zu erhalten. Solche Vitriten, also Vitriten, die sich gleichsam „gemeinsamen Energieinteressen“ opfern, nennt man frustriert. Wenn nichtfrustrierte Vitriten bei einer gegebenen Temperatur das maximale Hohlraumvolumen haben, dann haben frustrierte Vitriten im Gegensatz dazu das minimal mögliche Volumen.

Computersimulationen von Matsumoto zeigten, dass das durchschnittliche Volumen von Vitrihohlräumen mit steigender Temperatur linear abnimmt. Gleichzeitig reduzieren frustrierte Vitriten ihr Volumen erheblich, während sich das Volumen des Hohlraums nicht frustrierter Vitriten fast nicht ändert.

Somit wird die Kompression von Wasser mit zunehmender Temperatur durch zwei konkurrierende Effekte verursacht - die Verlängerung von Wasserstoffbrückenbindungen, die zu einer Zunahme des Wasservolumens führt, und einer Abnahme des Volumens der Hohlräume von frustrierten Vitriten. Im Temperaturbereich von 0 bis 4°C überwiegt, wie Berechnungen zeigen, letzteres Phänomen, was letztlich zu der beobachteten Verdichtung von Wasser mit steigender Temperatur führt.

Es bleibt abzuwarten, bis die experimentelle Bestätigung der Existenz von Vitriten und ihres Verhaltens vorliegt. Aber das ist leider eine sehr schwierige Aufgabe.

Wir sind von Wasser umgeben, als Teil anderer Substanzen und Körper. Es kann fest, flüssig oder gasförmig sein, aber Wasser ist immer um uns herum. Warum der Asphalt auf den Straßen reißt, warum ein Wasserkrug in der Kälte platzt, warum in der kalten Jahreszeit Scheiben beschlagen, warum ein Flugzeug eine weiße Spur am Himmel hinterlässt – auf all diese und andere „Warums“ suchen wir Antworten “ in dieser Lektion. Wir erfahren, wie sich die Eigenschaften von Wasser beim Erhitzen, Abkühlen und Einfrieren verändern, wie unterirdische Höhlen und bizarre Figuren darin entstehen, wie ein Thermometer funktioniert.

Thema: Unbelebte Natur

Lektion: Eigenschaften von flüssigem Wasser

In seiner reinen Form hat Wasser keinen Geschmack, Geruch und Farbe, aber so etwas passiert fast nie, weil es die meisten Substanzen aktiv in sich auflöst und sich mit ihren Partikeln verbindet. Außerdem kann Wasser in verschiedene Körper eindringen (Wissenschaftler haben Wasser sogar in Steinen gefunden).

Wenn Sie ein Glas mit Leitungswasser füllen, erscheint es sauber. Tatsächlich handelt es sich jedoch um eine Lösung vieler Substanzen, darunter Gase (Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Kohlendioxid), verschiedene in der Luft enthaltene Verunreinigungen, gelöste Salze aus dem Boden, Eisen aus Wasserleitungen, kleinster ungelöster Staub Partikel usw.

Wenn Sie mit einer Pipette Leitungswassertropfen auf ein sauberes Glas auftragen und verdunsten lassen, bleiben kaum wahrnehmbare Flecken zurück.

Das Wasser von Flüssen und Bächen sowie die meisten Seen enthalten verschiedene Verunreinigungen, wie beispielsweise gelöste Salze. Aber es gibt nur wenige, denn dieses Wasser ist frisch.

Wasser fließt auf der Erde und im Untergrund, füllt Bäche, Seen, Flüsse, Meere und Ozeane, schafft unterirdische Paläste.

Durch leicht lösliche Substanzen dringt Wasser tief in den Untergrund ein, nimmt sie mit und durch Klüfte und Risse im Gestein, bildet unterirdische Höhlen, tropft aus ihrem Gewölbe und formt bizarre Skulpturen. Milliarden von Wassertröpfchen verdunsten über Jahrhunderte, und im Wasser gelöste Stoffe (Salze, Kalksteine) setzen sich an den Bögen der Höhle ab und bilden steinerne Eiszapfen, die Stalaktiten genannt werden.

Ähnliche Formationen auf dem Höhlenboden werden Stalagmiten genannt.

Und wenn ein Stalaktit und ein Stalagmit zusammenwachsen und eine Steinsäule bilden, spricht man von einem Stalagnat.

Wenn wir die Eisdrift auf dem Fluss beobachten, sehen wir Wasser in festem (Eis und Schnee), flüssigem (darunter fließend) und gasförmigem Zustand (kleinste Wasserpartikel, die in die Luft aufsteigen, die auch als Wasserdampf bezeichnet werden).

Wasser kann sich in allen drei Zuständen gleichzeitig befinden: Es gibt immer Wasserdampf und Wolken in der Luft, die aus Wassertropfen und Eiskristallen bestehen.

Wasserdampf ist unsichtbar, kann aber leicht festgestellt werden, wenn Sie ein im Kühlschrank gekühltes Glas Wasser eine Stunde lang in einem warmen Raum stehen lassen, an dessen Wänden sofort Wassertropfen erscheinen. Beim Kontakt mit den kalten Glaswänden wird der in der Luft enthaltene Wasserdampf in Wassertröpfchen umgewandelt und setzt sich auf der Glasoberfläche ab.

Reis. 11. Kondensation an den Wänden eines kalten Glases ()

Aus dem gleichen Grund beschlägt in der kalten Jahreszeit die Innenseite der Fensterscheibe. Kalte Luft kann nicht so viel Wasserdampf enthalten wie warme Luft, daher kondensiert ein Teil davon - wird zu Wassertröpfchen.

Die weiße Spur hinter einem am Himmel fliegenden Flugzeug ist ebenfalls das Ergebnis von Wasserkondensation.

Wenn Sie einen Spiegel an Ihre Lippen bringen und ausatmen, bleiben winzige Wassertröpfchen auf seiner Oberfläche zurück. Dies beweist, dass eine Person beim Atmen Wasserdampf mit Luft einatmet.

Beim Erhitzen "dehnt" sich Wasser aus. Ein einfaches Experiment kann dies beweisen: Ein Glasrohr wurde in einen Kolben mit Wasser getaucht und der Wasserstand darin gemessen; dann wurde der Kolben in ein Gefäß mit warmem Wasser abgesenkt und nach Erhitzen des Wassers erneut der Füllstand im Rohr gemessen, der merklich anstieg, da das Wasser beim Erhitzen an Volumen zunimmt.

Reis. 14. Eine Flasche mit einem Rohr, die Nummer 1 und eine Linie zeigen den anfänglichen Wasserstand an

Reis. 15. Ein Kolben mit einem Rohr, die Nummer 2 und eine Linie zeigen den Wasserstand beim Erhitzen an

Wenn Wasser abkühlt, „komprimiert“ es sich. Dies kann durch ein ähnliches Experiment nachgewiesen werden: In diesem Fall wurde der Kolben mit dem Rohr in ein Gefäß mit Eis abgesenkt, nach dem Abkühlen fiel der Wasserstand im Rohr von der Anfangsmarke ab, weil das Wasservolumen abnahm.

Reis. 16. Ein Kolben mit einem Rohr, die Zahl 3 und eine Linie zeigen den Wasserstand während des Abkühlens an

Dies geschieht, weil Wasserpartikel, Moleküle, sich beim Erhitzen schneller bewegen, miteinander kollidieren, sich gegenseitig von den Wänden des Gefäßes abstoßen, der Abstand zwischen den Molekülen zunimmt und daher die Flüssigkeit ein größeres Volumen einnimmt. Wenn Wasser gekühlt wird, verlangsamt sich die Bewegung seiner Teilchen, der Abstand zwischen den Molekülen nimmt ab und die Flüssigkeit benötigt ein geringeres Volumen.

Reis. 17. Wassermoleküle bei normaler Temperatur

Reis. 18. Wassermoleküle beim Erhitzen

Reis. 19. Wassermoleküle beim Abkühlen

Solche Eigenschaften besitzt nicht nur Wasser, sondern auch andere Flüssigkeiten (Alkohol, Quecksilber, Benzin, Kerosin).

Die Kenntnis dieser Eigenschaft von Flüssigkeiten führte zur Erfindung eines Thermometers (Thermometer), das Alkohol oder Quecksilber verwendet.

Beim Gefrieren dehnt sich Wasser aus. Dies kann nachgewiesen werden, wenn ein bis zum Rand mit Wasser gefüllter Behälter locker mit einem Deckel abgedeckt und in einen Gefrierschrank gestellt wird. Nach einer Weile werden wir sehen, dass das gebildete Eis den Deckel anhebt und über den Behälter hinausgeht.

Diese Eigenschaft wird beim Verlegen von Wasserleitungen berücksichtigt, die isoliert werden müssen, damit beim Gefrieren das aus dem Wasser gebildete Eis die Rohre nicht bricht.

In der Natur kann gefrierendes Wasser Berge zerstören: Wenn sich im Herbst Wasser in den Felsspalten ansammelt, gefriert es im Winter, und unter dem Druck des Eises, das ein größeres Volumen einnimmt als das Wasser, aus dem es gebildet wurde, brechen die Felsen und Zusammenbruch.

Gefrierendes Wasser in Straßenritzen führt zur Zerstörung der Asphaltdecke.

Lange Grate, die Falten an Baumstämmen ähneln, sind Wunden von Holzbrüchen unter dem Druck des darin gefrierenden Baumharzes. Daher können Sie in kalten Wintern das Knistern der Bäume im Park oder im Wald hören.

Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Die Welt um 3. M.: Ballas.
Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Die Welt um 3. M .: Verlag "Fedorov".
Pleshakov A.A. Umgebungswelt 3. M .: Aufklärung.

Festival der pädagogischen Ideen ().
Wissenschaft und Bildung ().
Öffentliche Klasse ().

Machen Sie einen kurzen Test (4 Fragen mit drei Antwortmöglichkeiten) zum Thema „Wasser um uns herum“.
Führen Sie ein kleines Experiment durch: Stellen Sie ein Glas sehr kaltes Wasser in einem warmen Raum auf den Tisch. Beschreiben Sie, was passieren wird, erklären Sie, warum.
*Zeichnen Sie die Bewegung von Wassermolekülen im erwärmten, normalen und abgekühlten Zustand. Schreiben Sie bei Bedarf Bildunterschriften zu Ihrer Zeichnung.

Eine der häufigsten Substanzen auf der Erde: Wasser. Wir brauchen es wie Luft, aber manchmal nehmen wir es gar nicht wahr. Sie ist einfach. Aber es stellt sich heraus

Eine der häufigsten Substanzen auf der Erde: Wasser. Wir brauchen es wie Luft, aber manchmal nehmen wir es gar nicht wahr. Sie ist einfach. Aber es stellt sich heraus, dass gewöhnliches Wasser sein Volumen ändern und mehr oder weniger wiegen kann. Wenn Wasser verdunstet, sich erwärmt und abkühlt, passieren wirklich erstaunliche Dinge, von denen wir heute erfahren werden.
Muriel Mandell legt in seinem unterhaltsamen Buch „Physikalische Experimente für Kinder“ die interessantesten Gedanken zu den Eigenschaften des Wassers dar, anhand derer nicht nur junge Physiker viel Neues lernen können, sondern auch Erwachsene ihr Wissen auffrischen werden mussten sich schon lange nicht mehr bewerben, so dass sie sich als etwas vergessen herausstellten.Heute werden wir über das Volumen und Gewicht von Wasser sprechen. Es stellt sich heraus, dass die gleiche Wassermenge nicht immer gleich wiegt. Und wenn Sie Wasser in ein Glas gießen und es nicht über den Rand schwappt, heißt das nicht, dass es auf keinen Fall hineinpasst.

1. Wasser dehnt sich bei Erwärmung aus

Stellen Sie ein mit Wasser gefülltes Glas in einen Topf, der mit fünf Zentimeter kochendem Wasser gefüllt ist. gießen und bei schwacher Hitze köcheln lassen. Das Wasser aus dem Gefäß beginnt überzulaufen. Dies liegt daran, dass Wasser, wie andere Flüssigkeiten, beim Erhitzen mehr Platz einnimmt. Moleküle stoßen sich stärker ab und dies führt zu einer Zunahme des Wasservolumens.

2. Wasser schrumpft beim Abkühlen

Lassen Sie das Wasser im Glas auf Raumtemperatur abkühlen oder fügen Sie neues Wasser hinzu und kühlen Sie es. Nach einer Weile werden Sie feststellen, dass das zuvor volle Glas nicht mehr voll ist. Beim Abkühlen auf eine Temperatur von 3,89 Grad Celsius nimmt das Volumen des Wassers mit sinkender Temperatur ab. Der Grund dafür war eine Abnahme der Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen und ihre Konvergenz miteinander unter dem Einfluss von Kühlung.Es scheint, dass alles sehr einfach ist: Je kälter das Wasser, desto weniger Volumen nimmt es ein, aber ...

3. ... das Wasservolumen beim Gefrieren wieder zunimmt

Füllen Sie das Glas bis zum Rand mit Wasser und decken Sie es mit einem Stück Pappe ab. Legen Sie es in den Gefrierschrank und warten Sie, bis es gefriert. Sie werden feststellen, dass der „Deckel“ aus Pappe herausgedrückt wurde. Im Temperaturbereich zwischen 3,89 und 0 Grad Celsius, also auf dem Weg zum Gefrierpunkt, beginnt sich das Wasser wieder auszudehnen. Es ist eine der wenigen bekannten Substanzen mit dieser Eigenschaft.Wenn Sie einen dichten Deckel verwenden, zerschmettert das Eis einfach das Glas. Haben Sie schon einmal gehört, dass sogar Wasserleitungen mit Eis brechen können?

4. Eis ist leichter als Wasser

Legen Sie ein paar Eiswürfel in ein Glas Wasser. Eis schwimmt auf der Oberfläche. Wasser dehnt sich aus, wenn es gefriert. Und folglich ist Eis leichter als Wasser: Sein Volumen beträgt etwa 91 % des entsprechenden Wasservolumens.
Diese Eigenschaft des Wassers existiert nicht ohne Grund in der Natur. Es hat einen ganz bestimmten Zweck. Sie sagen, dass die Flüsse im Winter zufrieren. Aber in Wirklichkeit ist dies nicht ganz richtig. Meist friert nur eine kleine oberste Schicht ein. Diese Eisdecke sinkt nicht, weil sie leichter als flüssiges Wasser ist. Es verlangsamt das Gefrieren des Wassers in der Tiefe des Flusses und dient als eine Art Decke, die Fische und andere Fluss- und Seetiere vor strengen Winterfrösten schützt. Wenn man Physik studiert, beginnt man zu verstehen, dass vieles in der Natur sinnvoll angeordnet ist.

5. Leitungswasser enthält Mineralien

Gießen Sie 5 Esslöffel Leitungswasser in eine kleine Glasschüssel. Wenn das Wasser verdunstet, bleibt ein weißer Rand auf der Schüssel. Dieser Rand wird durch Mineralien gebildet, die im Wasser gelöst wurden, als es durch die Bodenschichten floss.Schauen Sie in Ihren Wasserkocher und Sie werden dort Mineralablagerungen sehen. Die gleiche Plakette bildet sich auf dem Loch zum Ablassen von Wasser in der Badewanne.Versuchen Sie, Regenwasser zu verdunsten, um zu sehen, ob es Mineralien enthält.