Исследование свойств воды при кристаллизации
Вступление
Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете. Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле.
Введение
Большая часть поверхности Земли покрыта водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % – ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках, которые образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды.
Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, однако при температуре в 0 °C она переходит в твердое состояние – лед и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C.
Значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию».
Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.
Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды.
Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км³. Основные запасы льда сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).
В мировом океане вода солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе.
Кроме того, имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет.
Исследование свойств воды необходимо для человечества.
При этом процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней школе.
Актуальность работы использование на уроках физики, для знакомства учащихся со свойствами воды при кристаллизации.
Объектом исследования является кристаллизация воды.
Предмет исследования – изучения свойств воды при кристаллизации.
Цель работы провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.
Главной задачей является изучение свойств воды при кристаллизации.
Для решения главной задачи необходимо:
Теоретическая значимость работы заключается в систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.
Практическая значимость работы – изучение процесса кристаллизации воды во время проведение опытов, а также подготовка предложений по проведению опытов на уроках в средней школе.
1. Подготовка к исследованию
1.1 Анализ основных свойств воды
Вода является одним из самых удивительных веществ на планете Земля. Встретить воду можно практически везде в естественных условиях как на поверхности планеты, так и в ее недрах в трех возможных физических состояниях для веществ: жидкое, твердое, газообразное (то есть вода, лед, водяной пар).
Конечно, существуют вещества, которые можно получить в виде жидкости, твердого тела или газа. Однако, не существует подобного химического вещества, которое именно в естественных условиях встречается в указанных выше трех физических состояниях.
1.2 Значение кристаллизации воды для флоры и фауны
Мы любим снег не только за то, что он дарит нам великолепные зимние пейзажи. У нашей любви к снегу немало рациональных причин. «Снег на полях — хлеб в закромах», «Зима без снега – лето без хлеба», – справедливо утверждают старинные русские пословицы. Снежный покров — это огромный запас влаги, столь необходимый полям, в то же время это своеобразное гигантское одеяло, защищающее поверхность земли от холодных ветров. Академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что снежный покров — «не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка», весной он дает талые воды, насыщенные кислородом. Известно, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Недаром снежная мелиорация рассматривается сегодня как одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев.
Запасы снега существенно влияют на уровень воды в реках, определяют изменения климата на больших территориях.
Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере — от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений. Существует самая большая в мире гостиница, полностью сделанная изо льда и снега, находится она в шведской Лапландии в 200 километрах от Северного полярного круга.
Он служит основой зимних дорог и даже аэродромов.
Благодаря снегу мы каждый год любуемся сказочными зимними пейзажами, играем в снежки, строим снежные городки, крепости, катаемся на лыжах, санках, в снежном уборе приходит к нам прекрасный новогодний праздник.
Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.
Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями – обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.
1.3 Выбор и обоснование опытов для проведения исследования
Для проведения опытов с водой необходимо выбрать те, которые наиболее полно характеризуют и подтверждают свойства воды.
Проведенный анализ показал, что лучше всего это будет реализовано при выполнении следующих опытов:
2. Проведение исследования
2.1 Подготовка материальной части
Для проведения опытов были взяты:
2.2 Проведение опытов с описанием основных результатов
1. Замерзание соленой воды.
Налейте в две формочки воду – чистую и очень солёную. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая пресная вода превратилась в лёд, а солёная замёрзнет при очень сильном морозе.
Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды.
2. Расширение воды при замерзании.
Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставьте их на мороз. Замерзая, вода увеличивается в объёме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает даже в том случае, когда она заполнена наполовину. Пластиковая бутылка остаётся без видимых изменений.
При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.
Зимой из-за этого свойства воды происходят аварии на водопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текучей воды. Происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы, так как плотность льда – 917 кг/м3, а плотность воды – 1000 кг/м3, то есть объем увеличивается в 1,1 раза, что довольно существенно.
3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.
Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с солёным снегом. Сок замёрзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.
При смешивании соли со снегом наблюдается разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла. Поэтому при смешивании снега с солью происходит активный отбор тепла из сока и сок превращается в лед.
4. Замерзание мыльных пузырей.
Приготовьте мыльный раствор. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замёрз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур изнутри пузыря и снаружи возникает большая подъёмная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная плёнка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.
Таким образом, тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды.
5. Срастание сосульки.
Возьмите сосульку. Перекиньте через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лёд, проникает всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.
Это подтверждает свойство поглощения тепла большей массой льда.
Лед нарастает снизу, сразу над проволокой, так как стекающая вниз талая вода замерзает при соприкосновении с холодными стенками сосульки.
6. Скрип сухого снега.
Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните давить его ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите песок и вновь разотрите. Скрип исчез. В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.
7. Примерзание к поверхности.
Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1 к 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придётся поднять вместе с табуретом.
Это также подтверждает поглощение тепла из окружающей среды.
При смешивании соли со снегом происходит образование раствора, сопровождающееся сильным охлаждением вследствие большого поглощения теплоты льдом при его плавлении и солью при ее растворении. Так, например, температура смеси из 29 грамм соли и 100 грамм льда понижается до – 21°С. А если взять 143 грамма соли и 100 грамм льда, то температура может быть понижена до – 55°С.
2.3 Предложения по проведению опытов
Опыты по изучению свойств воды целесообразно проводить на уроках в средней и начальной школе.
При этом для детей начальной школы рекомендуется проведение опытов № 1 и 2 в домашних условиях под присмотром родителей.
Для учеников средней школы возможно проведение опытов № 3, 6 и 7 на уроках под руководством учителя, а опыты № 4 и 5 – факультативно или самостоятельно в домашних условиях.
Заключение
Таким образом, исследование свойств воды необходимо для человечества.
Процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней и начальной школе.
В работе удалось решить следующие задачи:
Значимость работы по систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли подтвердилась.
Разрушительное действие замерзающей воды
Мы уже упомянули, что вода при замерзании расширяется на 10% своего первоначального объема. Это расширение происходит с такой силой, что даже крепкие железные сосуды легко могут лопнуть.
При помощи следующего опыта это можно очень легко обнаружить.
Наполним доверху водой небольшой стальной цилиндр (рис. 40) с полостью А и шестиугольной головкой В. На открытом конце цилиндра, в углублении, вставлена пластинка С из тонкой листовой меди. На пластинке лежит крепкое металлическое кольцо, через которое передается давление от шестиугольной гайки Е, навинчивающейся на цилиндр. У гайки есть отверстие, равное отверстию кольца, так что середина наружной поверхности медной пластинки видна через кольцо и гайку. Гайка крепко прижимает пластинку к цилиндру и герметически закрывает полость А. Весь прибор помещаем в охлаждающую смесь, уже описанную выше, так чтобы сверху был виден только открытый конец цилиндра.
Рис.40. Прибор для наблюдения взрыва при замерзании воды
Вскоре цилиндр и вода внутри его охлаждаются до температуры замерзания и даже ниже. Вода стремится замерзнуть, но для этого необходим больший объем. Однако при данных условиях вода не имеет его и, следовательно, не может замерзнуть. Вследствие охлаждения молекулы стремятся расположиться в другом, новом порядке и все с возрастающей силой давят на стенки своей тюрьмы, пока не разобьют своих оков в наиболее слабом месте, а именно там, где находится тонкая медная пластинка. Когда она лопается, мы слышим громкий треск, который и указывает нам на ту громадную силу, с которой она разрывается.
Теперь, вследствие разрыва, полость открылась, и вода имеет достаточно места, чтобы замерзнуть. При этом лед не только заполняет всю полость цилиндра, но и выходит через отверстие в медной пластинке, так как объем льда более объема воды, в форме ледяного столбика, который выступает даже за пределы гайки.
В процессе разрушения больших гор важную роль играет разрушительная сила замерзающей воды. Снеговые и дождевые воды, проникая в трещины горы, замерзают там во время сильных морозов. При этом они расширяются с такой страшной силой, что скалы дают тысячи трещин.
Действие этой силы в меньшем масштабе замечается на водопроводных трубках, которые также лопаются в очень сильные морозы. Если при закрытых кранах вода плотно заключена в трубах, то она не сможет замерзнуть, если трубы крепки и могут препятствовать расширению воды. Если же сила расширения увеличится, то трубам или придется расшириться, или лопнуть. Вода при этом станет просачиваться через стенки труб лишь тогда, когда потеплеет, и лишь тогда можно найти порчу труб, хотя она могла произойти давно, во время мороза.
Тайна замерзания водоемов
Лёд на поверхности прудов и озёр — первый признак наступающей зимы. Толстая корка льда, по идее, должна быть тяжелее воды и опускаться на дно водоема. Но происходит все наоборот. Льдины легче, находятся на поверхности и не думают тонуть. Не было бы этого эффекта зимой, то и о катаниях на коньках не было бы и речи. Это всё ясно, но почему вода не замерзает под слоем льда?
Парадокс воды
Вода — одна из немногих субстанций в природе, которая при замерзании не сжимается, а расширяется. Соответственно при кристаллизации масса теряет в весе. Ученые рассчитали, что самую высокую плотность вода имеет при температуре +4 градуса Цельсия.
Как замерзает вода?
Практически все жидкости при охлаждении сжимаются, что приводит к сокращению их объема и увеличению концентрации. Например, твердый воск опускается на дно сосуда с расплавленным воском из-за более высокой массы. Точно так же ведет себя и вода, которую охлаждают до +4 градусов Цельсия. Она сжимается. Но после этой отметки происходит нечто странное. При дальнейшем замораживании, вода вдруг начинает расширяться и становиться менее плотной. Таким образом, лед, полученный заморозкой воды при 0 градусе Цельсия, оказывается легче незамерзшего слоя воды с температурой на 4-5 градуса выше нуля.
Сохранение плюсовой температуры в нижних слоях водоема дает возможность живым организмам выживать в условиях суровых зим. Ведь если бы этого эффекта не было, то вся фауна и флора погибла бы.
Разница кристаллизации воды и воска
Ледяной кубик воды имеет на поверхности небольшую выпуклость, что связано с процессом замерзания Н2О: с краев в середину. То есть вода в центре кристаллизуется в самую последнюю очередь и за счет давления выдавливает корку наружу.
Воск замерзает в точности наоборот и образует вогнутую поверхность, что связано с процессом равномерного сжатия при кристаллизации.
Уважаемые читатели!
Спасибо, что читаете наш блог! Получайте самые интересные публикации раз в месяц оформив подписку. Новым читателям предлагаем попробовать нашу воду бесплатно, при первом заказе выберите 12 бутылок (2 упаковки) минеральной воды BioVita или питьевой воды Stelmas. Операторы свяжутся с Вами и уточнят детали. Тел. 8 (800) 100-15-15
* Акция для Москвы, МО, Санкт-петербурга, ЛО
Расширение воды при замерзании
Для изучения данного явления в домашних условиях используем обычную консервную банку. В данной банке изначально было концентрированное молоко, которое было вылито через два аккуратно пробитых отверстия. Затем в банку заливается вода – так, чтобы внутри не осталось воздуха. Проще всего это сделать, погрузив ее в кастрюлю с водой. Когда из банки перестанет выходить воздух, она будет полностью заполнена водой.
После этого аккуратно запаиваем отверстия и помещаем нашу банку в морозильную камеру (зимой можно на улицу). Если подождать день-два, то станет хорошо заметно, как расширившаяся вода (лед) выдавила нижнюю крышку банки.
В качестве домашнего задания предлагаю следующие вопросы:
1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю? (хорошо видно на видео)
2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить? Если повторить такую процедуру несколько раз?
Подозреваю, что в результате того, что лед легче незамерзшей воды, первые кристаллы льда всплывают, комбинируясь друг с другом и в верхней части замерзание происходит быстрее.
Стоит отметить, что с другой стороны, есть конвекция, которая будет действовать ровно наоборот, поднимая более теплую воду наверх, и препятствуя там ледообразованию. Однако мне кажется, что при медленном равномерном промерзании этот эффект нивелируется.
Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.
Согласен. Идеальное запаивание тут не получается. Так, наляпывание припоя сверху, лишь бы вода не вытекала. Кстати, в месте пайки действительно образуется водяной пар при нагреве паяльником.
Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.
Если бы баночка была абсолютно герметична – тогда да, вдавилась бы боковая стенка. А так все равно воздух проникает. Поэтому после разморозки получается, что сверху появляется воздух, во время заморозки дно выдавливается еще сильнее, и так далее, пока совсем его не вырвет.
Давление вычислит можно по p1/p2 = ((n вода)/(n лед))*T1/T2
Выдавится всегда нижняя крышка, разве что банка будет замерзать в условии постоянного вращения. Или в условии отсутствия воздействия гравитации.
Что-бы получить температуру льда для уравнения выше, мерим температуру банки, Q1=Q2, Q1=c*m*dT (банка)
Q2=c2*m2*dT2 + dL*m + c3*m2*dT3
вода охлаждается + вода кристаллизуется + лед охлаждается
dT3 = (c*m*dT-c2*m2*dT2-dL*m)/(c3*m2)
Вроде бы и все.
Получите p2, который будет равен величине давления, необходимого что-бы выдавить вашу банку на сколько-то.
В упрощенной форме эта задача выглядит так, и результат не абсолютно точен. Для точности тут надо было-бы проинтегрировать, да думаю это перебор.
# физика | Почему вода легче… воды?
Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.
Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.
1. При нагревании вода увеличивается в объеме
Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.
2. При охлаждении вода сжимается
Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.
Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…
3. …объем воды вновь возрастает при замерзании
Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.
Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?
4. Лед легче воды
Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.
Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.
5. Водопроводная вода содержит минералы
Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.
Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.
Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.
Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую сахарную радугу.
