Zašto led pluta u vodi? Zašto led ne tone u vodi Zašto je led lakši od tečne vode

Niko ne sumnja da led pluta na vodi; svi su to vidjeli stotine puta i na bari i na rijeci.

Ali koliko je ljudi razmišljalo o ovom pitanju: da li se sve čvrste materije ponašaju na isti način kao led, odnosno plutaju u tečnostima koje nastaju kada se otape?

Rastopite parafin ili vosak u tegli i bacite još jedan komad iste čvrste supstance u ovu tečnost, odmah će potonuti. Isto će se dogoditi i sa olovom, i sa kalajem, i sa mnogim drugim supstancama. Ispada, po pravilu, čvrste materije uvijek se udavi u tekućinama koje nastaju kada se tope.

Rukujući vodom najčešće, toliko smo navikli na suprotnu pojavu da često zaboravljamo na ovo svojstvo, karakteristično za sve druge supstance. Mora se imati na umu da je voda rijedak izuzetak u tom pogledu. Samo se metalni bizmut i liveno gvožđe ponašaju na isti način kao voda.

Kada bi led bio teži od vode i ne bi se zadržavao na njegovoj površini, već bi tonuo, onda bi se i u dubokim rezervoarima voda zimi potpuno smrznula. U stvari, led koji pada na dno ribnjaka pomjerio bi donje slojeve vode prema gore, a to bi se dešavalo sve dok se sva voda ne pretvori u led.

Međutim, kada se voda smrzne, događa se suprotno. U trenutku kada se voda pretvori u led, njen volumen se iznenada povećava za oko 10 posto, čineći led manje gustim od vode. Zato pluta u vodi, kao što svako tijelo pluta u tečnosti velike gustine: gvozdeni ekser u živi, čep u ulju, itd. Ako pretpostavimo da je gustina vode jednaka jedinici, tada će gustina vode biti jednaka jedinici. led će biti samo 0,91. Ova brojka nam omogućava da saznamo debljinu ledene plohe koja pluta na vodi. Ako je visina ledene lamele iznad vode, na primjer, 2 centimetra, onda možemo zaključiti da je podvodni sloj ledene površine 9 puta deblji, odnosno jednak 18 centimetara, a cijela ledenica 20 centimetara debljine.

U morima i okeanima ponekad postoje ogromne ledene planine - sante leda (slika 4). Riječ je o glečerima koji su skliznuli sa polarnih planina i odneseni strujom i vjetrom u otvoreno more. Njihova visina može doseći 200 metara, a zapremina nekoliko miliona. kubnih metara. Devet desetina ukupne mase sante leda skriveno je pod vodom. Stoga je susret s njim veoma opasan. Ako brod ne primijeti na vrijeme ledenog diva u pokretu, može pretrpjeti ozbiljna oštećenja ili čak poginuti u sudaru.

Naglo povećanje zapremine tokom prelaska tekuće vode u led je važna karakteristika vode. Ova karakteristika se često mora uzeti u obzir u praktičan život. Ako ostavite bure vode na hladnom, voda će se smrznuti i bure puknuti. Iz istog razloga ne biste trebali ostavljati vodu u hladnjaku automobila parkiranog u hladnoj garaži. U teškim mrazima morate biti oprezni s najmanjim prekidom u opskrbi toplom vodom kroz cijevi za grijanje vode: voda koja se zaustavila u vanjskoj cijevi može se brzo smrznuti, a zatim će cijev puknuti.

Smrznuvši se u pukotinama stijena, voda često uzrokuje rušenje planina.

Razmotrimo sada jedan eksperiment koji je direktno povezan sa širenjem vode kada se zagrije. Za postavljanje ovog eksperimenta potrebna je posebna oprema i malo je vjerovatno da bi je bilo koji čitatelj mogao reproducirati kod kuće. Da, ovo nije nužnost; Iskustvo je lako zamisliti, a njegove rezultate ćemo pokušati potvrditi na primjerima koji su svima poznati.

Uzmimo vrlo jak metal, po mogućnosti čelični cilindar (slika 5), sipamo malo sačme na dno, napunimo ga vodom, pričvrstimo poklopac vijcima i počnemo okretati vijak. Budući da se voda vrlo malo kompresuje, nećete morati dugo okretati vijak. Nakon samo nekoliko okretaja, tlak unutar cilindra raste na stotine atmosfera. Ako sada ohladite cilindar čak 2-3 stepena ispod nule, voda u njemu se neće smrznuti. Ali kako možete biti sigurni u ovo? Ako otvorimo cilindar, tada će se na ovoj temperaturi i atmosferskom pritisku voda momentalno pretvoriti u led, a mi nećemo znati da li je bila tečna ili čvrsta kada je bila pod pritiskom. Tu će nam pomoći posuti peleti. Kada se cilindar ohladi, okrenite ga naopako. Ako je voda zamrznuta, sačma će ležati na dnu; ako nije zamrznuta, sačma će se skupiti na poklopcu. Hajde da odvrnemo šraf. Pritisak će pasti i voda će se definitivno smrznuti. Nakon uklanjanja poklopca, uvjeravamo se da se sav hitac skupio u blizini poklopca. To znači da se voda pod pritiskom nije smrzavala na temperaturama ispod nule.

Iskustvo pokazuje da se tačka smrzavanja vode smanjuje sa povećanjem pritiska za otprilike jedan stepen na svakih 130 atmosfera.

Kada bismo svoje razmišljanje počeli zasnivati na zapažanjima mnogih drugih supstanci, morali bismo doći do suprotnog zaključka. Pritisak obično pomaže tečnosti da se stvrdnu: pod pritiskom tečnosti se smrzavaju na višoj temperaturi, a to nije iznenađujuće ako se setite da većina supstanci smanjuje zapreminu kada se stvrdne. Pritisak uzrokuje smanjenje volumena i to olakšava prijelaz tekućine u čvrsto stanje. Kada se voda stvrdne, kao što već znamo, ona se ne smanjuje u volumenu, već se, naprotiv, širi. Zbog toga pritisak, sprečavajući širenje vode, snižava njenu tačku smrzavanja.

Poznato je da je u okeanima na velikim dubinama temperatura vode ispod nule stepeni, a ipak voda na tim dubinama se ne smrzava. To se objašnjava pritiskom koji stvaraju gornji slojevi vode. Sloj vode debeo jedan kilometar pritiska silom od oko stotinu atmosfera.

Da je voda normalna tečnost, teško da bismo doživjeli užitak klizanja na ledu. To bi bilo isto kao valjanje po savršeno glatkom staklu. Klizaljke ne klize po staklu. Na ledu je sasvim druga stvar. Klizanje na ledu je veoma lako. Zašto? Pod težinom našeg tijela, tanka oštrica klizaljke proizvodi prilično jak pritisak na led, a led ispod klizaljke se topi; formira se tanak film vode, koji služi kao odlično mazivo.

Mala djeca vrlo često postavljaju zanimljiva pitanja odraslima, na koja ne mogu uvijek odgovoriti odmah. Kako vašem djetetu ne bi izgledalo glupo, preporučujemo vam da se upoznate sa potpunim i detaljnim, utemeljenim odgovorom u vezi s plovnošću leda. Na kraju krajeva, pluta, a ne da se davi. Zašto se ovo dešava?

Kako djetetu objasniti složene fizičke procese?

Prva stvar koja pada na pamet je gustina. Da, u stvari, led pluta jer je manje gust od . Ali kako objasniti djetetu šta je denzitet? Reci mu školski program niko nije dužan, ali sasvim je moguće sve svesti na to. Uostalom, u stvari, isti volumen vode i leda imaju različite težine. Ako detaljnije proučimo problem, osim gustine možemo navesti još nekoliko razloga.
ne samo zato što njegova smanjena gustina sprečava da tone niže. Razlog je i to što su mali mjehurići zraka zamrznuti u ledu. Oni također smanjuju gustoću, pa se stoga, općenito, ispostavlja da težina ledene ploče postaje još manja. Kada se led širi, on ne uzima više zraka, ali svi oni mjehurići koji su već unutar ovog sloja ostaju tamo dok se led ne počne topiti ili sublimirati.

Provođenje eksperimenta o sili širenja vode

Ali kako možete dokazati da se led zapravo širi? Uostalom, i voda se može širiti, kako to možemo dokazati veštački uslovi? Možete provesti zanimljiv i vrlo jednostavan eksperiment. Da biste to učinili, trebat će vam plastična ili kartonska čaša i voda. Količina ne mora biti velika, ne morate čašu puniti do vrha. Takođe, idealno vam je potrebna temperatura od oko -8 stepeni ili niža. Ako je temperatura previsoka, iskustvo će trajati nerazumno dugo.
Dakle, voda se sipa unutra, trebamo pričekati da se stvori led. Pošto smo odabrali optimalnu temperaturu na kojoj će se mala količina tečnosti pretvoriti u led u roku od dva do tri sata, možete bezbedno ići kući i čekati. Morate sačekati dok se sva voda ne pretvori u led. Nakon nekog vremena gledamo rezultat. Čaša koja je deformisana ili poderana ledom je zagarantovana. Na nižoj temperaturi efekti izgledaju impresivnije, a sam eksperiment traje manje vremena.

Negativne posljedice

Ispostavilo se da jednostavan eksperiment potvrđuje da se ledeni blokovi zaista šire kada se temperatura smanji, a volumen vode se lako povećava kada se smrzava. Po pravilu, ova karakteristika donosi mnogo problema zaboravnim ljudima: boca šampanjca ostavljena na balkonu ispod Nova godina dugo vremena, lomi zbog izlaganja ledu. Pošto je sila ekspanzije veoma velika, na nju se ne može uticati ni na koji način. Pa, što se tiče plovnosti ledenih blokova, tu se nema šta dokazivati. Najradoznaliji mogu lako sami izvesti sličan eksperiment u proljeće ili jesen, pokušavajući utopiti komade leda u velikoj lokvi.

Polarni ledeni blokovi i sante leda lebde u okeanu, a čak ni u pićima led nikada ne tone na dno. Možemo zaključiti da led ne tone u vodi. Zašto? Ako razmislite o tome, ovo pitanje može izgledati malo čudno, jer je led čvrst i - intuitivno - trebao bi biti teži od tekućine. Iako ova izjava vrijedi za većinu tvari, voda je izuzetak od pravila. Ono što razlikuje vodu i led jesu vodonične veze, koje čine led lakšim u čvrstom stanju nego kada je u tekućem stanju.

Naučno pitanje: zašto led ne tone u vodi?

Zamislimo da smo na lekciji koja se zove " Svijet"u 3. razredu. “Zašto led ne tone u vodi?”, pita učiteljica djecu. I djeca, bez dubokog poznavanja fizike, počinju rasuđivati. "Možda je ovo magija?" - kaže jedno od dece.

Zaista, led je krajnje neobičan. Drugih praktično nema prirodne supstance, koji bi u čvrstom stanju mogao plivati na površini tekućine. Ovo je jedno od svojstava koja vodu čini takvom neobična supstanca i, doduše, upravo to mijenja evolucijske puteve planeta.

Postoje neke planete koje sadrže ogromne količine tekućih ugljikovodika kao što je amonijak - međutim, kada se ovaj materijal smrzne, tone na dno. Razlog zašto led ne tone u vodi je taj što se voda kada se smrzava širi, a istovremeno mu se smanjuje gustina. Zanimljivo je da širenje leda može razbiti kamenje - proces glacijacije vode je tako neobičan.

Naučno govoreći, proces zamrzavanja postavlja brze cikluse vremenskih uslova i određene hemikalije koje se oslobađaju na površini mogu rastvoriti minerale. Općenito, zamrzavanje vode je povezano sa sljedećim procesima i mogućnostima: fizička svojstva druge tečnosti se ne preporučuju.

Gustina leda i vode

Dakle, odgovor na pitanje zašto led ne tone u vodi već lebdi na površini je da ima manju gustinu od tečnosti - ali ovo je odgovor prvog nivoa. Da biste bolje razumjeli, morate znati zašto led ima malu gustinu, zašto stvari uopće lebde i kako gustina uzrokuje plutanje.

Sjetimo se grčkog genija Arhimeda, koji je otkrio da se nakon potapanja određenog predmeta u vodu volumen vode povećava za broj jednak zapremini uronjenog predmeta. Drugim riječima, ako stavite duboku posudu na površinu vode, a zatim u nju stavite težak predmet, zapremina vode koja se ulije u posudu bit će potpuno jednaka zapremini predmeta. Nije bitno da li je predmet potpuno ili djelomično uronjen.

Svojstva vode

Voda je nevjerovatna supstanca koja uglavnom hrani život na zemlji, jer je potrebna svakom živom organizmu. Jedno od najvažnijih svojstava vode je da ima najveću gustinu na 4°C. Dakle, topla voda ili led su manje gustoće od hladne vode. Manje guste tvari lebde na vrhu gušćih tvari.

Na primjer, kada pripremate salatu, možete primijetiti da se ulje nalazi na površini octa - to se može objasniti činjenicom da ima manju gustoću. Isti zakon vrijedi i za objašnjenje zašto led ne tone u vodi, ali tone u benzinu i kerozinu. Samo ove dvije supstance imaju manju gustoću od leda. Dakle, ako bacite loptu na naduvavanje u bazen, ona će plutati na površini, ali ako bacite kamen u vodu, ona će potonuti na dno.

Koje promjene se dešavaju s vodom kada se smrzne?

Razlog zašto led ne tone u vodi su vodonične veze, koje se mijenjaju kada se voda smrzava. Kao što znate, voda se sastoji od jednog atoma kiseonika i dva atoma vodika. Spojeni su kovalentnim vezama koje su nevjerovatno jake. Međutim, druga vrsta veze koja se formira između različitih molekula, nazvana vodikova veza, je slabija. Ove veze nastaju jer se pozitivno nabijeni atomi vodika privlače negativno nabijenim atomima kisika susjednih molekula vode.

Kada je voda topla, molekuli su veoma aktivni, mnogo se kreću i brzo formiraju i prekidaju veze sa drugim molekulima vode. Imaju energiju da se približe jedno drugom i brzo se kreću. Pa zašto led ne tone u vodi? Hemija krije odgovor.

Fizičko-hemija leda

Kako temperatura vode padne ispod 4°C, kinetička energija tekućine se smanjuje, tako da se molekuli više ne kreću. Oni nemaju energiju da se kreću i raskinu i formiraju veze tako lako kao na visokim temperaturama. Umjesto toga, oni stvaraju više vodikovih veza s drugim molekulima vode kako bi formirali heksagonalne strukture rešetke.

Oni formiraju ove strukture kako bi držali negativno nabijene molekule kisika podalje jedni od drugih. U sredini šesterokuta nastalih kao rezultat aktivnosti molekula, puno je praznine.

Led tone u vodi - razlozi

Led je zapravo 9% manje gustoće od tekuće vode. Dakle, led zauzima više prostora od vode. Praktično, ovo ima smisla jer se led širi. Zbog toga se ne preporučuje zamrzavanje staklene boce vode - smrznuta voda može stvoriti velike pukotine čak i na betonu. Ako imate litarsku flašu leda i litarsku flašu vode, tada će flaša s ledenom vodom biti lakša. Molekuli su u ovom trenutku udaljeniji nego kada je supstanca u tečnom stanju. Zbog toga led ne tone u vodi.

Kako se led topi, stabilna kristalna struktura se raspada i postaje gušća. Kada se voda zagrije do 4°C, dobija energiju i molekuli se kreću brže i dalje. Zbog toga topla voda zauzima više prostora od hladne vode i pliva na vrhu hladne vode - manje je gustoće. Zapamtite, kada ste na jezeru, dok plivate, gornji sloj vode je uvijek prijatan i topao, ali kada stavite stopala dublje, osjećate hladnoću donjeg sloja.

Značaj procesa u funkcionisanju planete

Uprkos činjenici da je pitanje "Zašto led ne tone u vodi?" za razred 3, veoma je važno razumjeti zašto se ovaj proces dešava i šta to znači za planetu. Dakle, uzgon leda ima važne posljedice za život na Zemlji. zimi na hladnim mjestima - to omogućava ribama i drugim vodenim životinjama da prežive pod ledenim pokrivačem. Ako bi dno bilo zaleđeno, postoji velika vjerovatnoća da bi cijelo jezero moglo biti zaleđeno.

U takvim uslovima, ni jedan organizam ne bi ostao živ.

Kada bi gustina leda bila veća od gustine vode, onda bi led u okeanima potonuo, a ledene kape, koje bi u ovom slučaju bile na dnu, ne bi dozvolile nikome da tamo živi. Dno okeana bi bilo puno leda - i u šta bi se sve to pretvorilo? Između ostalog, polarni led je važan jer odbija svjetlost i sprječava pregrijavanje planete Zemlje.

Led i voda.
Poznato je da komad leda stavljen u čašu vode ne tone. To se događa zato što na led djeluje sila uzgona iz vode.

Rice. 4.1. Led u vodi.

Kao što se može videti sa sl. 4.1, sila uzgona je rezultanta sila pritiska vode koje djeluju na površinu potopljenog dijela leda (zasjenjeno područje na slici 4.1). Led pluta na vodi jer je sila gravitacije koja ga vuče na dno uravnotežena silom uzgona.
Zamislimo da u čaši nema leda, a zasjenjeno područje na slici je ispunjeno vodom. Ovdje neće biti interfejsa između vode koja se nalazi unutar ovog područja i izvan njega. Međutim, u ovom slučaju, sila uzgona i sila gravitacije koja djeluje na vodu koja se nalazi u zasjenjenom području uravnotežuju jedna drugu. Budući da u oba slučaja o kojima smo gore govorili, sila uzgona ostaje nepromijenjena, to znači da je sila gravitacije koja djeluje na komad leda i na vodu unutar gornje regije ista. Drugim riječima, imaju jednaku težinu. Takođe je tačno da je masa leda jednaka masi vode u zasjenjenom području.
Nakon što se otopi, led će se pretvoriti u vodu iste mase i ispuniti volumen jednak volumenu zasjenjenog područja. Stoga se nivo vode u čaši s vodom i komadu leda neće promijeniti nakon što se led otopi.
Tečno i čvrsto stanje.
Sada znamo da je zapremina komada leda veća od zapremine koju zauzima voda jednake mase. Odnos mase supstance i zapremine koju zauzima naziva se gustina supstance. Stoga je gustina leda manja od gustine vode. Njihove numeričke vrijednosti, mjerene na 0 °C, su: za vodu - 0,9998, za led - 0,917 g/cm3. Kada se zagrije, ne samo led, već i druge čvrste tvari postižu određenu temperaturu na kojoj počinje njihov prijelaz u tekuće stanje. Ako se čista tvar topi, njena temperatura neće početi rasti kada se zagrije sve dok njena cijela masa ne pređe u tekuće stanje. Ova temperatura se naziva tačka topljenja date supstance. Kada se topljenje završi, zagrijavanje će uzrokovati daljnji porast temperature tekućine. Ako se tečnost ohladi, snižavajući temperaturu do tačke topljenja, ona će početi da se pretvara u čvrsto stanje.
Za većinu tvari, za razliku od leda i vode, gustina u čvrstom stanju je veća nego u tekućem stanju. Na primjer, argon, obično u plinovitom stanju, stvrdnjava se na temperaturi od -189,2 °C; gustina čvrstog argona je 1,809 g/cm3 (u tečnom stanju gustina argona je 1,38 g/cm3). Dakle, ako uporedimo gustinu supstance u čvrstom stanju na temperaturi blizu tačke topljenja sa njenom gustinom u tekućem stanju, ispada da se u slučaju argona ona smanjuje za 14,4%, a u slučaju natrijum - za 2,5%.
Promjena gustine tvari nakon prolaska kroz tačku topljenja za metale je obično mala, s izuzetkom aluminija i zlata (0 odnosno 5,3%). Za sve ove tvari, za razliku od vode, proces skrućivanja počinje ne na površini, već na dnu.
Međutim, postoje metali čija se gustina smanjuje prelaskom u čvrsto stanje. To uključuje antimon, bizmut, galijum, za koje je ovo smanjenje 0,95, 3,35 i 3,2%. Galijum, čija je tačka topljenja -29,8 °C, zajedno sa živom i cezijumom pripada klasi topljivih metala.
Razlika između čvrstog i tekućeg agregatnog stanja.
U čvrstom stanju, za razliku od tekućeg, molekuli koji čine supstancu su raspoređeni na uredan način.

Rice. 4.2. Razlika između tečnog i čvrstog agregatnog stanja

Na sl. Slika 4.2 (desno) prikazuje primjer gustog pakiranja molekula (konvencionalno prikazanih u krugovima), karakterističnog za supstancu u čvrstom stanju. Pored nje je neuređena struktura karakteristična za tečnost. U tekućem stanju, molekule se nalaze na većoj udaljenosti jedna od druge, imaju veću slobodu kretanja, a kao rezultat toga, tvar u tekućem stanju lako mijenja svoj oblik, odnosno ima svojstvo fluidnosti.
Fluidne tvari, kao što je gore navedeno, karakteriziraju nasumični raspored molekula, ali nisu sve tvari takve strukture sposobne za protok. Primjer je staklo čiji su molekuli raspoređeni nasumično, ali nema fluidnost.
Kristalne tvari su tvari čiji su molekuli raspoređeni na uredan način. U prirodi postoje tvari čiji kristali imaju karakterističan izgled. To uključuje kvarc i led. Tvrdi metali kao što su željezo i olovo ne pojavljuju se u prirodi u obliku velikih kristala. Međutim, proučavanjem njihove površine pod mikroskopom moguće je razlikovati nakupine malih kristala, kao što se može vidjeti na fotografiji (slika 4.3).

Rice. 4.3. Mikrofotografija površine gvožđa.

Postoje posebne metode koje omogućavaju dobivanje velikih kristala metalnih tvari.
Bez obzira na veličinu kristala, ono što im je zajedničko je uređen raspored molekula. Takođe ih karakteriše postojanje potpuno određene tačke topljenja. To znači da se temperatura tijela koje se topi ne povećava kada se zagrijava dok se potpuno ne otopi. Staklo, za razliku od kristalnih tvari, nema određenu tačku topljenja: kada se zagrije, postepeno omekšava i pretvara se u običnu tekućinu. Dakle, tačka topljenja odgovara temperaturi na kojoj je uređeni raspored molekula uništen i kristalna struktura postaje neuređena. U zaključku, napominjemo još jedno zanimljivo svojstvo stakla, koje se objašnjava nedostatkom kristalne strukture: primjenom dugotrajne vlačne sile na njega, na primjer, u periodu od 10 godina, uvjerit ćemo se da staklo teče kao obicna tecnost.
Pakovanje molekula.
Koristeći X-zrake i elektronske zrake, možemo proučavati kako su molekuli raspoređeni u kristalu. U rendgensko zračenje Talasna dužina je mnogo kraća od talasne dužine vidljive svjetlosti, tako da se može prelomiti geometrijski pravilnom kristalnom strukturom atoma ili molekula. Snimanjem uzorka difrakcije na fotografskoj ploči (slika 4.4), moguće je utvrditi raspored atoma u kristalu. Koristeći istu metodu za tečnosti, možete osigurati da su molekuli u njima raspoređeni na neuređen način.

Rice. 4.4. Difrakcija rendgenskih zraka na periodičnoj strukturi.
Rice. 4.5. Dva načina za čvrsto pakovanje loptica.

Molekuli čvrste supstance u kristalnom stanju raspoređeni su na prilično složen način jedni u odnosu na druge. Struktura tvari koje se sastoje od atoma ili molekula istog tipa izgleda relativno jednostavno, kao što je kristal argona prikazan na Sl. 4.5 (lijevo), gdje su atomi konvencionalno označeni kuglicama. Određeni prostor možete gusto popuniti kuglicama na razne načine. Ovako gusto pakiranje moguće je zbog prisutnosti međumolekularnih privlačnih sila, koje teže da rasporede molekule tako da volumen koji zauzimaju bude minimalan. Međutim, u stvarnosti struktura na Sl. 4.5 (desno) se ne pojavljuje; Nije lako objasniti ovu činjenicu.
Budući da je prilično teško zamisliti različite načine postavljanja loptica u svemir, razmotrimo kako se novčići mogu čvrsto poredati na ravni.

Rice. 4.6. Uredan raspored kovanica u avionu.

Na sl. 4.6 prikazuje dvije takve metode: u prvom, svaki molekul je u kontaktu sa četiri susjedna, čiji su centri vrhovi kvadrata sa stranicom d, gdje je d prečnik novčića; kod drugog svaki novčić dolazi u dodir sa šest susjednih. Isprekidane linije na slici označavaju površinu koju zauzima jedan novčić. U prvom slučaju
jednako je d 2, i opet je ova površina manja i jednaka je √3d 2 /2.
Drugi način postavljanja novčića značajno smanjuje jaz između njih.
Molekul unutar kristala. Svrha proučavanja kristala je da se utvrdi kako su molekuli raspoređeni u njima. Kristali metala poput zlata, srebra i bakra strukturirani su slično kristalima argona. U slučaju metala, treba govoriti o uređenom rasporedu jona, a ne molekula. Atom bakra, na primjer, gubi jedan elektron i postaje negativno nabijeni ion bakra. Elektroni se slobodno kreću između jona. Ako se ioni konvencionalno predstavljaju kao sfere, dobijamo strukturu koju karakteriše blisko pakovanje. Kristali metala kao što su natrij i kalij po strukturi su nešto drugačiji od bakra. Molekuli CO 2 i organskih jedinjenja, koji se sastoje od različitih atoma, ne mogu se predstaviti u obliku loptica. Kada pređu u čvrsto stanje, formiraju izuzetno složenu kristalnu strukturu.

Rice. 4.7. Kristal suvog leda (velike velike kugle - atomi ugljika)

Na sl. Slika 4.7 prikazuje kristale čvrstog CO2, koji se nazivaju suvi led. Dijamant koji nije hemijsko jedinjenje, također ima posebnu strukturu, jer se između atoma ugljika formiraju hemijske veze.
Gustina tečnosti. Nakon prijelaza u tekuće stanje, molekularna struktura tvari postaje poremećena. Ovaj proces može biti praćen i smanjenjem i povećanjem volumena koji zauzima određena tvar u prostoru.

Rice. 4.8. Modeli od opeke koji odgovaraju strukturi vode i čvrstih materija.

Kao ilustraciju, razmotrite ono što je prikazano na sl. 4.8 zgrada od cigle. Neka svaka cigla odgovara jednom molekulu. Zgrada od cigle uništena zemljotresom pretvara se u gomilu cigli čije su dimenzije manje od veličine zgrade. Međutim, ako su sve cigle uredno složene jedna na drugu, količina prostora koju zauzimaju će postati još manja. Sličan odnos postoji između gustine supstance u čvrstom i tekućem stanju. Kristali bakra i argona mogu se uskladiti sa gustim pakiranjem opeke na slici. Tečno stanje u njima odgovara gomili cigli. Prijelaz iz čvrstog u tečnost u ovim uvjetima je praćen smanjenjem gustine.
U isto vrijeme, prijelaz iz kristalne strukture s velikim međumolekularnim razmacima (što odgovara zgradi od cigle) u tekuće stanje je praćen povećanjem gustoće. Međutim, u stvarnosti, mnogi kristali zadržavaju velike međumolekularne udaljenosti tokom prijelaza u tekuće stanje.
Antimon, bizmut, galijum i drugi metali, za razliku od natrijuma i bakra, ne karakteriše gusto pakovanje. Zbog velikih međuatomskih udaljenosti tokom prelaska u tečnu fazu, njihova gustina raste.

Struktura leda.
Molekul vode sastoji se od atoma kisika i dva atoma vodika koji se nalaze na suprotnim stranama. Za razliku od molekula ugljen-dioksid, u kojem se atom ugljika i dva atoma kisika nalaze duž jedne prave linije, u molekuli vode linije koje povezuju atom kisika sa svakim od atoma vodika čine ugao od 104,5° jedna s drugom. Stoga postoje sile interakcije između molekula vode koje imaju elektricne prirode. Osim toga, zbog posebnih svojstava atoma vodika, kada voda kristalizira, ona formira strukturu u kojoj je svaki molekul povezan s četiri susjedna. Ova struktura je na pojednostavljen način predstavljena na Sl. 4.9. Velike kuglice predstavljaju atome kiseonika, male crne kuglice predstavljaju atome vodonika.

Rice. 4.9. Kristalna struktura leda.

U ovoj strukturi se ostvaruju velike međumolekularne udaljenosti. Stoga, kada se led otopi i struktura se uruši, volumen po molekulu se smanjuje. To dovodi do činjenice da je gustina vode veća od gustine leda i led može plutati na vodi.

Studija 1
ZAŠTO JE GUSTINA VODE NAJVEĆA NA 4 °C?

Vodikova veza i termičko širenje. Kada se led topi, pretvara se u vodu, koja ima veću gustinu od leda. Sa daljim povećanjem temperature vode, njena gustina se povećava sve dok temperatura ne dostigne 4 °C. Ako je na 0°C gustina vode 0,99984 g/cm3, onda je na 4°C 0,99997 g/cm3. Daljnji porast temperature uzrokuje smanjenje gustine i na 8°C opet će imati istu vrijednost kao na 0°C.

Rice. 4.10. Kristalna struktura leda (velike kugle su atomi kiseonika).

Ovaj fenomen je zbog prisustva kristalne strukture u ledu. To je prikazano na slici 1 sa svim detaljima. 4.10, gdje su radi jasnoće atomi prikazani kao kuglice, a hemijske veze su označene punim linijama. Karakteristika strukture je da se atom vodika uvijek nalazi između dva atoma kisika, budući da se nalazi bliže jednom od njih. Dakle, atom vodika pospješuje silu prianjanja između dva susjedna molekula vode. Ova sila prianjanja naziva se vodikovom vezom. Budući da se vodikove veze javljaju samo u određenim smjerovima, raspored molekula vode u komadu leda je blizak tetraedarskom. Kada se led topi i pretvara u vodu, značajan dio vodikovih veza se ne razara, zbog čega je očuvana struktura bliska tetraedarskoj sa svojim karakterističnim velikim međumolekularnim razmacima. Sa povećanjem temperature, brzina translacije i rotaciono kretanje molekula, uslijed čega se prekidaju vodikove veze, smanjuje se međumolekularna udaljenost i povećava gustoća vode.
Međutim, paralelno s ovim procesom, kako temperatura raste, dolazi do toplinskog širenja vode, što uzrokuje smanjenje njene gustoće. Uticaj ova dva faktora dovodi do toga da se maksimalna gustina vode postiže na 4 °C. Na temperaturama iznad 4°C faktor povezan s toplinskim širenjem počinje dominirati i gustoća ponovo opada.

Studija 2
LED NA NISKIM TEMPERATURAMA ILI VISOKOM PRITISKU

Sorte leda. Pošto se međumolekularne udaljenosti povećavaju tokom kristalizacije vode, gustina leda je manja od gustine vode. Ako je komad leda podvrgnut visokom pritisku, može se očekivati da će se međumolekularna udaljenost smanjiti. Zaista, izlaganjem leda na 0°C pritisku od 14 kbara (1 kbar = 987 atm), dobijamo led drugačije kristalne strukture, čija je gustina 1,38 g/cm3. Ako se voda pod takvim pritiskom ohladi na određenu temperaturu, to će početi
kristalizirati. Budući da je gustina takvog leda veća od gustine vode, kristali se ne mogu zadržati na njegovoj površini i potonuti na dno. Tako voda u posudi kristalizira, počevši od dna. Ova vrsta leda se naziva led VI; običan led - led I.
Pri pritisku od 25 kbara i temperaturi od 100 ° C, voda se stvrdnjava, pretvarajući se u led VII gustine 1,57 g/cm3.

Rice. 4.11. Dijagram stanja vode.

Promjenom temperature i pritiska možete dobiti 13 vrsta leda. Područja promjene parametara prikazana su na dijagramu stanja (slika 4.11). Iz ovog dijagrama možete odrediti koja vrsta leda odgovara datoj temperaturi i pritisku. Pune linije odgovaraju temperaturama i pritiscima pri kojima koegzistiraju dvije različite strukture leda. Led VIII ima najveću gustinu od 1,83 g/cm3 među svim vrstama leda.
Pri relativno niskom pritisku, 3 kbara, nalazi se led II, čija je gustina takođe veća od gustine vode i iznosi 1,15 g/cm3. Zanimljivo je napomenuti da na temperaturi od -120 °C kristalna struktura nestaje i led prelazi u staklasto stanje.
Što se tiče vode i leda I, dijagram pokazuje da se povećanjem pritiska temperatura topljenja smanjuje. Budući da je gustoća vode veća od gustoće leda, prijelaz led-voda je praćen smanjenjem volumena, a vanjski pritisak samo ubrzava ovaj proces. U led III, čija je gustina veća od gustine vode, situacija je upravo suprotna - njena tačka topljenja raste kako se pritisak povećava.

Uopšte nas ne čude lebdeći ledeni blokovi početkom proljeća, kada se rezervoari počinju oslobađati zimske “odjeće” i otkrivaju ljepotu ljudskom pogledu svježa voda. Toliko smo navikli na ovaj prirodni fenomen da i ne razmišljamo o njemu i pitamo se zašto se led ne topi? A ako razmislite o tome, ne sjećate se odmah primjera gdje čvrste tvari poput leda lebde u tekućinama koje nastaju kada se otape. Možete rastopiti parafin ili vosak u posudi i baciti komad iste supstance, samo u čvrstom stanju, u nastalu lokvicu. I šta vidimo? Vosak i parafin sigurno tonu u tečnosti koja nastaje kao rezultat njihovog topljenja.

Zašto led ne tone u vodi?Činjenica je da je voda u ovom primjeru vrlo rijedak i inherentno jedinstven izuzetak. U prirodi se samo metal i liveno gvožđe ponašaju slično komadu leda koji pluta na površini vode.

Da je led teži od vode, sigurno bi potonuo pod vlastitom težinom i istovremeno istisnuo vodu koja se nalazi u donjem dijelu rezervoara na površinu. Kao rezultat toga, cijeli rezervoar bi se smrznuo do samog dna! Međutim, kada se voda zamrzne, dolazi do potpuno drugačije situacije. Transformacija vode u led povećava njen volumen za otprilike 10% i to u ovom trenutku led ima manju gustinu od same vode. Upravo iz tog razloga led pluta na površini vode i ne tone. Ista stvar se može primijetiti kada se papirni čamac, čija je gustoća mnogo puta manja od gustine vode, spusti na vodu. Da je čamac napravljen od drveta ili drugog materijala, sigurno bi potonuo. Ako uporedimo pokazatelje gustoće u brojevima, onda, na primjer, ako je gustoća vode jedna, tada će gustoća leda biti jednaka 0,91.

Povećanje zapremine vode tokom njenog prelaska u led takođe treba uzeti u obzir u Svakodnevni život. Dovoljno je ostaviti bure do vrha napunjeno vodom na hladnom, a tečnost će se smrznuti i prsnuti posudu. Zbog toga se ne preporučuje ostavljanje vode u hladnjaku vozila koje je parkirano na hladnom. Također, u teškim mrazima morate biti oprezni zbog prekida u opskrbi toplom vodom koja prolazi kroz cijevi za grijanje. Ako ostane vode u vanjskoj cijevi, ona će se odmah smrznuti, što će neizbježno dovesti do oštećenja dovoda vode.

Kao što je poznato, u okeanima i morima na velikim dubinama, gdje je temperatura ispod nule, voda se još uvijek ne smrzava i ne pretvara u blok leda. To je prilično jednostavno objasniti - gornji slojevi vode stvaraju ogroman pritisak. Na primjer, sloj vode od jednog kilometra pritiska silom većom od stotinu atmosfera.

Da je voda normalna tečnost, a ne jedinstvena tečnost, ne bismo uživali u klizanju. Ne valjamo se po staklu, zar ne? Ali mnogo je glatkiji i privlačniji od leda. Ali staklo je materijal po kojem klizaljke neće kliziti. Ali na ledu, čak i ako nije baš kvalitetan, klizanje je užitak. Pitaćete zašto? Činjenica je da težina našeg tijela pritiska na vrlo tanku oštricu klizaljke, koja vrši snažan pritisak na led. Kao rezultat ovog pritiska klizaljke, led se počinje topiti, stvarajući tanki film vode po kojem klizaljka savršeno klizi.

Kako djetetu objasniti složene fizičke procese?

Prva stvar koja pada na pamet je gustina. Da, u stvari, led pluta jer je manje gust od vode. Ali kako objasniti djetetu šta je denzitet? Niko nije dužan da mu kaže školski program, ali ga je sasvim moguće svesti na to da je led lakši. Uostalom, u stvari, isti volumen vode i leda imaju različite težine. Ako detaljnije proučimo problem, osim gustine možemo navesti još nekoliko razloga.
Led ne tone u vodi ne samo zato što njegova smanjena gustina sprečava da tone niže. Razlog je i to što su mali mjehurići zraka zamrznuti u ledu. Oni također smanjuju gustoću, pa se stoga, općenito, ispostavlja da težina ledene ploče postaje još manja. Kada se led širi, on ne uzima više zraka, ali svi oni mjehurići koji su već unutar ovog sloja ostaju tamo dok se led ne počne topiti ili sublimirati.

Provođenje eksperimenta o sili širenja vode

Ali kako možete dokazati da se led zapravo širi? Uostalom, i voda se može širiti, pa kako se to može dokazati pod umjetnim uvjetima? Možete provesti zanimljiv i vrlo jednostavan eksperiment. Da biste to učinili, trebat će vam plastična ili kartonska čaša i voda. Količina ne mora biti velika, ne morate čašu puniti do vrha. Takođe, idealno vam je potrebna temperatura od oko -8 stepeni ili niža. Ako je temperatura previsoka, iskustvo će trajati nerazumno dugo.
Dakle, voda se sipa unutra, trebamo pričekati da se stvori led. Pošto smo odabrali optimalnu temperaturu na kojoj će se mala količina tečnosti pretvoriti u led u roku od dva do tri sata, možete bezbedno ići kući i čekati. Morate sačekati dok se sva voda ne pretvori u led. Nakon nekog vremena gledamo rezultat. Čaša koja je deformisana ili poderana ledom je zagarantovana. Na nižoj temperaturi efekti izgledaju impresivnije, a sam eksperiment traje manje vremena.

Negativne posljedice

Ispostavilo se da jednostavan eksperiment potvrđuje da se ledeni blokovi zaista šire kada se temperatura smanji, a volumen vode se lako povećava kada se smrzava. Ova karakteristika u pravilu stvara mnogo problema zaboravnim ljudima: boca šampanjca ostavljena na balkonu duže vrijeme u novogodišnjoj noći pauza zbog izlaganja ledu. Pošto je sila ekspanzije veoma velika, na nju se ne može uticati ni na koji način. Pa, što se tiče plovnosti ledenih blokova, tu se nema šta dokazivati. Najradoznaliji mogu lako sami izvesti sličan eksperiment u proljeće ili jesen, pokušavajući utopiti komade leda u velikoj lokvi.

Niko ne sumnja da led pluta na vodi; svi su to vidjeli stotine puta i na bari i na rijeci.

Ali koliko je ljudi razmišljalo o ovom pitanju: da li se sve čvrste materije ponašaju na isti način kao led, odnosno plutaju u tečnostima koje nastaju kada se otape?

Rastopite parafin ili vosak u tegli i bacite još jedan komad iste čvrste supstance u ovu tečnost, odmah će potonuti. Isto će se dogoditi i sa olovom, i sa kalajem, i sa mnogim drugim supstancama. Ispostavilo se da, po pravilu, čvrste materije uvek tonu u tečnostima koje nastaju kada se tope.

U morima i okeanima ponekad postoje ogromne ledene planine - sante leda (slika 4). Riječ je o glečerima koji su skliznuli sa polarnih planina i odneseni strujom i vjetrom u otvoreno more. Njihova visina može doseći 200 metara, a zapremina nekoliko miliona kubnih metara. Devet desetina ukupne mase sante leda skriveno je pod vodom. Stoga je susret s njim veoma opasan. Ako brod ne primijeti na vrijeme ledenog diva u pokretu, može pretrpjeti ozbiljna oštećenja ili čak poginuti u sudaru.

Naglo povećanje zapremine tokom prelaska tekuće vode u led je važna karakteristika vode. Ova karakteristika se često mora uzeti u obzir u praktičnom životu. Ako ostavite bure vode na hladnom, voda će se smrznuti i bure puknuti. Iz istog razloga ne biste trebali ostavljati vodu u hladnjaku automobila parkiranog u hladnoj garaži. U teškim mrazima morate biti oprezni s najmanjim prekidom u opskrbi toplom vodom kroz cijevi za grijanje vode: voda koja se zaustavila u vanjskoj cijevi može se brzo smrznuti, a zatim će cijev puknuti.

Smrznuvši se u pukotinama stijena, voda često uzrokuje rušenje planina.

Iskustvo pokazuje da se tačka smrzavanja vode smanjuje sa povećanjem pritiska za otprilike jedan stepen na svakih 130 atmosfera.