Чому вода під час охолодження розширюється. Чому вода буває легша за саму воду?! Властивості різних станів речовини

Розширюється чи стискається? Відповідь така: з настанням зими вода починає свій процес розширення. Чому це відбувається? Ця властивість виділяє воду зі списку решти всіх рідин і газів, які, навпаки, стискаються при охолодженні. У чому причина такої поведінки цієї незвичайної рідини?

Фізика 3 класу: вода при замерзанні розширюється чи стискується?

Більшість речовин та матеріалів збільшуються в обсязі при нагріванні та зменшуються при охолодженні. Гази цей ефект показують більш помітно, але різні рідини та тверді метали виявляють такі ж властивості.

Одним із найбільш яскравих прикладів розширення та стискання газу є повітря в повітряній кулі. Коли ми виносимо повітряну кулю надвір у мінусову погоду, то куля відразу зменшується у розмірах. Якщо ми кулю вносимо в опалювальне приміщення, то вона відразу збільшується. А от якщо ми внесемо повітряну кулю в лазню - вона лусне.

Молекули води потребують більше місця

Причиною того, що відбуваються ці процеси розширення та стиснення різних речовин, є молекули. Ті з них, які отримують більше енергії (це відбувається в теплому приміщенні), рухаються набагато швидше, ніж молекули, що знаходяться в холодному приміщенні. Частинки, які мають велику енергію, стикаються набагато активніше і частіше, їм потрібно більше місця для руху. Щоб стримати тиск, який надають молекули, матеріал починає збільшуватися в розмірах. Причому це відбувається досить швидко. Отже, вода під час замерзання розширюється чи стискається? Чому це відбувається?

Вода не підпорядковується цим правилам. Якщо ми починаємо охолоджувати воду до чотирьох градусів Цельсія, вона зменшує свій обсяг. Але якщо температура продовжує падати, вода раптом починає розширюватися! Існує така властивість, як аномалія густини води. Ця властивість виникає при температурі чотири градуси Цельсія.

Тепер, коли ми з'ясували, чи розширюється або стискається вода при замерзанні, давайте дізнаємося, як взагалі виникає ця аномалія. Причина таїться у частках, із яких вона складається. Молекула води створена з двох атомів водню та одного – кисню. Формулу води усі знають ще з початкових класів. Атоми у цій молекулі притягують електрони по-різному. У водню створюється позитивний центр тяжкості, а кисню, навпаки - негативний. Коли молекули води зіштовхуються одна з одною, то атоми водню однієї молекули переходять на атом кисню зовсім інший молекули. Цей феномен називається водневим зв'язком.

Воді потрібно більше місця при її охолодженні

У той час, коли починається процес формування водневих зв'язків, у воді починають виникати місця, де молекули перебувають у тому порядку, що у кристалі льоду. Ці заготівлі називають кластерами. Вони не міцні, як у твердому кристалі води. При підвищенні температури вони руйнуються та змінюють своє місце розташування.

Під час процесу починає стрімко збільшуватись кількість кластерів у рідині. Вони вимагають більше простору для поширення, внаслідок цього вода і збільшується у розмірах після досягнення своєї аномальної густини.

При падінні стовпчика термометра нижче нуля кластери починають перетворюватися на дрібні кристали льоду. Вони починають підніматися нагору. Внаслідок цього вода перетворюється на лід. Це дуже незвична здатність води. Цей феномен необхідний дуже великої кількості процесів у природі. Ми всі знаємо, а якщо не знаємо, то запам'ятовуємо, що щільність льоду трохи менше щільності холодної або холодної води. Завдяки цьому крига плаває на поверхні води. Всі водоймища починають замерзати зверху вниз, що дозволяє спокійно існувати і не замерзати водяним мешканцям на дні. Отже, тепер ми в подробицях знаємо, розширюється або стискується вода при замерзанні.

Гаряча вода замерзає швидше за холодну. Якщо ми візьмемо дві однакові склянки і наллємо в одну гарячу воду, а в іншу стільки ж холодну, то помітимо, що гаряча вода замерзне швидше, ніж холодна. Це не логічно, погодьтеся? Гарячій воді потрібно охолонути, щоб починати замерзати, а холодної цього не потрібно. Як пояснити цей факт? Вчені досі не можуть пояснити цю загадку. Цей феномен має назву «Ефект Мпемби». Відкритий був у 1963 році вченим з Танзанії за незвичайного збігу обставин. Студент хотів зробити собі морозиво та помітив, що гаряча вода замерзає швидше. Про це він поділився зі своїм учителем фізики, який спочатку не повірив йому.

Японський фізик Масакадзу Мацумото висунув теорію, яка пояснює, чому вода при нагріванні від 0 до 4°C стискається замість того, щоб розширюватися. Згідно з його моделлю, вода містить мікроосвіти - «вітрити», що являють собою опуклі пустотілі багатогранники, у вершинах яких знаходяться молекули води, а ребрами служать водневі зв'язки. При підвищенні температури конкурують між собою два явища: подовження водневих зв'язків між молекулами води та деформація вітритів, що веде до зменшення їх порожнин. В діапазоні температур від 0 до 3,98 ° C останнє явище домінує над ефектом подовження водневих зв'язків, що в результаті і дає стиск води, що спостерігається. Експериментального підтвердження моделі Мацумото поки що немає – втім, як і інших теорій, що пояснюють стиск води.

На відміну від переважної більшості речовин, вода при нагріванні здатна зменшувати свій обсяг (рис. 1), тобто має негативний коефіцієнт теплового розширення. Втім, йдеться не про весь температурний інтервал, де вода існує в рідкому стані, а лише про вузьку ділянку - від 0°C приблизно до 4°C. При високих температурах вода, як і інші речовини, розширюється.

Між іншим, вода - не єдина речовина, що має властивість стискатися зі збільшенням температури (або розширюватися при охолодженні). Подібною поведінкою можуть «похвалитися» ще вісмут, галій, кремній та сурма. Тим не менш, в силу своєї більш складної внутрішньої структури, а також поширеності та важливості у різноманітних процесах, саме вода приковує увагу вчених (див. продовжується вивчення структури води, «Елементи», 09.10.2006).

Деякий час тому загальноприйнятою теорією, що відповідає на питання, чому вода збільшує свій об'єм при зниженні температури (рис. 1), була модель суміші двох компонентів – «нормальної» та «льодоподібної». Вперше ця теорія була запропонована в XIX столітті Гарольдом Вітінгом і пізніше була розвинена та вдосконалена багатьма вченими. Порівняно нещодавно у межах виявленого поліморфізму води теорія Вітінга була переосмислена. Відтепер вважається, що у переохолодженій воді існує два типи льодоподібних нанодоменів: області, схожі на аморфний лід високої та низької щільності. Нагрівання переохолодженої води призводить до плавлення цих наноструктур і появи двох видів води: з більшою і меншою щільністю. Хитра температурна конкуренція між двома «сортами» води, що утворилася, і породжує немонотонну залежність щільності від температури. Однак поки що ця теорія не підтверджена експериментально.

З наведеним поясненням слід бути обережним. Не випадково тут йдеться лише про структури, що нагадують аморфний лід. Справа в тому, що наноскопічні області аморфного льоду і його макроскопічні аналоги мають різні фізичні параметри.

Японський фізик Масакадзу Мацумото вирішив знайти пояснення ефекту, що обговорюється тут, «з нуля», відкинувши теорію двокомпонентної суміші. Використовуючи комп'ютерне моделювання, він розглянув фізичні властивості води у широкому діапазоні температур - від 200 до 360 К при нульовому тиску, щоб у молекулярному масштабі з'ясувати справжні причини розширення води при її охолодженні. Його стаття у журналі Physical Review Letters так і називається: Why Does Water Expand When It Cools? («Чому вода при охолодженні розширюється?»).

Спочатку автор статті запитав: що впливає на коефіцієнт теплового розширення води? Мацумото вважає, що для цього достатньо з'ясувати вплив всього трьох факторів: 1) зміни довжини водневих зв'язків між молекулами води; 2) топологічного індексу – числа зв'язків на одну молекулу води та 3) відхилення величини кута між зв'язками від рівноважного значення (кутового спотворення).

Мал. 2. Молекулам води найзручніше об'єднуватися в кластери з кутом між водневими зв'язками, рівним 109,47 градуса. Такий кут називають тетраедральним, оскільки це кут, що з'єднує центр правильного тетраедра та дві його вершини. Малюнок із сайту lsbu.ac.uk

Перед тим як розповісти про результати, отримані японським фізиком, зробимо важливі зауваження та роз'яснення щодо вищезгаданих трьох факторів. Насамперед, звична хімічна формула води H 2 O відповідає лише пароподібному її стану. У рідкій формі молекули води за допомогою водневого зв'язку об'єднуються в групи (H 2 O) x , де x - кількість молекул. Найбільш енергетично вигідно поєднання з п'яти молекул води (x = 5) з чотирма водневими зв'язками, в якому зв'язки утворюють рівноважний, так званий тетраедральний кут, що дорівнює 109,47 градуса (див. рис. 2).

Проаналізувавши залежність довжини водневого зв'язку між молекулами води від температури, Мацумото дійшов очікуваного висновку: зростання температури породжує лінійне подовження водневих зв'язків. А це, у свою чергу, призводить до збільшення обсягу води, тобто її розширення. Цей факт суперечить результатам, що спостерігаються, тому далі він розглянув вплив другого фактора. Який коефіцієнт теплового розширення залежить від топологічного індексу?

Комп'ютерне моделювання дало такий результат. При низьких температурах найбільший обсяг води у відсотковому відношенні займають кластери води, у яких одну молекулу припадає 4 водневих зв'язку (топологічний індекс дорівнює 4). Підвищення температури викликає зменшення кількості асоціатів з індексом 4, але при цьому починає зростати кількість кластерів з індексами 3 та 5. Провівши чисельні розрахунки, Мацумото виявив, що локальний обсяг кластерів з топологічним індексом 4 з підвищенням температури практично не змінюється, а зміна сумарного обсягу асоціатів з індексами 3 та 5 при будь-якій температурі взаємно компенсує один одного. Отже, зміна температури не змінює загальний обсяг води, а отже, і топологічний індекс жодного впливу на стиск води при її нагріванні не чинить.

Залишається з'ясувати вплив кутового спотворення водневих зв'язків. І ось тут починається найцікавіше та найважливіше. Як було зазначено вище, молекули води прагнуть об'єднатися те щоб кут між водневими зв'язками був тетраэдральным. Однак теплові коливання молекул води та взаємодії з іншими молекулами, що не входять до кластеру, не дають їм цього зробити, відхиляючи величину кута водневого зв'язку від рівноважного значення 109,47 градуса. Щоб якось кількісно охарактеризувати цей процес кутової деформації, Мацумото з колегами, ґрунтуючись на своїй попередній роботі, висунули гіпотезу про існування. опуклі порожнисті багатогранники. Пізніше, у таких публікаціях, такі мікроструктури вони назвали вітритами (рис. 3). Вони вершинами є молекули води, роль ребер грають водневі зв'язки, а кут між водневими зв'язками - це кут між ребрами у вітріті.

Відповідно до теорії Мацумото, існує величезна різноманітність форм вітритів, які, як мозаїчні елементи, становлять більшу частину структури води і які при цьому рівномірно заповнюють її об'єм.

Мал. 3. Шість типових вітритів, які утворюють внутрішню структуру води. Кульки відповідають молекулам води, відрізки між кульками позначають водневі зв'язки. Вітрити задовольняють відому теорему Ейлера для багатогранників: сумарна кількість вершин і граней мінус кількість ребер дорівнює 2. Це означає, що вітрити - опуклі багатогранники. Інші типи вітритів можна переглянути на сайті vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Мал. зі статті Masakazu Matsumoto, Akinori Baba, та Iwao Ohminea Network Motif of Water, опублікованій у журналі AIP Conf. Proc.

Молекули води прагнуть створити у вітритах тетраедральні кути, оскільки вітрити повинні мати мінімально можливу енергію. Однак через теплові рухи і локальні взаємодії з іншими вітритами деякі мікроструктури не мають геометрії з тетраедральними кутами (або кутами, близькими до цього значення). Вони приймають такі структурно нерівноважні конфігурації (які є їм найвигіднішими з енергетичної погляду), які дозволяють всій «родині» вітритів загалом отримати найменше значення енергії серед можливих. Такі вітрити, тобто вітрити, які начебто приносять себе в жертву «загальним енергетичним інтересам», називаються фрустрованими. Якщо у нефрустрованих вітритів об'єм порожнини максимальний при даній температурі, то фрустровані вітрити, навпаки, мають мінімально можливий об'єм.

p align="justify"> Комп'ютерне моделювання, проведене Мацумото, показало, що середній обсяг порожнин вітритів зі зростанням температури лінійним чином зменшується. При цьому фрустровані вітрити значно зменшують свій об'єм, тоді як об'єм порожнини нефрустрованих вітрит майже не змінюється.

Отже, стиск води зі збільшенням температури викликано двома конкуруючими ефектами - подовженням водневих зв'язків, що призводить до збільшення обсягу води, і зменшенням обсягу порожнин фрустрованих вітритів. На температурному відрізку від 0 до 4°C останнє явище, як показали розрахунки, переважає, що в результаті і призводить до стиску води, що спостерігається, при підвищенні температури.

Залишилося дочекатися експериментального підтвердження існування вітритів та такої їхньої поведінки. Але це, на жаль, дуже складне завдання.

Нас оточує вода, сама по собі, у складі інших речовин та тіл. Вона може бути у твердому, рідкому чи газоподібному стані, але вода завжди довкола нас. Чому тріскається асфальт на дорогах, чому скляна банка з водою на морозі лопається, чому в холодну пору року пітніють вікна, чому літак залишає в небі білий слід – відповіді на всі ці та інші «чому» ми шукатимемо на цьому уроці. Ми дізнаємося, як змінюються властивості води при нагріванні, охолодженні та заморожуванні, як утворюються підземні печери та химерні фігури в них, як працює термометр.

Тема: Нежива природа

Урок: Властивості води в рідкому стані

У чистому вигляді вода не має смаку, запаху і кольору, але вона майже ніколи не буває такою, тому що активно розчиняє більшість речовин і з'єднується з їх частинками. Так само вода може проникати у різні тіла (вчені знайшли воду навіть у камінні).

Якщо в склянку набрати води з-під крана, вона здаватиметься чистою. Але насправді це розчин багатьох речовин, серед яких є гази (кисень, аргон, азот, вуглекислий газ), різні домішки, що містяться в повітрі, розчинені солі з грунту, залізо з водопровідних труб, дрібні нерозчинені частинки пилу та ін.

Якщо нанести піпеткою крапельки водопровідної води на чисте скло і дати їй випаруватися, залишаться ледь помітні цятки.

У воді річок та струмків, більшості озер містяться різні домішки, наприклад, розчинені солі. Але їх небагато, бо ця вода – прісна.

Вода тече на землі та під землею, наповнює струмки, озера, річки, моря та океани, створює підземні палаци.

Прокладаючи собі шлях крізь легкорозчинні речовини, вода проникає глибоко під землю, несучи їх із собою, і через щілинки та тріщини в скельних породах, утворюючи підземні печери, капає з їхнього склепіння, створюючи химерні скульптури. Мільярди крапельок води за сотні років випаровуються, а розчинені у воді речовини (солі, вапняки) осідають на склепіннях печери, утворюючи кам'яні бурульки, які називають сталактитами.

Подібні утворення на підлозі печери називаються сталагмітами.

А коли сталактит і сталагміт зростається, утворюючи кам'яну колону, це називають сталагнатом.

Спостерігаючи льодохід на річці, ми бачимо воду в твердому (лід і сніг), рідкому (поточна під ним) та газоподібному стані (найдрібніші частинки води, що піднімаються в повітря, які ще називають водяною парою).

Вода може одночасно знаходиться у всіх трьох станах: у повітрі завжди є водяна пара та хмари, які складаються з крапельок води та кристаликів льоду.

Водяна пара невидима, але її можна легко виявити, якщо залишити в теплій кімнаті склянку з водою, що охолоджується в холодильнику протягом години, на стінках якої відразу з'являться крапельки води. При зіткненні з холодними стінками склянки водяна пара, що міститься в повітрі, перетворюється на крапельки води і осідає на поверхні склянки.

Мал. 11. Конденсат на стінках холодної склянки ()

З цієї ж причини в холодну пору року пітніє внутрішня сторона шибки. Холодне повітря не може містити стільки ж водяної пари, скільки і тепле, тому якась його кількість конденсується - перетворюється на крапельки води.

Білий слід за літаком, що летить у небі - теж результат конденсації води.

Якщо піднести до губ дзеркальце та видихнути, на його поверхні залишаться дрібні крапельки води, це доводить те, що при диханні людина вдихає з повітрям водяну пару.

При нагріванні вода розширюється. Це може довести простий досвід: у колбу з водою опустили скляну трубку та заміряли рівень води у ній; потім колбу опустили в посудину з теплою водою і після нагрівання води повторно заміряли рівень трубки, який помітно піднявся, оскільки вода при нагріванні збільшується в об'ємі.

Мал. 14. Колба з трубкою, цифрою 1 та рисою позначений початковий рівень води

Мал. 15. Колба з трубкою, цифрою 2 та рисою позначений рівень води при нагріванні

При охолодженні вода стискається. Це може довести подібний досвід: у цьому випадку колбу з трубкою опустили в посудину з льодом, після охолодження рівень води в трубці знизився щодо початкової позначки, тому що вода зменшилася обсягом.

Мал. 16. Колба з трубкою, цифрою 3 та рисою позначений рівень води при охолодженні

Так відбувається, тому що частинки води, молекули, при нагріванні рухаються швидше, зіштовхуються між собою, відштовхуються від стінок судини, відстань між молекулами збільшується, і тому рідина займає більший об'єм. При охолодженні води рух її частинок уповільнюється, відстань між молекулами зменшується, і рідини потрібний менший обсяг.

Мал. 17. Молекули води нормальної температури

Мал. 18. Молекули води під час нагрівання

Мал. 19. Молекули води під час охолодження

Такими властивостями має не лише вода, а й інші рідини (спирт, ртуть, бензин, гас).

Знання цієї властивості рідин призвело до винаходу термометра (градусника), де використовують спирт або ртуть.

При замерзанні вода розширюється. Це можна довести, якщо ємність, наповнену до країв водою, нещільно накрити кришкою і поставити в морозильну камеру, через час ми побачимо, що крига, що утворилася, підніме кришку, вийшовши за межі ємності.

Ця властивість враховується при прокладанні водопровідних труб, які обов'язково утеплюються, щоб при замерзанні лід, що утворився з води, не розірвав труби.

У природі вода, що замерзає, може руйнувати гори: якщо восени в тріщинах скель скупчується вода, взимку вона замерзає, і під натиском льоду, який займає більший об'єм, ніж вода, з якої він утворився, гірські породи тріскаються і руйнуються.

Вода, що замерзає у тріщинах доріг, призводить до руйнування асфальтового покриття.

Довгі гребені, що нагадують складки, на стовбурах дерев - рани від розривів деревини під натиском дерева, що замерзає в ній, соку. Тому в холодні зими можна почути тріск дерев у парку чи лісі.

Вахрушєв А.А., Данилов Д.Д. Навколишній світ 3. М: Баллас.
Дмитрієва Н.Я., Козаков О.М. Навколишній світ 3. М.: ВД «Федоров».
Плешаков А.А.Навколишній світ 3. М.: Просвітництво.

Фестиваль педагогічних ідей ().
Наука та освіта ().
Відкритий клас ().

Складіть короткий тест (4 питання із трьома варіантами відповіді) на тему «Вода навколо нас».
Проведіть невеликий досвід: склянку з холодною водою поставте на стіл у теплій кімнаті. Опишіть, що відбуватиметься, поясніть чому.
*Намалюйте рух молекул води в нагрітому, нормальному та охолодженому стані. Якщо потрібно, зробіть підписи на малюнку.

Одна з найпоширеніших речовин Землі: вода. Вона, як і повітря, потрібна нам, але ми її часом зовсім не помічаємо. Вона просто їсти. Але, виявляється

Одна з найпоширеніших речовин Землі: вода. Вона, як і повітря, потрібна нам, але ми її часом зовсім не помічаємо. Вона просто їсти. Але, виявляється, звичайна вода може змінювати свій обсяг і важити більше, то менше. При випаровуванні води, її нагріванні та охолодженні відбуваються воістину дивовижні речі, про які ми дізнаємося сьогодні.
Мюріель Менделл у своїй цікавій книзі "Phycisc Experiments for Children" викладає найцікавіші думки про властивості води, на основі яких не тільки юні фізики можуть дізнатися чимало нового, але й дорослі освіжать свої знання, які давненько не доводилося застосовувати, тому вони виявилися трохи забутими.Сьогодні мова піде про обсяг та вагу води. Виявляється, той самий обсяг води не завжди важить однаково. І якщо налити воду в склянку і вона не проллється через край - це ще не означає, що вона поміститься в ній за будь-яких обставин.

1. При нагріванні вода збільшується в обсязі

Поставте наповнену водою банку в каструлю, наповнену сантиметрів на п'ять окропуводою і на слабкому вогні підтримуйте кипіння. Вода із банки почне переливатися через край. Це відбувається тому, що при нагріванні вода, подібно до інших рідин, починає займати більше простору. Молекули відштовхуються один від одного з більшою інтенсивністю, і це веде до збільшення об'єму води.

2. При охолодженні вода стискається

Дайте воді в банку охолонути за кімнатної температури, або налийте нову воду, і поставте її в холодильник. Через деякий час ви виявите, що повна перша банка вже не повна. При охолодженні до температури 3,89 градусів за Цельсієм вода зменшує свій обсяг у міру зниження температури. Причиною тому стало зниження швидкості руху молекул та їх зближення один з одним під впливом охолодження.Здавалося б, все дуже просто: чим холодніша вода, тим менший обсяг вона займає, але…

3. …обсяг води знову зростає при замерзанні

Наповніть банку водою до країв і накрийте шматком картону. Поставте її в морозилку та дочекайтеся замерзання. Ви виявите, що картонну кришку виштовхнуло. На температурному інтервалі між 3,89 і 0 градусів за Цельсієм, тобто на підході до точки замерзання, вода знову починає розширюватися. Вона є однією з небагатьох відомих речовин, що мають подібну властивість.Якщо використовувати щільну кришку, то крига просто рознесе банку. Чи доводилося вам чути, що навіть водопровідні труби може розірвати льодом?

4. Лід легший за воду

Покладіть пару кубиків льоду в склянку з водою. Лід плаватиме на поверхні. Вода при замерзанні збільшується обсягом. І, внаслідок цього, лід легший за воду: його обсяг становить близько 91% відповідного обсягу води.
Ця властивість води існує у природі не дарма. Він має цілком певне призначення. Говорять, що взимку річки замерзають. Але насправді це не зовсім правильно. Зазвичай замерзає лише невеликий верхній шар. Це крижаний покрив не тоне, оскільки він легший за рідку воду. Він уповільнює замерзання води на глибині річки і служить своєрідною ковдрою, оберігаючи риб та іншу річкову та озерну живність від лютих зимових морозів. Вивчаючи фізику, починаєш розуміти, що дуже багато в природі влаштовано доцільно.

5. Водопровідна вода містить мінерали

Влийте у невелику скляну миску 5 столових ложок звичайної водопровідної води. Коли вода випарується, на мисці залишиться біла облямівка. Ця облямівка сформована мінералами, які були розчинені у воді, коли вона проходила шари ґрунту.Подивіться всередину свого чайника, і ви побачите там мінеральний наліт. Такий же наліт утворюється на отворі для стоку води у ванні.Спробуйте випарувати дощову воду, щоб самостійно перевірити, чи містить вона мінерали.