Acasă » Poveste » Lucrări de cercetare „De ce gheața nu se scufundă?” „De ce se topește gheața în apă?

Lucrări de cercetare „De ce gheața nu se scufundă?” „De ce se topește gheața în apă?

Nu suntem deloc surprinși de blocurile de gheață plutitoare la începutul primăverii, când rezervoarele încep să se elibereze de „îmbrăcămintea” de iarnă și dezvăluie frumusețea apei proaspete ochiului uman. Suntem atât de obișnuiți cu acest fenomen natural încât nici nu ne gândim la el și ne întrebăm de ce gheața nu se topește? Și dacă vă gândiți bine, nu vă amintiți imediat exemple în care solide precum gheața plutesc în lichide care se formează atunci când se topesc. Poti topi parafina sau ceara intr-un recipient si arunca o bucata din aceeasi substanta, doar in stare solida, in balta rezultata. Și ce vedem? Ceara și parafina se scufundă în siguranță în lichidul care se formează ca urmare a topirii lor.

De ce gheața nu se scufundă în apă? Faptul este că apa din acest exemplu este o excepție foarte rară și în mod inerent unică. În natură, doar metalul și fonta se comportă în mod similar cu o bucată de gheață care plutește pe suprafața apei.

Dacă gheața ar fi mai grea decât apa, cu siguranță s-ar scufunda sub propria greutate și, în același timp, s-ar deplasa la suprafață apa situată în partea inferioară a rezervorului. Ca rezultat, întregul rezervor ar îngheța până la fund! Cu toate acestea, atunci când apa îngheață, apare o situație complet diferită. Transformarea apei în gheață îi crește volumul cu aproximativ 10% și este în acest moment gheața are o densitate mai mică decât apa însăși. Din acest motiv gheața plutește la suprafața apei și nu se scufundă. Același lucru poate fi observat atunci când o barcă de hârtie, a cărei densitate este de mult mai mică decât densitatea apei, este coborâtă pe apă. Dacă barca ar fi fost făcută din lemn sau alt material, cu siguranță s-ar fi scufundat. Dacă comparăm indicatorii de densitate în cifre, atunci, de exemplu, dacă densitatea apei este una, atunci densitatea gheții va fi egală cu 0,91.

Creșterea volumului de apă atunci când se transformă în gheață trebuie luată în considerare în viața de zi cu zi. Este suficient să lăsați un butoi umplut până sus cu apă la rece, iar lichidul va îngheța și va sparge recipientul. De aceea nu este recomandat sa lasi apa in caloriferul unui vehicul care este parcat la frig. De asemenea, în înghețuri severe, trebuie să fiți atenți la întreruperile în alimentarea cu apă caldă care curge prin conductele de încălzire. Dacă rămâne apă în conducta exterioară, aceasta va îngheța instantaneu, ceea ce va duce inevitabil la deteriorarea alimentării cu apă.

După cum se știe, în oceane și mări la adâncimi mari, unde temperatura este sub zero, apa încă nu îngheață și nu se transformă în bloc de gheață. Acest lucru este destul de simplu de explicat - straturile superioare de apă creează o presiune enormă. De exemplu, un strat de apă de un kilometru presează cu o forță de peste o sută de atmosfere.

Dacă apa ar fi un lichid normal și nu un lichid unic, nu ne-ar plăcea să patinăm. Nu ne rostogolim pe sticlă, nu-i așa? Dar este mult mai netedă și mai atractivă decât gheața. Dar sticla este un material pe care patinele nu vor aluneca. Dar pe gheață, chiar dacă nu este de foarte bună calitate, patinajul este o plăcere. Vei întreba de ce? Cert este că greutatea corpului nostru apasă pe lama foarte subțire a patinei, ceea ce exercită o presiune puternică asupra gheaţă. Ca urmare a acestei presiuni a patinului, gheața începe să se topească, formând o peliculă subțire de apă pe care patinul alunecă perfect.

Cum să explici unui copil procesele fizice complexe?

Primul lucru care îmi vine în minte este densitatea. Da, de fapt, gheața plutește pentru că este mai puțin densă decât apa. Dar cum să explici unui copil ce este densitatea? Nimeni nu este obligat să-i spună programa școlară, dar este foarte posibil să se reducă la faptul că gheața este mai ușoară. La urma urmei, de fapt, același volum de apă și gheață are greutăți diferite. Dacă studiem problema mai detaliat, putem exprima și alte motive, în afară de densitate.
Gheața nu se scufundă în apă nu numai pentru că densitatea sa redusă o împiedică să se scufunde mai jos. Motivul este, de asemenea, că mici bule de aer sunt înghețate în gheață. De asemenea, reduc densitatea și, prin urmare, în general, se dovedește că greutatea plăcii de gheață devine și mai mică. Când gheața se extinde, nu ia mai mult aer, dar toate acele bule care sunt deja în interiorul acestui strat rămân acolo până când gheața începe să se topească sau să se sublimeze.

Efectuarea unui experiment asupra forței de dilatare a apei

Dar cum poți dovedi că gheața se extinde de fapt? La urma urmei, apa se poate extinde, deci cum se poate dovedi acest lucru în condiții artificiale? Puteți efectua un experiment interesant și foarte simplu. Pentru a face acest lucru, veți avea nevoie de o cană de plastic sau carton și apă. Cantitatea nu trebuie să fie mare; nu trebuie să umpleți paharul până la refuz. De asemenea, în mod ideal aveți nevoie de o temperatură de aproximativ -8 grade sau mai mică. Dacă temperatura este prea mare, experiența va dura nerezonabil de mult.
Deci, se toarnă apă înăuntru, trebuie să așteptăm să se formeze gheață. Deoarece am ales temperatura optimă la care un volum mic de lichid se va transforma în gheață în decurs de două până la trei ore, puteți merge în siguranță acasă și așteptați. Trebuie să așteptați până când toată apa se transformă în gheață. După ceva timp ne uităm la rezultat. O cupă care este deformată sau ruptă de gheață este garantată. La o temperatură mai scăzută, efectele par mai impresionante, iar experimentul în sine durează mai puțin timp.

Consecințe negative

Se dovedește că un experiment simplu confirmă că blocurile de gheață se extind într-adevăr atunci când temperatura scade, iar volumul de apă crește cu ușurință atunci când îngheață. De regulă, această caracteristică provoacă o mulțime de probleme oamenilor uituci: o sticlă de șampanie lăsată mult timp pe balcon în pauzele de Revelion din cauza expunerii la gheață. Deoarece forța de expansiune este foarte mare, nu poate fi influențată în niciun fel. Ei bine, în ceea ce privește flotabilitatea blocurilor de gheață, nu este nimic de demonstrat aici. Cei mai curioși pot realiza cu ușurință un experiment similar primăvara sau toamna singuri, încercând să înece bucăți de gheață într-o băltoacă mare.

Nimeni nu se îndoiește că gheața plutește pe apă; toată lumea a văzut asta de sute de ori atât pe iaz, cât și pe râu.

Dar câți oameni s-au gândit la această întrebare: toate solidele se comportă la fel ca gheața, adică plutesc în lichidele formate atunci când se topesc?

Topiți parafina sau ceara într-un borcan și aruncați o altă bucată din aceeași substanță solidă în acest lichid, se va scufunda imediat. La fel se va întâmpla cu plumbul, și cu staniul și cu multe alte substanțe. Se dovedește că, de regulă, solidele se scufundă întotdeauna în lichide care se formează atunci când se topesc.

Manevrând apa cel mai des, suntem atât de obișnuiți cu fenomenul opus încât uităm adesea această proprietate, caracteristică tuturor celorlalte substanțe. Trebuie amintit că apa este o excepție rară în acest sens. Doar bismutul metalic și fonta se comportă la fel ca apa.

Dacă gheața ar fi mai grea decât apa și nu ar rămâne pe suprafața ei, ci s-ar scufunda, atunci chiar și în rezervoare adânci apa ar îngheța complet iarna. De fapt, gheața care cade pe fundul iazului ar deplasa straturile inferioare de apă în sus, iar acest lucru s-ar întâmpla până când toată apa se va transforma în gheață.

Cu toate acestea, atunci când apa îngheață, se întâmplă opusul. În momentul în care apa se transformă în gheață, volumul acesteia crește brusc cu aproximativ 10 la sută, făcând gheața mai puțin densă decât apa. De aceea plutește în apă, la fel cum orice corp plutește într-un lichid de mare densitate: un cui de fier în mercur, un dop în ulei etc. Dacă presupunem că densitatea apei este egală cu unitatea, atunci densitatea de gheața va fi doar 0,91. Această cifră ne permite să aflăm grosimea bancului de gheață care plutește pe apă. Dacă înălțimea bancului de gheață deasupra apei este, de exemplu, de 2 centimetri, atunci putem trage concluzia că stratul subacvatic al bancului de gheață este de 9 ori mai gros, adică egal cu 18 centimetri, iar întregul banc de gheață este de 20. centimetri grosime.

În mări și oceane există uneori uriași munți de gheață - aisberguri (Fig. 4). Aceștia sunt ghețari care au alunecat în jos din munții polari și au fost duși de curent și vânt în larg. Înălțimea lor poate ajunge la 200 de metri, iar volumul lor poate ajunge la câteva milioane de metri cubi. Nouă zecimi din masa totală a aisbergului este ascunsă sub apă. Prin urmare, întâlnirea cu el este foarte periculoasă. Dacă nava nu observă la timp gigantul de gheață în mișcare, poate suferi daune grave sau chiar poate muri într-o coliziune.

Creșterea bruscă a volumului în timpul tranziției apei lichide în gheață este o caracteristică importantă a apei. Această caracteristică trebuie deseori luată în considerare în viața practică. Dacă lăsați un butoi cu apă la rece, apa va îngheța și va sparge butoiul. Din același motiv, nu trebuie să lăsați apă în caloriferul unei mașini parcate într-un garaj rece. În înghețuri severe, trebuie să fiți atenți la cea mai mică întrerupere a furnizării de apă caldă prin conductele de încălzire a apei: apa care s-a oprit în conducta exterioară poate îngheța rapid, iar apoi conducta va sparge.

Înghețată în crăpăturile stâncilor, apa provoacă adesea prăbușirea munților.

Să luăm acum în considerare un experiment care este direct legat de expansiunea apei atunci când este încălzită. Punerea în scenă a acestui experiment necesită echipamente speciale și este puțin probabil ca vreun cititor să-l reproducă acasă. Da, aceasta nu este o necesitate; Experiența este ușor de imaginat și vom încerca să-i confirmăm rezultatele folosind exemple familiare tuturor.

Să luăm un metal foarte puternic, de preferință un cilindru de oțel (Fig. 5), să turnăm niște împușcături în fund, să-l umplem cu apă, să fixăm capacul cu șuruburi și să începem să rotiți șurubul. Deoarece apa se comprimă foarte puțin, nu va trebui să rotiți șurubul mult timp. După doar câteva rotații, presiunea din interiorul cilindrului crește la sute de atmosfere. Dacă acum răciți cilindrul chiar și cu 2-3 grade sub zero, apa din el nu va îngheța. Dar cum poți fi sigur de asta? Dacă deschidem cilindrul, atunci la această temperatură și presiune atmosferică apa se va transforma instantaneu în gheață și nu vom ști dacă era lichidă sau solidă când era sub presiune. Peleții stropiți ne vor ajuta aici. Când cilindrul s-a răcit, întoarceți-l cu susul în jos. Dacă apa este înghețată, împușcătura va fi în partea de jos; dacă nu este înghețată, împușcătura se va aduna la capac. Să deșurubam șurubul. Presiunea va scădea și apa va îngheța cu siguranță. După îndepărtarea capacului, ne asigurăm că toată lovitura s-a adunat lângă capac. Aceasta înseamnă că apa sub presiune nu a înghețat la temperaturi sub zero.

Experiența arată că punctul de îngheț al apei scade odată cu creșterea presiunii cu aproximativ un grad la fiecare 130 de atmosfere.

Dacă am începe să ne bazăm raționamentul pe baza observațiilor multor alte substanțe, ar trebui să ajungem la concluzia opusă. Presiunea ajută, de obicei, lichidele să se solidifice: sub presiune, lichidele îngheață la o temperatură mai mare și acest lucru nu este surprinzător dacă vă amintiți că majoritatea substanțelor scad în volum atunci când se solidifică. Presiunea determină o scădere a volumului și aceasta facilitează trecerea lichidului în stare solidă. Când apa se întărește, așa cum știm deja, nu scade în volum, ci, dimpotrivă, se extinde. Prin urmare, presiunea, împiedicând expansiunea apei, îi scade punctul de îngheț.

Se știe că în oceanele la adâncimi mari temperatura apei este sub zero grade și totuși apa de la aceste adâncimi nu îngheață. Acest lucru se explică prin presiunea creată de straturile superioare de apă. Un strat de apă gros de un kilometru apasă cu o forță de aproximativ o sută de atmosfere.

Dacă apa ar fi un lichid normal, cu greu am experimenta plăcerea de a patina pe gheață. Ar fi la fel ca rularea pe sticlă perfect netedă. Patinele nu alunecă pe sticlă. Este cu totul altă chestiune pe gheață. Patinajul pe gheață este foarte ușor. De ce? Sub greutatea corpului nostru, lama subțire a patinei produce o presiune destul de puternică asupra gheții, iar gheața de sub patină se topește; se formează o peliculă subțire de apă, care servește ca un lubrifiant excelent.

Toți copiii, fără îndoială, iubesc gheața, care aduce atât de multă bucurie iarna. Coborâre și patinaj - frumos! De unde vine gheata? Unde este cea mai mare gheață? De ce este gheața alunecoasă și de ce plutesc sloturile de gheață? Este posibil să vezi gheață vara? Povestea noastră despre gheață va răspunde la toate aceste întrebări și la alte întrebări.

În natură, gheața apare acolo unde este frig. Și acest lucru nu este fără motiv. Se dovedește că o substanță atât de cunoscută precum apa, atunci când este răcită la o anumită temperatură, se solidifică și se transformă în gheață. Deci, gheața este apă înghețată. Când vine iarna, suprafața râurilor și a lacurilor devine acoperită cu gheață.

De ce gheața nu se scufundă în apă?
Din ce motiv vedem gheață la suprafața apei și nu undeva în adâncuri? Motivul este că densitatea gheții este mai mică decât cea a apei. Datorită densității sale mai mici, gheața este mai ușoară decât apa și plutește pe suprafața ei.

Schimbarea densității pe măsură ce apa se transformă în gheață produce efecte interesante. De exemplu, o sticlă de apă rămasă la frig se rupe în bucăți când apa din sticlă se transformă în gheață. Prin urmare, ar trebui să aveți grijă când răciți băuturile la rece.

De ce este gheața alunecoasă?
De ce este gheața alunecoasă? Fizicienii știu răspunsul la această întrebare. Ei explică că atunci când se aplică presiune pe suprafața gheții (când călcăm pe gheață cu picioarele sau patinăm pe ea), gheața se topește puțin și apare o peliculă subțire de apă, care asigură alunecarea.

Proprietatea alunecoasă a gheții este foarte populară la toți copiii. Cât de grozav este iarna să aluneci pe un tobogan înalt de gheață, să faci patinaj artistic pe un patinoar sau să joci hochei!

Gheața se topește mereu?
În mintea noastră, gheața este indisolubil legată de iarnă. Există locuri pe planeta noastră unde gheața nu se topește niciodată? Da, există astfel de locuri. Aceștia sunt ghețari care se află pe vârfurile munților înalți și în regiunile polare ale Pământului - în Arctica și Antarctica. Mai mult, cele mai mari rezerve de gheață se acumulează în ghețarii din Antarctica, unde grosimea gheții în unele locuri ajunge la patru kilometri!

Ghețarii care ating oceanul dau naștere aisbergurilor. Un aisberg este o parte a unui ghețar care s-a desprins și plutește liber în ocean. Aisbergurile reprezintă un anumit pericol pentru marinari.

Utilizări practice ale gheții
Oamenii au învățat de mult să folosească capacitatea gheții de a acumula frig în scopuri practice. Chiar și în cele mai vechi timpuri, au construit ghețari artificiali pentru a stoca alimente perisabile. Un astfel de ghețar era un cadru de lemn săpat în pământ și acoperit cu un strat gros de pământ și gazon. Camera subterană rezultată a fost umplută cu gheață iarna, care nu se topea nici măcar vara.

Ce este grindina?
Se poate forma gheață vara? Da, acest lucru este posibil dacă, într-o zi foarte caldă, masele de aer umed se ridică la o înălțime de peste 2,5 kilometri, unde temperatura aerului este sub punctul de îngheț al apei. În astfel de condiții, picăturile de apă îngheață și apoi grindina cade pe pământ - bucăți de gheață rotunde sau de formă neregulată, cu dimensiuni variate de la o mazăre la un ou de porumbel. Uneori, grindina are dimensiuni mai mari. Grindina poate reprezenta un pericol pentru oameni, echipamente și natură.

Gheață și apă.
Se știe că o bucată de gheață pusă într-un pahar cu apă nu se scufundă. Acest lucru se întâmplă deoarece o forță de plutire acționează asupra gheții din apă.

Orez. 4.1. Gheață în apă.

După cum se poate observa din fig. 4.1, forța de plutire este rezultanta forțelor de presiune a apei care acționează pe suprafața părții scufundate a gheții (zona umbrită în Fig. 4.1). Gheața plutește pe apă, deoarece forța gravitației care o trage spre fund este echilibrată de forța de plutire.
Să ne imaginăm că nu există gheață în pahar, iar zona umbrită din figură este umplută cu apă. Aici nu va exista nicio interfață între apa situată în această zonă și în afara acesteia. Totuși, în acest caz, forța de plutire și forța gravitațională care acționează asupra apei conținute în zona umbrită se echilibrează reciproc. Deoarece în ambele cazuri discutate mai sus forța de plutire rămâne neschimbată, aceasta înseamnă că forța gravitațională care acționează asupra unei bucăți de gheață și asupra apei din regiunea de mai sus este aceeași. Cu alte cuvinte, au greutate egală. De asemenea, este adevărat că masa gheții este egală cu masa apei din zona umbrită.
După ce s-a topit, gheața se va transforma în apă de aceeași masă și va umple un volum egal cu volumul zonei umbrite. Prin urmare, nivelul apei dintr-un pahar cu apă și o bucată de gheață nu se va schimba după ce gheața se topește.
Stări lichide și solide.
Acum știm că volumul unei bucăți de gheață este mai mare decât volumul ocupat de apă de masă egală. Raportul dintre masa unei substanțe și volumul pe care îl ocupă se numește densitatea substanței. Prin urmare, densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei. Valorile lor numerice măsurate la 0 °C sunt: pentru apă - 0,9998, pentru gheață - 0,917 g/cm3. Nu numai gheața, ci și alte solide, atunci când sunt încălzite, ajung la o anumită temperatură, la care începe trecerea lor la starea lichidă. În cazul topirii unei substanțe pure, temperatura acesteia nu va începe să crească atunci când este încălzită până când întreaga sa masă nu va trece în stare lichidă. Această temperatură se numește punctul de topire al unei substanțe date. După ce topirea sa încheiat, încălzirea va duce la o creștere suplimentară a temperaturii lichidului. Dacă un lichid este răcit, scăzând temperatura până la punctul de topire, acesta va începe să se transforme într-o stare solidă.
Pentru majoritatea substanțelor, spre deosebire de cazul gheții și apei, densitatea în stare solidă este mai mare decât în stare lichidă. De exemplu, argonul, de obicei în stare gazoasă, se solidifică la o temperatură de -189,2 °C; densitatea argonului solid este de 1,809 g/cm3 (în stare lichidă densitatea argonului este de 1,38 g/cm3). Deci, dacă comparăm densitatea unei substanțe în stare solidă la o temperatură apropiată de punctul de topire cu densitatea acesteia în stare lichidă, rezultă că în cazul argonului acesta scade cu 14,4%, iar în cazul sodiu - cu 2,5%.
Modificarea densității unei substanțe la trecerea prin punctul de topire pentru metale este de obicei mică, cu excepția aluminiului și aurului (0 și, respectiv, 5,3%). Pentru toate aceste substanțe, spre deosebire de apă, procesul de solidificare începe nu la suprafață, ci la fund.
Există, totuși, metale a căror densitate scade la trecerea la starea solidă. Acestea includ antimoniul, bismutul, galiul, pentru care această scădere este, respectiv, de 0,95, 3,35 și, respectiv, 3,2%. Galiul, al cărui punct de topire este de -29,8 °C, împreună cu mercurul și cesiul aparțin clasei metalelor fuzibile.
Diferența dintre starea solidă și lichidă a materiei.
În stare solidă, spre deosebire de starea lichidă, moleculele care alcătuiesc substanța sunt aranjate ordonat.

Orez. 4.2. Diferența dintre starea lichidă și solidă a materiei

În fig. 4.2 (în dreapta) prezintă un exemplu de ambalare densă de molecule (reprezentată condiționat prin cercuri), care este caracteristică unei substanțe în stare solidă. Alături se află o structură dezordonată caracteristică unui lichid. În stare lichidă, moleculele se află la distanțe mari unele de altele, au o mai mare libertate de mișcare și, ca urmare, substanța în stare lichidă își schimbă cu ușurință forma, adică are o proprietate ca fluiditatea.
Pentru substanțele fluide, așa cum s-a menționat mai sus, o aranjare aleatorie a moleculelor este caracteristică, dar nu toate substanțele cu o astfel de structură sunt capabile să curgă. Un exemplu este sticla, ale cărei molecule sunt aranjate aleatoriu, dar nu curge.
Substanțele cristaline sunt substanțe ale căror molecule sunt aranjate ordonat. În natură, există substanțe ale căror cristale au un aspect caracteristic. Acestea includ cuarț și gheață. Metalele dure, cum ar fi fierul și plumbul, nu se găsesc în mod natural în cristalele mari. Cu toate acestea, studiind suprafața lor la microscop, se pot distinge grupuri de cristale mici, așa cum se poate observa în fotografie (Fig. 4.3).

Orez. 4.3. Microfotografie a suprafeței fierului.

Există metode speciale care fac posibilă obținerea de cristale mari de substanțe metalice.
Oricare ar fi dimensiunea cristalelor, toate au în comun un aranjament ordonat de molecule. Ele se caracterizează și prin existența unui punct de topire complet definit. Aceasta înseamnă că temperatura unui corp care se topește nu crește atunci când este încălzit până când se topește complet. Sticla, spre deosebire de substanțele cristaline, nu are un punct de topire specific: atunci când este încălzită, se înmoaie treptat și se transformă într-un lichid obișnuit. Astfel, punctul de topire corespunde temperaturii la care aranjamentul ordonat al moleculelor este distrus și structura cristalină devine dezordonată. În concluzie, remarcăm o altă proprietate interesantă a sticlei, explicată prin lipsa unei structuri cristaline: aplicând acesteia o forță de întindere pe termen lung, de exemplu, pe o perioadă de 10 ani, ne vom convinge că sticla curge ca un lichid obișnuit.
Ambalarea moleculelor.
Folosind raze X și fascicule de electroni, putem studia modul în care moleculele sunt aranjate într-un cristal. Razele X au o lungime de undă mult mai scurtă decât lumina vizibilă, așa că pot fi difractate de o structură cristalină regulată din punct de vedere geometric de atomi sau molecule. Prin înregistrarea unui model de difracție pe o placă fotografică (Fig. 4.4), se poate stabili dispunerea atomilor în cristal. Folosind aceeași metodă pentru lichide, vă puteți asigura că moleculele din ele sunt aranjate într-o manieră dezordonată.

Orez. 4.4. Difracția cu raze X printr-o structură periodică.
Orez. 4.5. Două moduri de a împacheta bine bilele.

Moleculele unui solid în stare cristalină sunt aranjate într-un mod destul de complex unul față de celălalt. Structura substanțelor constând din atomi sau molecule de același tip pare relativ simplă, cum ar fi cristalul de argon prezentat în Fig. 4.5 (stânga), unde atomii sunt desemnați în mod convențional prin bile. Puteți umple dens o anumită cantitate de spațiu cu bile în diferite moduri. O astfel de împachetare densă este posibilă datorită prezenței forțelor atractive intermoleculare, care tind să aranjeze moleculele astfel încât volumul pe care acestea îl ocupă să fie minim. Cu toate acestea, în realitate structura din Fig. 4.5 (dreapta) nu apare; Nu este ușor de explicat acest fapt.
Deoarece este destul de dificil să ne imaginăm moduri diferite de a plasa bilele în spațiu, să ne gândim la modul în care monedele pot fi aranjate strâns pe un plan.

Orez. 4.6. Aranjarea ordonată a monedelor pe un avion.

În fig. 4.6 prezintă două astfel de metode: în prima, fiecare moleculă este în contact cu patru învecinate, centrele cărora sunt vârfurile unui pătrat cu latura d, unde d este diametrul monedei; cu a doua, fiecare monedă intră în contact cu șase învecinate. Liniile punctate din figură indică zona ocupată de o monedă. In primul caz
este egal cu d 2 și din nou această zonă este mai mică și egală cu √3d 2 /2.
A doua metodă de plasare a monedelor reduce semnificativ decalajul dintre ele.
Moleculă din interiorul unui cristal. Scopul studierii cristalelor este de a determina modul în care sunt dispuse moleculele în ele. Cristalele de metale precum aurul, argintul, cuprul sunt dispuse ca niște cristale de argon. În cazul metalelor, ar trebui să vorbim de un aranjament ordonat de ioni, nu de molecule. Un atom de cupru, de exemplu, pierde un electron, se transformă într-un ion de cupru încărcat negativ. Electronii se mișcă liber între ioni. Dacă ionii sunt reprezentați condiționat sub formă de bile, obținem o structură caracterizată prin împachetare strânsă. Cristalele de metale precum sodiu și potasiu diferă oarecum ca structură de cupru. Moleculele de CO 2 și compușii organici, constând din diferiți atomi, nu pot fi reprezentate ca bile. Trecând în stare solidă, ele formează o structură cristalină extrem de complexă.

Orez. 4.7. Cristal de gheață carbonică (bile mari mari - atomi de carbon)

În fig. Figura 4.7 prezintă cristale de CO2 solid, numite gheață carbonică. Diamantul, care nu este un compus chimic, are și o structură specială, deoarece se formează legături chimice între atomii de carbon.
Densitatea lichidului. La trecerea la starea lichidă, structura moleculară a unei substanțe devine dezordonată. Acest proces poate fi însoțit atât de o scădere, cât și de o creștere a volumului ocupat de o anumită substanță în spațiu.

Orez. 4.8. Modele de cărămidă corespunzătoare structurii apei și solidelor.

Ca o ilustrare, luați în considerare ceea ce este prezentat în fig. 4.8 clădire din cărămidă. Fiecărei cărămizi îi corespunde o moleculă. O clădire din cărămidă distrusă de un cutremur se transformă într-un morman de cărămizi, ale căror dimensiuni sunt mai mici decât dimensiunea clădirii. Cu toate acestea, dacă toate cărămizile sunt stivuite cu grijă una la una, spațiul pe care îl ocupă va deveni și mai mic. O relație similară există între densitatea unei substanțe în stare solidă și lichidă. Cristalele de cupru și argon pot fi asortate cu ambalajul dens de cărămizi prezentat. Starea lichidă din ele corespunde unui morman de cărămizi. Trecerea de la solid la lichid în aceste condiții este însoțită de o scădere a densității.
În același timp, trecerea de la o structură cristalină cu distanțe intermoleculare mari (care corespunde unei clădiri din cărămidă) la o stare lichidă este însoțită de o creștere a densității. Cu toate acestea, în realitate, multe cristale păstrează distanțe mari intermoleculare în timpul tranziției la starea lichidă.
Antimoniul, bismutul, galiul și alte metale, spre deosebire de sodiu și cupru, nu se caracterizează prin împachetare densă. Datorită distanțelor interatomice mari în timpul trecerii la faza lichidă, densitatea acestora crește.

Structura gheții.
O moleculă de apă este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen situati pe părțile opuse ale acesteia. Spre deosebire de o moleculă de dioxid de carbon, în care un atom de carbon și doi atomi de oxigen sunt localizați de-a lungul unei linii drepte, într-o moleculă de apă liniile care leagă atomul de oxigen de fiecare dintre atomii de hidrogen formează un unghi de 104,5° între ele. Prin urmare, există forțe de interacțiune între moleculele de apă care sunt de natură electrică. În plus, datorită proprietăților speciale ale atomului de hidrogen, atunci când apa se cristalizează, formează o structură în care fiecare moleculă este legată de patru învecinate. Această structură este simplificată în fig. 4.9. Bilele mari reprezintă atomi de oxigen, bilele mici negre reprezintă atomi de hidrogen.

Orez. 4.9. Structura cristalină a gheții.

În această structură se realizează distanțe intermoleculare mari. Prin urmare, atunci când gheața se topește și structura se prăbușește, volumul pe moleculă scade. Acest lucru duce la faptul că densitatea apei este mai mare decât densitatea gheții și gheața poate pluti pe apă.

Studiul 1
DE CE ESTE CEA MAI MARE DENSITATEA APEI LA 4°C?

Legături de hidrogen și dilatare termică. Când gheața se topește, se transformă în apă, care are o densitate mai mare decât gheața. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii apei, densitatea acesteia crește până când temperatura atinge 4 °C. Dacă la 0°C densitatea apei este de 0,99984 g/cm3, atunci la 4°C este de 0,99997 g/cm3. O creștere suplimentară a temperaturii determină o scădere a densității și la 8°C va avea din nou aceeași valoare ca la 0°C.

Orez. 4.10. Structura cristalină a gheții (bilele mari sunt atomi de oxigen).

Acest fenomen este asociat cu prezența unei structuri cristaline în gheață. Toate detaliile sunt prezentate în Fig. 4.10, unde, pentru claritate, atomii sunt reprezentați ca bile, iar legăturile chimice sunt indicate prin linii continue. O caracteristică a structurii este că atomul de hidrogen este întotdeauna situat între doi atomi de oxigen, fiind mai aproape de unul dintre ei. Astfel, atomul de hidrogen contribuie la apariția unei forțe de coeziune între două molecule de apă adiacente. Această forță de legătură se numește legătură de hidrogen. Deoarece legăturile de hidrogen apar doar în anumite direcții, aranjarea moleculelor de apă într-o bucată de gheață este aproape de tetraedric. Atunci când gheața, topită, se transformă în apă, o parte semnificativă a legăturilor de hidrogen nu este distrusă, fapt pentru care se păstrează structura, aproape de tetraedric cu distanțe intermoleculare mari caracteristice acesteia. Pe măsură ce temperatura crește, viteza de mișcare de translație și rotație a moleculelor crește, drept urmare legăturile de hidrogen sunt rupte, distanța intermoleculară scade și densitatea apei crește.
Totuși, în paralel cu acest proces, odată cu creșterea temperaturii, are loc dilatarea termică a apei, ceea ce determină o scădere a densității acesteia. Influența acestor doi factori duce la faptul că densitatea maximă a apei este atinsă la 4 °C. La temperaturi peste 4°C, factorul asociat cu dilatarea termică începe să predomine și densitatea scade din nou.

Studiul 2
GHEAZĂ LA TEMPERATURĂ JOSE SAU LA PRESIUNI ÎNALTE

Soiuri de gheață. Deoarece distanțele intermoleculare cresc în timpul cristalizării apei, densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei. Dacă o bucată de gheață este supusă unei presiuni ridicate, se poate aștepta ca distanța intermoleculară să scadă. Într-adevăr, prin supunerea gheții la 0°C la o presiune de 14 kbar (1 kbar = 987 atm), obținem gheață cu o structură cristalină diferită, a cărei densitate este de 1,38 g/cm3. Dacă apa sub o astfel de presiune este răcită la o anumită temperatură, va începe
cristaliza. Deoarece densitatea unei astfel de gheață este mai mare decât cea a apei, cristalele nu pot rămâne pe suprafața ei și se scufundă în fund. Astfel, apa din vas se cristalizează începând de la fund. Acest tip de gheață se numește gheață VI; gheață obișnuită - gheață I.
La o presiune de 25 kbar și o temperatură de 100 ° C, apa se solidifică, transformându-se în gheață VII cu o densitate de 1,57 g/cm3.

Orez. 4.11. Diagrama de stare a apei.

Schimbând temperatura și presiunea, puteți obține 13 varietăți de gheață. Zonele de modificare a parametrilor sunt prezentate în diagrama de stare (Fig. 4.11). Din această diagramă puteți determina ce tip de gheață corespunde unei anumite temperaturi și presiuni. Liniile continue corespund temperaturilor și presiunilor la care coexistă două structuri diferite de gheață. Gheața VIII are cea mai mare densitate de 1,83 g/cm3 dintre toate tipurile de gheață.
La o presiune relativ scăzută, 3 kbar, există gheață II, a cărei densitate este tot mai mare decât cea a apei și este de 1,15 g/cm3. Este interesant de observat că la o temperatură de -120 °C structura cristalină dispare și gheața se transformă într-o stare sticloasă.
În ceea ce privește apa și gheața I, diagrama arată că pe măsură ce presiunea crește, punctul de topire scade. Deoarece densitatea apei este mai mare decât cea a gheții, tranziția gheață-apă este însoțită de o scădere a volumului, iar presiunea aplicată extern nu face decât să accelereze acest proces. Pentru gheața III, a cărei densitate este mai mare decât cea a apei, situația este exact inversă - punctul ei de topire crește pe măsură ce presiunea crește.

Kim Irina, elevă în clasa a IV-a

Lucrare de cercetare pe tema „De ce gheața nu se scufundă?”

Descarca:

Previzualizare:

Instituția municipală de învățământ de stat „Școala secundară Krasnoyarsk”

Cercetare

Efectuat:

Kim Irina,

elev de clasa a IV-a.

supraveghetor:

Ivanova Elena Vladimirovna,

profesor de școală primară.

Cu. Krasny Yar 2013

1. Introducere.

2. Partea principală:

De ce plutesc obiectele?

Omul de știință grec antic Arhimede.

legea lui Arhimede.

Experimente.

O caracteristică importantă a apei

3. Concluzie.

4. Lista referințelor.

5. Aplicații.

Introducere.

De ce unele substanțe se scufundă în apă și altele nu? Și de ce există atât de puține substanțe care pot pluti în aer (adică să zboare)? Înțelegerea legilor plutirii (și scufundării) le permite inginerilor să construiască nave din metale care sunt mai grele decât apa și să proiecteze dirijabile și baloane care pot pluti în aer. O vestă de salvare este umflată cu aer, așa că ajută o persoană să rămână pe apă.

Nimeni nu se îndoiește că gheața plutește pe apă; toată lumea a văzut asta de sute de ori atât pe iaz, cât și pe râu. Dar de ce se întâmplă asta? Ce alte obiecte pot pluti pe apă? Asta am decis să aflu.

Ţintă:

Determinarea motivelor de nescufundabilitate a gheții.

Sarcini:

1. Aflați condițiile de plutire ale corpurilor.

2. Afla de ce gheata nu se scufunda.

3. Efectuați un experiment pentru a studia flotabilitatea.

Ipoteză:

Poate că gheața nu se scufundă pentru că apa este mai densă decât gheața.

Parte principală:

De ce plutesc obiectele?

Dacă scufundați un corp în apă, acesta va înlocui puțină apă. Corpul ocupă locul în care era apa, iar nivelul apei crește.

Potrivit legendei, omul de știință grec antic Arhimede (287 - 212 î.Hr.), în timp ce se afla într-o baie, a ghicit că un corp scufundat înlocuiește un volum egal de apă. O gravură medievală îl înfățișează pe Arhimede făcându-și descoperirea. (vezi Anexa 1)

Forța cu care apa împinge un corp scufundat în el se numește forță de flotabilitate.

Legea lui Arhimede spune că forța de flotabilitate este egală cu greutatea lichidului deplasat de corpul scufundat în el. Dacă forța de flotabilitate este mai mică decât greutatea corpului, atunci se scufundă; dacă este egală cu greutatea corpului, plutește.

Experimentul #1 :(vezi Anexa 2)

Am decis să văd cum funcționează forța de flotabilitate, am observat nivelul apei și am coborât o minge de plastilină cu o bandă elastică într-un vas cu apă. După scufundare, nivelul apei a crescut și lungimea elasticului a scăzut. Am marcat noul nivel al apei cu un pix.

Concluzie: Din partea apei, asupra mingii de plastilină a acționat o forță îndreptată în sus. Prin urmare, lungimea benzii elastice a scăzut, adică. mingea scufundată în apă a devenit mai ușoară.

Apoi a modelat o barcă din aceeași plastilină și a coborât-o cu grijă în apă. După cum puteți vedea, apa a crescut și mai sus. Barca a deplasat mai multă apă decât mingea, ceea ce înseamnă că forța de flotabilitate este mai mare.

Magia s-a întâmplat, materialul care se scufundă plutește la suprafață! Hei Arhimede!

Pentru a preveni scufundarea unui corp, densitatea acestuia trebuie să fie mai mică decât densitatea apei.

Nu știi ce este densitatea? Aceasta este masa unei substanțe omogene pe unitatea de volum.

Experimentul nr. 2: „Dependența forței de plutire de densitatea apei”(vezi Anexa 3)

Am luat: un pahar cu apa curata (nu plin), un ou crud si sare.

Pune un ou într-un pahar; dacă oul este proaspăt, se va scufunda în fund. Apoi a început să toarne cu grijă sare în pahar și a privit cum oul începea să plutească.

Concluzie: Pe măsură ce densitatea unui lichid crește, crește forța de flotabilitate.

Există un buzunar de aer în ou, iar când densitatea lichidului se modifică, oul plutește la suprafață ca un submarin.

Anterior, înainte de inventarea frigiderelor, strămoșii noștri verificau dacă un ou era proaspăt sau nu: ouăle proaspete se scufundă în apă curată, iar ouăle stricate plutesc, deoarece în ele se formează gaz.

Experimentul nr. 3 „Lămâie plutitoare în apă”(vezi Anexa 4)

Am umplut un recipient cu apă și am pus o lămâie în el. Lămâia plutește. Și apoi a decojit-o și a pus-o înapoi în apă. Lemon s-a înecat.

Concluzie: lămâia s-a scufundat pentru că densitatea ei a crescut. Coaja de lămâie este mai puțin densă decât interiorul ei și conține multe particule de aer care ajută lămâia să rămână la suprafața apei.

Experimentul nr. 4 (vezi Anexa 5)

1. Am turnat apa intr-un pahar si am pus-o afara. Când apa a înghețat, paharul a izbucnit. Am pus gheata formata intr-un recipient cu apa rece si am vazut ca pluteste.

2. Într-un alt recipient, sărați bine apa și amestecați până se dizolvă complet. Am luat gheață și am repetat experimentul. Gheața plutește și chiar mai bine decât în apă dulce, aproape jumătate ieșind din apă.

Totul clar! Un cub de gheață plutește pentru că atunci când îngheață, gheața se extinde și devine mai ușoară decât apa. Densitatea apei lichide obișnuite este puțin mai mare decât densitatea apei înghețate, adică a gheții.Pe măsură ce densitatea lichidului crește, forța de flotabilitate crește.

Date științifice:

1 fapt Arhimede: orice corp scufundat într-un lichid este supus unei forțe de plutire.

2 fapte Mihail Lomonosov:

Gheața nu se scufundă deoarece are o densitate de 920 kg/cub.m. Iar apa, care este mai densă, este de 1000 kg/cub.m.

Concluzie:

Am găsit 2 motive pentru imposibilitatea de scufundare a gheții:

Orice corp scufundat în apă este supus unei forțe de plutire.
Densitatea gheții este mai mică decât densitatea oricărei ape.

Să încercăm să ne imaginăm cum ar arăta lumea dacă apa ar avea proprietăți normale și gheața ar fi, așa cum ar trebui să fie orice substanță normală, mai densă decât apa lichidă.

Iarna, gheața mai densă înghețată de sus s-ar scufunda în apă, scufundându-se continuu în fundul rezervorului. Vara, gheața, protejată de un strat de apă rece, nu se putea topi.

Treptat, toate lacurile, iazurile, râurile, pâraiele aveau să înghețe complet, transformându-se în blocuri uriașe de gheață. În cele din urmă, mările aveau să înghețe, urmate de oceane. Lumea noastră frumoasă și înfloritoare ar deveni un deșert înghețat continuu, acoperit în unele locuri cu un strat subțire de apă topită.Una dintre proprietățile unice ale apei este capacitatea sa de a se extinde atunci când este înghețată. La urma urmei, atunci când toate substanțele îngheață, adică în timpul trecerii de la starea lichidă la starea solidă, se comprimă, dar apa, dimpotrivă, se extinde. Volumul său crește cu 9%. Dar când se formează gheață la suprafața apei, aceasta, fiind între aerul rece și apă, împiedică răcirea și înghețarea ulterioară a corpurilor de apă. Apropo, această proprietate neobișnuită a apei este importantă și pentru formarea solului în munți. Intrând în mici crăpături care se găsesc întotdeauna în pietre, apa de ploaie se extinde atunci când îngheață și distruge piatra. Astfel, treptat suprafața de piatră devine capabilă să adăpostească plantele care, cu rădăcinile lor, completează acest proces de distrugere a pietrelor și duc la formarea solului pe versanții munților.

Gheața se află întotdeauna la suprafața apei și servește ca un adevărat izolator termic. Adică apa de dedesubt nu se răcește la fel de mult; stratul de gheață o protejează în mod fiabil de îngheț. De aceea, este rar ca un corp de apă să înghețe până la fund în timpul iernii, deși acest lucru este posibil la temperaturi extreme ale aerului.

Creșterea bruscă a volumului atunci când apa se transformă în gheață este o caracteristică importantă a apei. Această caracteristică trebuie deseori luată în considerare în viața practică. Dacă lăsați un butoi cu apă la rece, apa va îngheța și va sparge butoiul. Din același motiv, nu trebuie să lăsați apă în caloriferul unei mașini parcate într-un garaj rece. În înghețuri severe, trebuie să fiți atenți la cea mai mică întrerupere a furnizării de apă caldă prin conductele de încălzire a apei: apa care s-a oprit în conducta exterioară poate îngheța rapid, iar apoi conducta va sparge.

Da, un buștean, oricât de mare ar fi, nu se scufundă în apă. Secretul acestui fenomen este că densitatea lemnului este mai mică decât densitatea apei.

Apropo...

Sunt copaci care se îneacă în apă! Motivul pentru aceasta este că densitatea lor este mai mare decât densitatea apei. Acești copaci sunt numiți copaci „de fier”. „Arborele de fier” includ, de exemplu, papagală persană, azobe (arborele african de fier tropical), arborele amazonian, abanosul, lemnul de trandafir sau lemnul de trandafir, kumaru și alții. Toți acești copaci au lemn foarte dur și dens, saturat cu uleiuri, coaja acestor copaci este rezistentă la putrezire. Prin urmare, o barcă făcută dintr-un astfel de copac va merge imediat la fund, dar „copacii de fier” sunt un material excelent pentru realizarea mobilierului.

În mări și oceane există uneori uriași munți de gheață - aisberguri. Aceștia sunt ghețari care au alunecat în jos din munții polari și au fost duși de curent și vânt în larg. Înălțimea lor poate ajunge la 200 de metri, iar volumul - câteva milioane de metri cubi. Nouă zecimi din masa totală a aisbergului este ascunsă sub apă. Prin urmare, întâlnirea cu el este foarte periculoasă. Dacă nava nu observă la timp gigantul de gheață în mișcare, acesta poate fi grav deteriorat sau chiar ucis într-o coliziune.

Orez. 4. Nouă zecimi din masa aisbergului se află sub apă.

Chiar și în ciuda faptului că nava este făcută din fier, este foarte grea și chiar transportă oameni și mărfuri, nu se scufundă. De ce? Dar ideea este că în navă, pe lângă echipaj, pasageri și marfă, există aer. Și aerul este mult mai ușor decât apa. Nava este proiectată astfel încât în interiorul ei să existe un spațiu plin cu aer. Acesta este cel care susține nava la suprafața apei și o împiedică să se scufunde.

Submarine

Submarinele se scufundă și se ridică, schimbându-și densitatea relativă. Au containere mari la bord - tancuri de balast. Când aerul iese din ele și apa este pompată, densitatea bărcii crește și aceasta se scufundă. La suprafață, echipajul elimină apa din rezervoare și pompează aer în ea. Densitatea scade din nou și barca plutește la suprafață. Tancurile de balast sunt plasate între carcasa exterioară și pereții compartimentului interior. Echipajul locuiește și lucrează în compartimentul interior. Submarinul este echipat cu elice puternice care îi permit să se deplaseze prin coloana de apă. Unele bărci au reactoare nucleare.

Concluzie.

Așa că, după ce am muncit mult, am înțeles. Că ipoteza mea despre motivul pentru care gheața nu se scufundă a fost confirmată.

Motive de nescufundare gheaţă:

1. Gheața este formată din cristale de apă cu aer între ele. Prin urmare, densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei.

2. O forță de plutire acționează asupra gheții din partea apei.

Dacă apa ar fi un lichid normal și nu un lichid unic, nu ne-ar plăcea să patinăm. Nu ne rostogolim pe sticlă, nu-i așa? Dar este mult mai netedă și mai atractivă decât gheața. Dar sticla este un material pe care patinele nu vor aluneca. Dar pe gheață, chiar dacă nu este de foarte bună calitate, patinajul este o plăcere. Vei întreba de ce? Cert este că greutatea corpului nostru apasă pe lama foarte subțire a patinei, care exercită o presiune puternică asupra gheții. Ca urmare a acestei presiuni a patinului, gheața începe să se topească, formând o peliculă subțire de apă pe care patinul alunecă perfect.

Aplicație

Anexa 1

Copiii mici pun foarte des întrebări interesante adulților și nu întotdeauna le răspund imediat. Pentru a nu parea prost copilului, va recomandam sa va familiarizati cu un raspuns complet si detaliat, rezonabil in ceea ce priveste flotabilitatea ghetii. La urma urmei, plutește, nu se îneacă. De ce se întâmplă asta?

Cum să explici unui copil procesele fizice complexe?

Primul lucru care îmi vine în minte este densitatea. Da, de fapt, gheața plutește pentru că este mai puțin densă decât . Dar cum să explici unui copil ce este densitatea? Nimeni nu este obligat să-i spună programa școlară, ci să reducă totul la faptul că este destul de reală. La urma urmei, de fapt, același volum de apă și gheață are greutăți diferite. Dacă studiem problema mai detaliat, putem exprima și alte motive, în afară de densitate.
nu numai pentru că densitatea sa redusă îl împiedică să se scufunde mai jos. Motivul este, de asemenea, că mici bule de aer sunt înghețate în gheață. De asemenea, reduc densitatea și, prin urmare, în general, se dovedește că greutatea plăcii de gheață devine și mai mică. Când gheața se extinde, nu ia mai mult aer, dar toate acele bule care sunt deja în interiorul acestui strat rămân acolo până când gheața începe să se topească sau să se sublimeze.