Vlastnosti vody: „Obyčajné zázraky“ v našom živote. Fyzika a chémia ľadu

Kapitola 12 Voda je jednou z kľúčových zložiek ľudského života. Voda je jedovatá, voda je liečivá. Zlepšenie domu a ľudského tela pomocou vody. Čistenie amuletov a talizmanov vodou Voda je jedným z univerzálnych symbolov vesmíru. Verili napríklad Číňania

Prečo rodičia potrebujú budhizmus a prečo by sa budhisti mali stať rodičmi poháňanými láskou a súcitom Pre tých, ktorí ešte nepoznali túto pravú povahu, venujem svoje činy v prospech iných: Nech všetky bytosti dosiahnu oslobodenie! Prejavil som sa v človeku

Voda a my „Čo je na tom, že sa povaľuješ pri brehu a uisťuješ sa, že v mori nie sú žiadne perly? Musíte odplávať od brehu a ponoriť sa hlboko ... “Už nie je pre nikoho tajomstvom, že všetko živé začalo svoj vývoj vo vodnom prostredí, a preto takmer 80% tvorí voda.

Hustota

Hustota čistého ľadu ρ h pri teplote 0 ° C a tlaku 1 atm (1,01105 Pa) je 916,8 kg / m3. So zvyšujúcim sa tlakom sa hustota ľadu mierne zvyšuje. Takže na základni antarktického ľadového štítu v miestach jeho najväčšej hrúbky, dosahujúcej 4200 m, môže hustota ľadu dosiahnuť 920 kg/m 3 . Hustota ľadu sa zvyšuje aj s poklesom teploty (asi o 1,5 kg/m 3 pri poklese teploty o 10 °C).

Tepelná deformácia

S poklesom teploty sa zmenšujú lineárne rozmery a objem vzoriek a ľadových hmôt a so zvýšením teploty sa pozoruje opačný proces - tepelná expanzia ľadu. Koeficient lineárnej rozťažnosti ľadu závisí od teploty a zvyšuje sa s jej nárastom. V teplotnom rozsahu od -20 do 0 ° C je koeficient lineárnej rozťažnosti v priemere 5,5-10~5. a koeficient objemovej rozťažnosti je 16,5-10"5 na 1 °C. V rozsahu od -40 do -20 °C koeficient lineárnej rozťažnosti klesá na 3,6-10"5 na 1 °C.

Teplo fúzie a sublimácie

Množstvo tepla potrebného na roztopenie jednotkovej hmotnosti ľadu bez zmeny jeho teploty sa nazýva špecifické teplo topenia ľadu. Mraziaca voda uvoľňuje rovnaké množstvo tepla. Pri 0 °C a normálnom atmosférickom tlaku je špecifické teplo topenia ľadu Lm = 333,6 kJ/kg.

Latentné teplo vyparovania vody v závislosti od jej teploty sa rovná
L isp \u003d 2500 - 246 kJ / kg,
kde 6 je teplota ľadu v °C.

Špecifické teplo sublimácie ľadu, t.j. množstvo tepla potrebného na priamy prechod čerstvého ľadu na paru pri konštantnej teplote sa rovná súčtu tepelných nákladov potrebných na roztopenie ľadu Lpo a odparenie vody Lsp:
L vzduch =L pl +L použitie

Špecifické teplo sublimácie je takmer nezávislé od teploty vyparujúceho sa ľadu (pri 0 °С Lsub = 2834 kJ/kg, pri -10 °С - 2836, pri -20 °С - 2837 kJ/kg). Počas sublimácie pary sa uvoľňuje podobné množstvo tepla.

Tepelná kapacita

Množstvo tepla potrebné na zahriatie jednotkovej hmotnosti ľadu o 1 °C pri konštantnom tlaku sa nazýva merné teplo ľadu. Tepelná kapacita čerstvého ľadu C l klesá s klesajúcou teplotou:
C l \u003d 2,12 + 0,00786 kJ / kg.

rezhelation

Ľad má vlastnosť reglaciácie (zamrznutia), ktorá sa vyznačuje tým, že pri kontakte dvoch kusov ľadu a ich stlačení zamrznú. Pôsobením lokálneho zvýšeného tlaku na kontakty môže dôjsť k určitému topeniu ľadu. Vzniknutá voda sa vytlačí na miesta, kde je menší tlak, a tam zamrzne. Zamrznutie ľadových plôch môže nastať ako bez tlaku, tak aj bez účasti kvapalnej fázy.

Vďaka vlastnostiam rozlíšenia sa trhliny v ľadových štítoch a masívoch dokážu „zaceliť“ a prasknutý ľad sa môže zmeniť na monolitický ľad. To je veľmi dôležité pri použití ľadu ako stavebného materiálu na výstavbu inžinierskych stavieb (sklady ľadu, vodotesné jadrá vodných stavieb a pod.).

metamorfóza

Metamorfóza ľadu je zmena jeho štruktúry a textúry pod vplyvom molekulárnych a termodynamických procesov. Tieto procesy sa najplnšie prejavia pri tvorbe metamorfovaného ľadu, kedy sa z počiatočného nahromadenia čiastočiek snehu, ktoré sú sotva vo vzájomnom kontakte, časom vytvorí súvislý, nepreniknuteľný agregát ľadových kryštálikov. V tomto prípade dochádza k relatívnym posunom kryštálov, povrchovým zmenám ich tvaru a veľkosti, deformácii a rastu niektorých kryštálov na úkor iných.

V kryštalickom ľade sa metamorfóza vyskytuje najmä vo forme kolektívnej rekryštalizácie so zväčšením priemernej veľkosti kryštálov a znížením ich počtu na jednotku objemu. S rastúcou veľkosťou kryštálov sa intenzita rekryštalizácie spomaľuje.

Optické vlastnosti

Ľad je jednoosý, opticky pozitívny, dvojlomný kryštál s najnižším indexom lomu zo všetkých známych minerálov. V dôsledku dvojlomu sa svetelný tok v kryštáli polarizuje. To umožňuje určiť polohu kryštálových osí pomocou polaroidov.

Keď svetlo prechádza cez polykryštalický ľad, tok je oslabený v dôsledku absorpcie a rozptylu, zatiaľ čo svetelná energia sa premieňa na tepelnú energiu, čo spôsobuje zahrievanie žiarenia a topenie ľadu. Rozptýlené svetlo sa šíri v ľade všetkými smermi, vrátane výstupu cez ožiarený povrch. V dôsledku rozptylu svetla vyzerá ľad modrý a dokonca smaragdový a ak je v ľade značné množstvo vzduchových inklúzií, stáva sa bielym.

Pomer množstva energie rozptýleného lúča odrazeného od povrchu ľadu a vystupujúceho cez povrch k celkovej energii svetla vstupujúceho na povrch sa nazýva ľadové albedo. Hodnota albeda závisí od stavu ľadovej plochy - pre čistý studený ľad je hodnota albeda asi 0,4 a keď sa povrch roztopí a znečistí, zníži sa na 0,3-0,2. Pri ukladaní snehu na ľadovú plochu sa albedo výrazne zvyšuje. Albedo snehovej pokrývky sa pohybuje od 0,95 pre čerstvo napadnutý suchý sneh v polárnych a horských oblastiach do 0,20 pre mokrý znečistený sneh.

Voitkovský K.F. Základy glaciológie. M.: Nauka, 1999, 255 s.

Rozširuje alebo zmenšuje? Odpoveď je takáto: s príchodom zimy voda začína svoj proces expanzie. Prečo sa to deje? Táto vlastnosť odlišuje vodu od zoznamu všetkých ostatných kvapalín a plynov, ktoré sa naopak pri ochladzovaní stláčajú. Aký je dôvod tohto správania tejto nezvyčajnej kvapaliny?

Fyzikálny stupeň 3: Rozťahuje sa voda alebo sa zmršťuje, keď zamrzne?

Väčšina látok a materiálov sa pri zahrievaní rozťahuje a pri ochladzovaní sa zmršťuje. Plyny vykazujú tento efekt výraznejšie, ale rôzne kvapaliny a pevné kovy vykazujú rovnaké vlastnosti.

Jedným z najvýraznejších príkladov expanzie a kontrakcie plynu je vzduch v balóne. Keď vezmeme balón von v mínusovom počasí, balón sa okamžite zmenší. Ak privedieme loptu do vykurovanej miestnosti, okamžite sa zvýši. Ale ak prinesieme balónik do vane, praskne.

Molekuly vody vyžadujú viac miesta

Dôvodom, prečo dochádza k týmto procesom expanzie a kontrakcie rôznych látok, sú molekuly. Tie, ktoré dostávajú viac energie (to sa deje v teplej miestnosti), sa pohybujú oveľa rýchlejšie ako molekuly v chladnej miestnosti. Častice, ktoré majú viac energie, sa zrážajú oveľa aktívnejšie a častejšie, potrebujú viac priestoru na pohyb. Aby sa udržal tlak vyvíjaný molekulami, materiál sa začne zväčšovať. A deje sa to celkom rýchlo. Takže sa voda rozťahuje alebo zmršťuje, keď zamrzne? Prečo sa to deje?

Voda tieto pravidlá nedodržiava. Ak vodu začneme chladiť na štyri stupne Celzia, tak zmenší svoj objem. Ale ak teplota naďalej klesá, voda sa zrazu začne rozširovať! Existuje taká vlastnosť ako anomália v hustote vody. Táto vlastnosť nastáva pri teplote štyroch stupňov Celzia.

Teraz, keď sme zistili, či sa voda pri zamrznutí rozširuje alebo zmršťuje, poďme zistiť, ako k tejto anomálii vôbec dochádza. Dôvod spočíva v časticiach, z ktorých sa skladá. Molekula vody sa skladá z dvoch atómov vodíka a jedného kyslíka. Každý pozná vzorec vody už od základnej školy. Atómy v tejto molekule priťahujú elektróny rôznymi spôsobmi. Vodík má kladné ťažisko, kyslík naopak záporné. Keď sa molekuly vody navzájom zrazia, atómy vodíka jednej molekuly sa prenesú na atóm kyslíka úplne inej molekuly. Tento jav sa nazýva vodíková väzba.

Voda potrebuje pri ochladzovaní viac miesta

V momente, keď sa začne proces tvorby vodíkových väzieb, sa vo vode začnú objavovať miesta, kde sú molekuly v rovnakom poradí ako v kryštáliku ľadu. Tieto polotovary sa nazývajú zhluky. Nie sú odolné, ako v pevnom kryštáli vody. Keď teplota stúpa, sú zničené a menia svoje umiestnenie.

Počas procesu sa počet zhlukov v kvapaline začne rýchlo zvyšovať. Vyžadujú viac priestoru na šírenie, a preto sa voda po dosiahnutí abnormálnej hustoty zväčšuje.

Keď teplomer klesne pod nulu, zhluky sa začnú meniť na drobné ľadové kryštáliky. Začínajú stúpať. V dôsledku toho všetkého sa voda mení na ľad. Ide o veľmi nezvyčajnú schopnosť vody. Tento jav je nevyhnutný pre veľmi veľké množstvo procesov v prírode. Všetci vieme, a ak nevieme, potom si pamätáme, že hustota ľadu je o niečo menšia ako hustota studenej alebo studenej vody. To umožňuje ľadu plávať na hladine vody. Všetky nádrže začínajú zamrznúť zhora nadol, čo umožňuje vodným obyvateľom existovať na dne a nezamrznúť. Takže teraz vieme podrobne o tom, či sa voda pri zamrznutí rozširuje alebo sťahuje.

Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Ak vezmeme dva rovnaké poháre a do jedného nalejeme horúcu vodu a do druhého rovnaké množstvo studenej vody, všimneme si, že horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Nie je to logické, však? Horúca voda musí vychladnúť skôr, než začne mrznúť, ale studená nie. Ako vysvetliť túto skutočnosť? Vedci dodnes nedokážu vysvetliť túto hádanku. Tento jav sa nazýva Mpemba efekt. Objavil ho v roku 1963 vedec z Tanzánie za nezvyčajných okolností. Študent si chcel urobiť zmrzlinu a všimol si, že horúca voda rýchlejšie zamrzne. Podelil sa o to so svojím učiteľom fyziky, ktorý mu najskôr neveril.

zahriaty plameň a v druhom pochádza rovnaké množstvo tepla z relatívne studeného železa.

Experimenty ukázali, že v oboch prípadoch nie je rozdiel, a preto teplo, uvažované vo vzťahu k jeho schopnosti ohrievať telesá a meniť ich skupenstvo, je veličina podliehajúca presnému meraniu a nemôže predstavovať kvalitatívne rozdiely.

C. Maxwell. "Teória tepla", % 1883.

Rozšírenie vody pri zamrznutí.

Od 4°C. až k bodu mrazu voda pri ochladzovaní expanduje a keď sa zmení na ľad, k jej expanzii dochádza rýchlo a náhle. Ľad, ako viete, pláva na vode, pretože vďaka expanzii sa stáva ľahším ako ona.

Sila, s ktorou dochádza k tejto expanzii vody, keď zamrzne, je obrovská. Aby sme si vytvorili predstavu o tomto napätí, urobme experiment: voda sa naleje do železnej nádoby, ktorej steny sú hrubé pol palca. Množstvo vody nie je veľké, ale napĺňa nádobu; potom sa pevne uzavrie vekom naskrutkovaným na hrdle. Berieme ďalšie podobné plavidlo. Obe nádoby ponorte do chladiacej zmesi. Postupne sa ochladzujú, voda v nich dosiahne bod najväčšej hustoty a nepochybne v tomto bode úplne nenaplní fľaše, ale zanechá vo vnútri malé prázdno. Ale čoskoro sa stláčanie vody zastaví, nastane expanzia; prázdnota sa pomaly zapĺňa; voda sa postupne mení z kvapalného skupenstva h pevný a jeho objem sa zväčšuje a steny železnej nádoby tomuto zväčšeniu objemu odolávajú. Ale ich odpor je bezmocný pred molekulárnymi silami: molekuly sú v prestrojení obri. Ozve sa praskavý zvuk: fľaša je roztrhnutá kryštalizujúcimi časticami; to isté sa stane s druhou fľašou.

V ďalšom experimente s hlasným výbuchom praskli hrubé steny delostreleckej bomby: bomba bola naplnená vodou, pevne priskrutkovaná a umiestnená do vane s chladiacou zmesou. Pri vykonávaní tohto experimentu je potrebné zakryť vaňu hrubým plátnom: keď som to neurobil, úlomky bomby boli vyhodené až k stropu.

Teraz chápete vplyv mrazu na vodovodné potrubia v domoch. Bežne sa predpokladá, že prasknutie potrubia nastáva počas topenia ľadu v potrubiach *), ale v skutočnosti k nemu dochádza pri mrazení:

*) Kvôli zlý tepelná vodivosť steny a pôda, chladný veľmi pomaly o niket naprieč ich a dosiahne Inštalatérstvo potrubia v domy (najmä v pivnice) s zna pedantný neskoro - často iba potom, kedy vonku budova mal čas už po mráz stúpiť na rozmraziť; v toto, na všetky pravdepodobnosť, a by mal pozri dôvod bežné chodidlo bludy, ako keby Inštalatérstvo potrubia výbuch nie v mrazenie, a v rozmraziť, tie. nie od zmrazenie voda, a od topenie ľad.- Comp.

keď voda zamrzne, potrebuje viac miesta ako keď je tekutá.

To odlišuje vodu od väčšiny kvapalín a plynov, ktoré sa pri ochladzovaní zmršťujú. Prečo sa však správa tak nezvyčajne?

Väčšina látok sa pri zahrievaní rozťahuje a pri ochladzovaní sťahuje. V plynoch je tento účinok obzvlášť výrazný. Kvapaliny a pevné látky sa správajú rovnako. Dobrým príkladom je vzduch v balóne: v chladnom počasí sa balón zmenšuje a v blízkosti radiátora môže dokonca prasknúť.

Molekuly potrebujú miesto

Molekuly sú dôvodom tohto vzoru: čím je predmet alebo plyn teplejší, to znamená, že čím viac energie molekuly prijímajú, tým rýchlejšie sa pohybujú. Preto sa molekuly častejšie a silnejšie zrážajú, potrebujú viac priestoru a zvyšuje sa tlak, ktorý molekuly plynu vyvíjajú na obal balóna. Na odolanie tlaku je potrebný väčší objem, takže sa materiál roztiahne.

Voda sa však správa inak. Pri ochladení na cca 4 stupne Celzia sa objem vody zmenšuje, čo je celkom očakávané. Ak však teplota naďalej klesá, voda sa začne rozširovať. To znamená, že jeho hustota dosahuje maximálnu hodnotu pri 4 stupňoch. Táto vlastnosť sa nazýva anomália hustoty vody.

Ale odkiaľ pochádza? Všetko je to o molekulách: jedna molekula vody pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka – odtiaľ známy chemický vzorec H2O. Tieto atómy však priťahujú elektróny v molekule vody s rôznou silou.

To vytvára mierne kladné ťažisko pre vodík a záporné ťažisko pre kyslík. Pri zrážke molekúl vody sa atómy vodíka jednej molekuly priťahujú a pripájajú k atómom kyslíka druhej molekuly – vzniká takzvaná vodíková väzba.

Keď sa voda ochladí, je potrebný väčší priestor

V dôsledku tvorby vodíkových väzieb v tekutej vode vznikajú miesta, kde sú molekuly usporiadané rovnako ako v ľadových kryštáloch. Tieto takzvané zhluky nie sú také silné ako v pevnom kryštáli: pri vyšších teplotách sa veľmi rýchlo menia.

Ako sa voda ochladzuje, objavuje sa čoraz viac týchto zhlukov. A potrebujú stále viac miesta – z tohto dôvodu sa voda začína rozpínať po dosiahnutí prahovej hodnoty 4 stupňov Celzia. Ak teplota klesne pod nulu, potom prevládnu najmenšie ľadové kryštály vytvorené z klastrov a voda zamrzne.

Pre mnohé prírodné procesy je táto nezvyčajná vlastnosť vody veľmi dôležitá. Keďže hustota ľadu je o niečo menšia ako hustota studenej vody, môže plávať na hladine nádrže. Voda kvôli tomu zamŕza zhora nadol a na dne je 4-stupňová vrstva vody s maximálnou hustotou. To umožňuje rybám a iným vodným obyvateľom prežiť zimu na dne nádrže a nezamrznúť.