Плавление льда значение в жизни человека – Плавление льда с точки зрения природы и его роль

Содержание

Плавление льда с точки зрения природы и его роль

Удивительное явление природы – смена физического состояния вещества при неизменности химического состава. Осенью застывают водоемы, покрываясь коркой льда. Каждую весну под воздействием жаркого солнца мы наблюдаем таяние льда. Важно, чтобы вода в твердом своем состоянии получила необходимое количество теплоты, изменилась, выражаясь языком физиков, внутренняя энергия тела. Она заставляет молекулы двигаться интенсивнее. Благодаря этому состояние вещества изменяется, твердое становится текучим. Такая трансформация свойственна многим веществам: металлам, органическим пластикам, парафину, маслу. Каждому веществу нужна своя порция тепла.

Плавление льда

Опыты, как тающий лед превращается в воду, делали все: кубики в бокале уменьшаются в размере, делая жидкость прохладнее. Морфологическое превращение льда неизменно сопровождается поглощением тепла. Формула воды H₂O при этом остается неизменной. Что же тогда меняется? Движение молекул. Они начинают хаотично перемещаться. Таяние льда – процесс, при котором упорядоченная структура разрушается, кристаллы трансформируются сначала в кашицу, затем – в жидкое состояние. Такое изменение требует энергии, она передается из внешней среды молекулам. Изменяется их внутренняя энергия, она не дает им устоять в углах кристаллической решетки. Давайте разбираться с температурой. Повышается ли она во время таяния? Лед до полного превращения в воду своей температуры не изменяет. Это легко проверить с помощью градусника. При температуре ноль градусов лед становится водой, это температура плавления. Разрабатывая температурную шкалу, за ноль приняли температуру трансформации льда и кристаллизации Н

2О, как самого встречающегося вещества в окружающей среде.

Параметр, при котором текучее вещество трансформируется в твердое состояние, называется температурой кристаллизации. Она совпадает с параметром, когда лед становится водой, это температура плавления. Для Н

2О она равна нулю. Казалось бы, возникает парадокс: внутренняя энергия молекул под воздействием внешнего тепла возрастает, а температура в процессе изменения агрегатного состояния неизменна. Но не будем забывать, что кристаллическая решетка разрушается, связи между молекулами рвутся, изменяется полярная ориентация атомов. Кислород смещается к одному полюсу, водород – к другому. Благодаря этому физико-химическому свойству, вода приобретает текучесть, становится вязкой.

Удельная теплота плавления

Сколько нужно нагревать килограмм льда, чтобы он стал водой? Сколько тепла вбирает тающий лед? Эта величина устанавливается экспериментальным путем, в физике она называется удельной теплотой плавления льда. Аналогичным путем устанавливаются удельные теплоты других веществ. Их единица измерения внесена в международную систему СИ (интернациональную систему измерения). Это отношение единицы тепла (Джоуль) к единице веса (килограмму). Обозначают параметр буквенным символом – греческой буквой λ (лямбда). Значение удельной теплоты плавления λ = 3337Дж/кг или 3,4 кДж/кг.

Несложно понять, как она высчитывается:

взвешивается кусок льда;
определяется общий объем теплоты, потраченной на его трансформацию (для этого используют калориметр).

Физическим равенством это записывается следующим образом: λ = Q/m, где

m– масса куска твердого вещества, измеряется в кг.

Зная это равенство, можно решать задачи: λ всегда неизменна, это константа. Зная один из двух оставшихся параметров, легко найти третий:

m = Q/ λ;

Q = λm.

Есть еще одно понятие, связанно с процессом плавления – теплоемкость. Она у всех веществ различная, характеризует объем тепла, необходимого для перевода единицы массы вещества в другое агрегатное состояние путем нагрева или охлаждения.

Роль теплоты плавления льда и кристаллизации воды в природе

Экспериментальным путем процесс растворения льда и кристаллизации изучил естествоиспытатель, физик, химик из Шотландии Джозеф Блек, живший в далеком XVIII веке. Он впервые ввел физическое понятие теплоты плавления. В своей работе он установил важность неизменности температуры таяния льдов. Заметил, что был бы неизбежен коллапс, если бы атомы не поглощали в большом объеме тепло воздуха, прогретого солнцем. Тающий лед стал бы весной причиной опасных наводнений. Он растворялся бы с катастрофической скоростью. Поглощение тепла при разрушении ледяного покрова и снега замедляет процесс. Доказательством выделения тепла при кристаллизации воды служат обязательное потепление воздуха после обильного или продолжительного снегопада. В окружающем нас мире все взаимосвязано, продумано до мельчайших деталей.

vodavomne.ru

Структура льда, нановода

Это продолжение статьи, начало — на предыдущих страницах данного раздела.

Кристаллическая структура льда напоминает структуру алмаза: каждая молекула Н₂O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра под углами, равными 109°28′ (рис. 34). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH₄F) во льде крайне низкая. При плавлении льда его кристаллическая структура частично сохраняется в жидкой воде.

Таблица. Некоторые данные о структурах модификаций льда

Модифи
кация

Сингония

Фёдоровская группа

Длины водородных связей,

Углы О—О—О в тетраэдрах

III

VII

VIII

Гексагональная

Кубическая

Тригональная

Тетрагональная

Моноклинная

Тетрагональная

Кубическая

Тетрагональная

P63/mmc

F43m

P41212

A2/a

P42/nmc

Im3m

P41212

2,76

2,75—2,84

2,76—2,8

2,76—2,87

2,79—2,82

2,86

2,76—2,8

109,5

80—128

87—141

84—135

76—128

109,5

87—141

Примечание. 1 A=10^-10 м.

Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации, который распространён в природе в виде материкового, плавающего, подземного льда, а также в виде снега, инея и т.д. В отличие от природного льда льды II, III и V-й модификации могут существовать при очень низких температурах до —170°С. При нагревании до температуры —150°С образуется кубический лёд Ic. Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода. Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м² (200 тыс. кгс/см²). При этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С. Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII. Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму. Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. В лабораторных экспериментах этого удалось достичь с помощью катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.

Значение льда для формирования и функционирования жизни трудно переоценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком в толще льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого на Земле.

Аналогично воде, кристалл льда способен хранить информацию. Группа ученых провела очень интересный эксперимент в Арктике. Было проведено зондирование во льду на глубине полкилометра. При этом отчётливо детектировались слои льда разных лет. Также был сделан изотопный анализ дейтерия и изотопов кислорода в составе Арктического льда. Согласно исследованиям, вода всегда успевала „запомнить” информацию соответствующего года. Оказалось, что самыми холодными были XV, конец XVII – го и начало XIX века. А самыми теплыми были 1550 и 1930 г.

Но самое удивительное в структуре льда заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США) (рис. 35).

Вода в моделируемом эксперименте «помещалась» в нанотрубки диаметром от 1,35 до 1,90 нм. под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех экспериментах имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается.

Рис. 35. Общий вид структуры воды в нанотрубках (изображение New Scientist)

Молекулы воды связаны между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами — 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы H₂O соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных «трубок» соединенных между собой, как пчелиные соты.

Согласно данным компьютерного моделирования, при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Последний факт накладывает отпечаток не только на эволюцию наших представлений о воде, но и эволюцию ранней жизни и самой молекулы ДНК. Если предположить, что в эпоху зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, возникает вопрос — не могла ли вода, сорбированная в них служить структурной основой – матрицей для синтеза ДНК и считывания информации? Возможно, поэтому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как сообщает журнал New Scientist, теперь нашим зарубежным коллегам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных условиях с использованием инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.

Такие исследования нанокристаллов льда были проведены в 2007 году Микаелидес из Центра нанотехнологий в Лондоне и Моргенштерн из университета им. Лейбница в Ганновере (рис. 36). Они охлаждали водяной пар над поверхностью металлической пластины, находящейся при температуре 5 градусов Кельвина. Вскоре с помощью сканирующего туннельного микроскопа на пластине удалось наблюдать гексамер (шесть соединенных между собой молекул воды) — мельчайшую снежинку. Это самый маленький из возможных кластеров льда. Ученые наблюдали также кластеры, содержащие семь, восемь и девять молекул.

Рис. 36. Изображение гексамера воды, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа Размер гексамера в поперечнике — около 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology

Разработка технологии, позволившей получить изображение гексамера воды – само по себе важное научное достижение. Для наблюдения пришлось сократить зондирующий ток до минимума, что и позволило предохранить слабые связи между отдельными молекулами воды от разрушения вследствие процесса наблюдения. Помимо этого, в работе были использованы теоретические подходы квантовой механики. Комплексный подход дал впечатляющие результаты.

В отличие от кристаллического льда, где между всеми молекулами воды энергия связи одинакова, в нанокластерах есть чередование сильных и слабых связей (и соответствующих расстояний) между отдельными молекулами. Получены также важные результаты о способности молекул воды к распределению водородных связей и к их связи с поверхностью металла.

Теоретические анализы Опарина, эксперименты Миллера, Фокса и др. бесспорно доказывают, что в природе могут структурироваться органические молекулы из неорганических. Главным источником энергии в их экспериментах является тепло. В природе это солнечная радиация и энергия магмы. Другой очень существенный вывод – это, что зарождение жизни может произойти в щелочной среде. Во всех случаях наблюдается самоорганизация.

В XIX в. Пастьор обратил внимание, что в неживой природе молекулы являются симметрическими. А в живой природе наблюдается зеркальная ассиметрия молекул. Белки состоят из ориентированных влево аминокислот. Данное свойство определяется верчением молекулой равнины поляризации света. Как объяснить феномен?

Возможно, наличие ассиметрии в органических молекулах проявилось, когда открытая система, предшествувающая биосферу, находилась в крайне неравновесном критическом состоянии.

Произошел прыжкообразный эволюционный переход, что является характерной особенностью самоорганизации. Примером такого состояния являются эксперименты, где водные молекулы напоминают ДНК в нанотрубах. Переход из симметричных молекул неживой природы к ассиметричным биомолекулам живой может произойти на начальном этапе химической эволюции, как самоорганизация материи. Проф. Антонов доказал, что вода тоже является открытой системой и обменивается энергией и веществами с окружающей средой (проф. Антонов, 1992).

Такие экстремальные условия наблюдаются при вулканической деятельности,ются симметрическими. А в живой природе наблюдается зеркальная ассиметрия молекул. Белки состоят из ориентированных влево аминокислот. Данное свойство определяется вращением молекулой плоскости поляризации света. Как объяснить феномен? Возможно, наличие ассиметрии в органических молекулах проявилось, когда открытая система, предшествувающая биосферу, находилась в крайне неравновесном критическом состоянии. Такие экстремальные условия наблюдаются при вулканической деятельности, разрядах в атмосфере молодой Земли. Минеральная вода, взаимодействуюшая с карбонатом кальция, а также морская вода, являются благоприятным спектром для сохранения самоорганизующихся структур. Эффект Кирлиана в лабораторных условиях создает селективный разряд. При экспериментах Миллера тоже создаются неравновесные экстремальные условия с газовым разрядомПроизошел прыжкообразный эволюционный переход, что является характерной особенностью самоорганизации. Примером такого состояния являются эксперименты, где водные молекулы напоминают ДНК в нанотрубах. Переход из симметричных молекул неживой природы к ассиметричным биомолекулам живой может произойти на начальном этапе химической эволюции, как самоорганизация материи. Проф. Антонов доказал, что вода тоже является открытой системой и обменивается энергией и веществами с окружающей средой (проф. Антонов, 1992).глядит развитие Вольвокса. а) В течение первых пяти делений получается зародышевый диск из 32 (2⁵) одинаковых клеток, этот диск сворачивается в сферу и из стенки родительской колонии выходит во внутреннее пространство колонии. b) Шестое деление клеток дает по две неравных по размеру клетки, одну большую и одну маленькую. с) Большие клетки делятся еще несколько раз на неравные по размеру клетки, а потом и вовсе прекращают деление, а маленькие клетки в это время продолжают обычное равномерное деление. d) На одном конце сферического зародыша появляется крестообразное отверстие. e) Это один из самых волнующих эпизодов взросления Вольвокса. Все клетки до того момента располагались жгутиками внутрь, так получилось, когда зародышевый диск сворачивался в сферу в начале развития, то есть был вывернут наизнанку. Теперь же зародыш должен вывернуться на лицевую сторону. И вот зародыш через появившееся отверстие начинает это выворачивание. f) После того как зародыш вывернулся до конца и все его жгутики торчат наружу, он считается совершеннолетним, после только увеличивается в размерах и вскоре покидает родительскую сферу. Из статьи D.L.Kirk (2005)

Развитие вольвокса имеет ряд удивительных особенностей самоорганизации, усложнения, сохранения и обмен информации живой материи. Однако самым любопытным фактом, является то, что такое важное эволюционное событие, как появление многоклеточности, на протяжение эволюции происходило неоднократно у разных групп животных и растений. Однако, рекордсменом, достойным книги Гиннеса, является семейство водорослей, к которому принадлежит вольвокс: многоклеточность в нем возникала независимо не менее 9 раз.

И наконец, в 2010 г. был осуществлён эксперимент американского учёного Крейга Вентера, который доказал способность передачи информации от одной клетки к другой. Он химическим путем синтезировал геном бактерии Mycoplasma mycoides и вставил его в клетку другого микроорганизма — Mycoplasma capricolum, из которой перед этим были удалены все гены. Полученный генный конструкт выжил, стал размножаться и повел себя как обычная бактерия Mycoplasma mycoides. Таким образом, впервые в мире удалось создать искусственный геном – своеобразный биокомпьютер и заставить живую клетку жить с этим генетическим кодом. Описание этой работы опубликовано в журнале Science.

Рис. Клетка с геномом другой клетки, Вентер

Цель эксперимента состояла в том, чтобы трансплантировать искусственно модифицированный геном одной из простейших бактерий (Mycoplasma mycoides) в клетки другой бактерии (Mycoplasma capricolum). Необычность этой манипуляции в том, что обмен геномами до сих пор был возможен между клетками разных типов – прокариотами и эукариотами, существенно отличающимися между собой по строению и представляющими собой две разные таксономические группы организмов. Вентеру удалось создать химерный гибридный организм из двух прокариот в отличие от природы, создавшей жизнь до уровня клетки из воды, атомов и молекул окружающей среды.

Таким образом, на основе многочисленных исследований, доказательств и модельных экспериментов человеческий ум стремится постичь загадку происхождения жизни, зародившейся в воде и покорившая все природные стихии.

Д-р И. Игнатов, О. В. Мосин

www.o8ode.ru

Мир льда | Социальная сеть работников образования

Введение

Актуальность и практическая значимость данной темы связана с тем, что на Земле нет более распространенного вещества, чем вода в жидкой и твердой фазах. Во Вселенной, в том числе в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. По мнению ряда ученых, жизнь на Земле тоже появилась благодаря льду – космическому. Вместе с тем, свойства этого простого вещества не до конца понятны и изучены.

Цель данной работы – рассмотрение отдельных физических свойств льда.

Задача работы – сбор материалов по выбранной теме, проведение экспериментов по изучению ряда свойств льда.

Практическая ценность (значимость) работы заключается в исследовании некоторых аномальных свойств льда (определение удельной теплоты плавления, увеличение объема воды при кристаллизации). Кроме того, проведены наблюдения за процессом вытеснения примесей при кристаллизации льда, на котором основано очищение воды методом замораживания – оттаивания.

Методы работы: изучение литературы по выбранной теме, наблюдения, эксперимент.

Теоретическая часть

1. Разновидности льда

Лёд — это вода в твёрдом состоянии (твёрдой фазе). Основные запасы льда на Земле составляют около 30 млн. куб. км и сосредоточены в полярных странах. Различают: атмосферный (снег, иней, град), водный, ледниковый и подземный лёд. Атмосферный лёд — ледяные частицы, взвешенные в атмосфере или выпадающие в виде осадков.

Снег — атмосферные осадки, состоящие из мелких кристалликов льда.

Град — атмосферные осадки в виде частичек льда круглой или неправильной формы. Град выпадает в тёплое время года обычно при ливнях и грозах.

Иней – тонкий неравномерный слой ледяных кристалликов, образующихся из водяного пара при охлаждении земной поверхности до отрицательных температур, боле низких, чем температура воздуха.

Ледяной покров – сплошной лёд, образующийся в холодное время года на поверхности воды. В высокоширотных областях существует весь год. Подземные льды – льды, находящиеся в верхних слоях земной коры. Ледниковый лёд – монолитная ледяная порода, слагающая ледник. Образуется из скопления снега, в результате его уплотнения.

Морской лёд – лёд, образующийся в море в результате замерзания морской воды, отличается от речного льда солёностью.

2. Физические свойства льда

Лёд — кристаллическое вещество без цвета, вкуса и запаха. При атмосферном давлении лёд образуется и плавится при 0С. Химическая формула – h3O.

В начале 20 века было открыто явление полиморфизма льда (способность льда к разному кристаллическому строению с разными физическими свойствами). В настоящие время известны 15 кристаллических и 3 аморфных разновидности льда. В природе существует лишь одна разновидность, хорошо нам знакомая. Остальные получают, моделируя условия, существующие в космосе или в недрах нашей планеты.

У льда (обычного) каждая молекула h3O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковом расстоянии от неё и размещенными в вершинах правильного тетраэдра. Фиксированное положение занимают только атомы кислорода. Два атома водорода могут занимать различные положения на четырёх связях молекулы h3O с другими соседями. У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент времени её окружают от 4 до 5 «соседок», то есть молекулы располагаются теснее, чем у льда. Поэтому плотность воды больше. Плотность льда 916, 7 кг/м3., а воды 999,8 кг/м3. Вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объем примерно на 9%. Лёд, будучи легче воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды. Это аномалия. Другие вещества, замерзая, сжимаются.

У льда низкая теплопроводность, которая незначительно увеличивается с повышением температуры. Удельная теплоёмкость льда 2100Дж/ кг °С .

Чтобы растопить лёд, нужно очень много тепла. Удельная теплота плавления льда 3,4۰105Дж/кг. Исключительно большое значение теплоты плавления – тоже аномальное свойство. При образовании льда, то есть при замерзании воды, такое же количество теплоты выделяется. Зимой, когда образуется лёд и выпадает снег, это тепло подогревает землю и воздух.

Температура плавления льда повышается с ростом давления, поэтому он плавится под действием механической нагрузки, а потом смерзается. Это явление называется режеляцией. Большое значение режеляция имеет зимой на железных дорогах. При небольшом снегопаде в безветренную погоду выпадающий снег не нарушает нормального движения железнодорожного состава. Под колёсами вагонов возникает значительное давление, и снег плавится, но как только вагон минует данное место плавления, вода на нём превращается в лёд. Режеляция обеспечивает работу ледяных дорог, прокладываемых в горах.

Природный лёд обычно чище, чем вода, так как при кристаллизации растущий кристалл льда всегда стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру. Поэтому даже самые грязные лужи покрываются прозрачным чистым льдом. В планетарном масштабе именно эта способность льда играет роль гигантского очистительного процесса – вода на земле всё время очищает себя.

Лёд – твёрдое вещество. Но он может медленно изменять форму, обладает текучестью – способностью деформироваться под механическим напряжением. Текучесть льда в 106 раз больше, чем у горных пород. Благодаря этому лёд не накапливается в одном месте, а в виде ледников постоянно перемещается. Некоторые гималайские ледники движутся со скоростью 2 – 3 м в сутки.

В Антарктиде толстые слои льда из-за больших снегопадов постепенно «перетекают» к морю. Там они начинают подтаивать и размываться морской водой, пока, наконец, от них не отламываются огромные горы – айсберги. Основная масса айсбергов – пресный чистейший лед. Если раньше люди видели в них лишь угрозу, то теперь положение изменилось. Основная задача – использовать эти гигантские ледяные «консервы» как источники водоснабжения.

Чистый лёд прозрачен для световых лучей. Включения (воздушные пузырьки, солевой рассол, пыль) рассеивают лучи, значительно уменьшая прозрачность льда. Абсолютный показатель преломления льда равен 1,31(немного меньше, чем у воды).

В последние годы было открыто много неожиданного, о чем раньше и предполагать было нельзя. Лед оказался полупроводником, а не диэлектриком. При замерзании воды на границе между льдом и водой возникает разность потенциалов, достигающая десятков вольт.

3. Снег

В японских садах можно встретить необычный каменный фонарь, увенчанный широкой крышей с загнутыми краями. Это «Юкими — Торо», фонарь для любования снегом. Изменчивость снега почти таинственна. Она интересна для физиков и не менее привлекательна для поэтов и писателей, композиторов и художников. Поэт С.Г.Островой как – то сказал, что снег завораживает, притягивает к себе подобно какому – то магниту.

Тайну снежных кристаллов мечтали разгадать многие ученые: немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер, физик, физиолог и философ Рене Декарт. Наиболее полное исследование снежинок и их разновидностей опубликовал в середине 20 века японский физик – ядерщик Укичиро Накая. Значительную часть своей жизни посвятил исследованию снежинок Кеннет Либбрехт (Калифорнийский технологический институт США). Он научился выращивать снежинки в лабораторных условиях и даже управлять их формой.

Снежинки зарождаются в облаках, конденсируясь из водяных паров в виде крохотных капелек. Капельки остывают до температуры ниже 0 С, но не замерзают (переохлажденная вода). Их кристаллизация начинается тогда, когда они сталкиваются с мельчайшими частицами пыли и льда, содержащимися в облаках. Будущие снежинки вначале очень малы, не более 0,1 мм в диаметре. Они падают вниз и растут за счет сублимации (конденсации водяного пара на поверхности ледяного кристалла). Симметрия снежинки объясняется строением кристаллической решетки. Основной кристалл имеет форму правильного шестиугольника. На его вершинах затем осаждаются новые кристаллы, на них — новые, и так получаются разнообразные формы звездочек- снежинок. Опускаясь на землю, снежинка проходит разные температурные слои. Постоянное чередование температуры, ветра изменяют облик снежинки, превращая ее в уникальное творение природы. Существует такое разнообразие снежинок, что обычно считается, что не бывает двух одинаковых. Самая крупная снежинка была засвидетельствована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США; она имела диаметр 38см. Обычно же снежинки имеют около 5мм в диаметре при массе 0,004г.

Лед прозрачен. Снег же, который состоит из микроскопических кристалликов льда, непрозрачен. Белый цвет снега происходит от заключенного в нем воздуха. Свет многократно преломляется в ледяных кристаллах и отражается от их граней, не поглощаясь, а рассеиваясь в воздухе.

У снега очень высокая отражательная способность (0,95). Он подобен громадному зеркалу. Снежное покрывало, которое принято считать теплым, спасающим от морозов растения и животных, в масштабах всей Земли способствует охлаждению планеты, надолго изолируя от солнечных лучей обширные территории.

Снег поразительно изменчив. Все его физические свойства не могут долго сохраняться. Меняется все, вплоть до структуры, формы и размеров снежинок. Так плотность снега изменяется от 0,1 до 0,7 г/см3. При дальнейшем увеличении плотности снег превращается в лед .

Ограниченный объем работы не позволяет рассмотреть другие интересные свойства льда и снега, их изучено очень много. И многое еще предстоит изучить.

Исследовательская часть

Эксперимент 1. Определение удельной теплоты плавления льда.

Цель: определить удельную теплоту плавления льда калориметрическим методом.

Оборудование: калориметр, рычажные весы с разновесами, термометр, мензурка, фильтровальная бумага, лед.

Ход эксперимента.

Во внутренний стакан калориметра, предварительно определив его массу mk взвешиванием, вливается 100 г воды. Лед, расколотый на кусочки, кладется на фильтровальную бумагу.

Измеряется температура воды во внутреннем стакане калориметра t1, в нее бросается обсушенный лед. Когда лед растает, измеряется температура t2.

mk= 0,0447 кг, mв=0,1 кг, mл=0,0119 кг

t1=20°C, t2=10°C, t1=t1-t2=10°C, t2=t2-0°C=10°C

(ckmk + cвmв) t1= mл+ cвmл t2

λ = (920 Дж/кг°С 0,0447 кг + 4190Дж/кг °С 0,1 кг) 10°С –

0,0119кг

— 4190Дж/кг°С 0,0119 кг 10°С

0,0119кг ≈ 3.43 105 Дж/кг

Вывод: полученное значение удельной теплоты плавления льда близко к табличному.

Эксперимент 2.

Изменение объема воды при замерзании.

Цель: сравнить объёмы воды и полученного из неё льда.

Оборудование: пробирка, вода, линейка.

Ход эксперимента.

1.Налили в пробирку воду. Измерили высоту столбика жидкости h2=50 мм

2.Поместили пробирку в морозильную камеру холодильника до полного замерзания воды.

3.Вынув пробирку, измерили высоту столбика льда h3= 55 мм

4. V1=Sh2; V2 =Sh3 , где V1- объём воды, V2 – объём льда

S – площадь дна пробирки

Вывод: объём воды при замерзании увеличивается, что приводит к уменьшению плотности льда по сравнению с водой.

Эксперимент 3. Наблюдение сублимации льда.

Цель: провести наблюдение за изменением объема льда в результате сублимации.

Оборудование: химический стакан, линейка, термометр.

Сублимация – переход вещества из твердого состояния в газообразное (минуя жидкое).

Ход эксперимента.

Химический стакан с водой помещался в морозильную камеру холодильника. Когда вода замёрзла, была измерена высота столбика льда в стакане: h2 = 62мм. После этого стакан со льдом был снова помещен в морозильную камеру. Повторное измерение высоты столбика льда проводилось через месяц: h3 = 60мм. t= — 14 C – температура в морозильной камере.

Вывод: в результате сублимации объём льда, а, значит, и его масса уменьшаются.

Эксперимент 4. Режеляция.

Цель: наблюдение явления режеляции.

Оборудование: прямоугольный кусок льда, тонкая стальная проволока, набор грузов в пакетах(3,2 кг в каждом пакете), штатив с муфтой и лапкой.

Ход эксперимента.

Кусок льда положили на лапку штатива. Примерно посередине куска через него перебросили проволоку с прикрепленными к ней грузами. Под действием давления лед под проволокой начал плавиться. Однако по мере углубления проволоки в лед он сразу же за проволокой смерзается.

Вывод: пронаблюдали явление режеляции

Эксперимент 5. Определение плотности снега

Цель: определить плотность снега

Оборудование: снег, весы рычажные с разновесами, стакан от калориметра.

Ход эксперимента.

Масса стакана со снегом m1, г Масса стакана m2, г Масса снега

m, г Объём стакана V, см3 Темп. t, ˚C Плотность

снега

104, 9 37, 7 67, 2 350 -5 0,19

через

3 дня 118 37,7 80,3 350 -12 0,23

через

6 дней 141 37,7 103,3 350 -18 0,3

Вывод: плотность снега непостоянна. С течением времени она увеличивается.

Эксперимент 6. Кристаллизация воды при наличии примесей

Цель: провести наблюдения за кристаллизацией подкрашенной воды

Оборудование: химический стакан с подкрашенной водой

Ход эксперимента.

1.Стакан с подкрашенной водой убирается в морозильную камеру холодильника (Фото 3).

2.Через 2 часа наблюдается появление вверху стакана участков с чистым льдом. Ниже располагается не до конца замерзшая вода

3.Через 4 часа вода полностью замерзает. Примеси концентрируются в центре стакана и на дне, а вокруг – чистая вода

Вывод: при кристаллизации происходит очищение подкрашенной воды

Заключение

В ходе работы мной были исследованы некоторые аномальные свойства льда: определена необычайно большая удельная теплота плавления этого вещества; экспериментально доказано, что объем воды увеличивается при кристаллизации.

Я познакомилась с ранее неизвестными явлениями – режеляцией и сублимацией, узнала о самоочищении воды от примесей при ее кристаллизации.

Конечно, все это было давно известно и исследовано. Но для меня стало открытием. Поэтому работать мне было очень интересно. Результаты моей работы (некоторые эксперименты) могут быть использованы на уроках физики.

Литература:

1.Георг Шпрокхоф “Эксперимент по курсу элементарной физики. Часть 3” Просвещение М 1965

2.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%DB%D0%B5%D0%B3

3.http://wsyachina.narod.ru/physics/ice.html

4.http://www.class-fizika.ru/7_led.htm

5.http://wsyachina.narod.ru/earth_sciences/snow_3.html

6.http://wsyachina.narod.ru/physics/snow_2.html

nsportal.ru

Плавление и отвердевание кристаллических тел

8 класс

Тема урока «Решение задач по теме «Плавление и отвердевание кристаллических тел».

Цели урока:

Предметные: обеспечить закрепление основных понятий и применение знаний и способов действий по теме; организовать деятельность по самостоятельному применению знаний в разнообразных ситуациях.
Ориентированные на развитие личности: оказать помощь учащимся в осознании практической значимости темы данного урока и общей темы «Тепловые явления»; создание адаптивно-развивающей среды для развития умений анализировать такие процессы как плавление и отвердевание кристаллических тел и такие понятия как удельная теплота плавления.

Демонстрации: модель кристаллической решетки, плавление и отвердевание кристаллических тел (стеарина).

Оборудование: кристаллическое тело(стеарин), термометры, пробирки, штатив, спиртовка, секундомер.

Домашнее задание: параграф 14-15, упр.7 – устно, упр.8 (1, 2, 3 – устно, 4, 5 — письменно).

План урока.

Организационный момент, постановка цели урока.
Проверка домашнего задания.
Проведение эксперимента, его цель, выводы.
Решение качественных задач
Физкультразминка
Решение задач разного уровня сложности по группам
Рефлексивно-оценочный этап

— подведение итогов, выставление оценок
Ход урока.
I. Организационный момент
Учитель знакомит учащихся с темой урока, с целями урока. Отмечает отсутствующих.
II. Проверка домашнего задания
При изучении данной темы мы с вами наблюдали процесс плавления льда, получили график этого процесса. (График изобразить на доске).
Какие вопросы вы можете задать к этому графику?
(ученики задают вопросы своим одноклассникам)
1.Чему равна начальная температура льда?
2.На каких участках обозначены процессы плавления и отвердевания льда?
3.Что происходит с температурой вещества при плавлении и кристаллизации?
4.Почему температура вещества при этих процессах не меняется?
5.Что происходит с веществом на различных участках графика?

Работа с графиками, подготовленными учителем.

В каком агрегатном состоянии находилось олово на участке СD? свинец на участке АВ?
Почему отрезок АВ лежит выше отрезка CD?
Какое вещество начало плавиться раньше?
Какое вещество расплавилось быстрее?
Сколько времени свинец не начинал плавиться?
Сколько времени олово все еще можно было наблюдать в твердом виде?
III. Наблюдение за плавлением кристаллического стеарина.
Цель эксперимента: убедиться в том, что процесс плавления происходит при постоянной температуре, построить график плавления.
Цель эксперимента должны поставить сами ученики, помощники учителя определяют цену деления термометров.
Учитель: какие величины мы должны знать, чтобы построить график?
Ученики перечисляют: начальную температуру, температуру плавления, конечную температуру нагревания жидкого стеарина.
После наблюдения за процессом плавления:
— опустить твердый кусочек стеарина в его расплав и убедиться в том, что он тонет;
— для экономии времени сразу вылить расплав в холодную воду с термометром, убедиться в том, что ее температура повысилась.
Выводы (делают ученики): стеарин плавится при определенной температуре (примерно 68°С), которая не изменяется во время всего процесса плавления.
При отвердевании стеарин отдает тепло; температура плавления равна температуре кристаллизации.
Строим примерный график на доске и в тетради.

Учитель: выясним, почему твердый стеарин тонет в его расплаве.
ρ=m/V; V ↓ρ↑ при m=сonst
Плотность твердого стеарина больше плотности жидкого, поэтому он тонет.
Вывод: при плавлении объем вещества увеличивается, а плотность уменьшается. Это показывает, что при упорядоченном расположении молекулы в кристалле занимают объем меньше, чем при беспорядочном их расположении в жидкости.
Однако из этого общего правила есть несколько исключений (лед, чугун).
Опустив кусочек льда в воду, убеждаемся в том, что он плавает. Почему?
Ученики отвечают: его плотность меньше плотности воды следовательно, объем воды при замерзании увеличивается. V↑→ρ↓ при m=const
Итак, лед плавает на поверхности воды.
Какую роль это обстоятельство играет в природе?

При совместном обсуждении выясняем:
Что слой льда на поверхности воды, покрытый сверху снегом, прекрасно защищает воду, находящуюся под ним, от охлаждения. Таким образом, водоемы не промерзают до дна и жизнь зимой в них сохраняется.
Расширение воды при замерзании является одной из причин и другого важного в жизни Земли явления – разрушения горных пород.
IV. Решение качественных задач.
Опытами установлено, что температура кристаллизации любого вещества равно его температуре плавления.
1. Работа с таблицей №3 (стр.32 учебника).
1) Температура пламени газовой горелки около 500 °С. Из каких металлов нельзя делать посуду для приготовления пищи? А из каких можно?
2) В сосуде термометра находится ртуть. Где такой термометр не будет действовать? А чем заменить там ртуть? Какой жидкостью?
3) Какой металл расплавится в ладони?
4) Какие вещества будут плавиться, если их опустить в кипящую воду?
Опыты показывают, что для превращения различных кристаллических веществ одной и той же массы в жидкость при температуре плавления требуется разное количество теплоты.
Какое вещество – «чемпион» по поглощению энергии при плавлении и выделению при отвердевании? (Вам поможет таблица №4 учебника стр.37)
Какую величину необходимо знать для ответа на этот вопрос, ее определение?
Какое значение в природе имеет большая удельная теплота плавления льда?
При совместном обсуждении с учениками выясняем:
1) В начале осени в реках и озерах вода не замерзает, хотя температура воздуха на несколько градусов ниже нуля.
2) Весной в воздухе уже тепло – температура воздуха выше 0°С, а на реках и на озерах лед еще стоит.
3) Во время ледохода вблизи реки холоднее, чем вдали от нее.
(Все это объясняется большой удельной теплотой плавления льда.)
4) А если бы для плавления льда требовалось малое количество теплоты. Что бы происходило в природе? (Большая удельная теплота плавления уменьшает скорость таяния снега. Этим предупреждаются сильные весенние паводки, а почва насыщается влагой.)
5) Почему зимой птицы садятся на лед, покрывающий реки и озера. (При отвердевании лед выделяет тепло и воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, птицы этим пользуются.)
6) Найди физическую ошибку в тексте:
Она жила и по стеклу текла,
Но вдруг ее морозом оковало.
И неподвижной льдинкой капля стала,
А в мире поубавилось тепла.
(При кристаллизации тело отдает энергию, а не поглощает, поэтому становиться теплее.)
Взяли 1 кг воды при 0°С и 1 кг льда при 0°С. Одинаковая ли внутренняя энергия спрятана в этих телах? В каком больше? На сколько?
(см. табл. №4 учебника)
V. Физкультразминка
В течение одной минуты группы должны показать модели твердого, жидкого и газообразного тел. Первая группа должна изобразить молекулы твердого тела (ребята сидят за партами и качаются в разные стороны).
Вторая группа – жидкое тело (ребята столпились в беспорядке у двери).
Третья группа – молекулы газа (разошлись по классу в разные стороны).
В течение второй минуты ребята должны изобразить поведение молекул во время плавления твердого тела (первая группа) и поведение молекул во время отвердевания жидкости (вторая группа).
VI. Решение задачи по данным эксперимента
Какую массу спирта мы сожгли в этой спиртовке при проведении опыта?
(Воспользуемся алгоритмом решения задач и таблицей схем и графиков по теме «Тепловые явления»)
Алгоритм решения задач на тепловые расчеты
1. Внимательно прочитайте условие задачи, запишите его с помощью общепринятых буквенных обозначений.
2. Выясните: а) между какими телами происходит теплообмен; б) какие тела в процессе теплообмена охлаждаются, а какие нагреваются; в) какие процессы, описанные в условии задачи, происходят с выделением, а какие – с поглощением энергии.
3. Изобразите графически процессы, описанные в задачи.
4. Запишите уравнение для подсчета отданного и полученного количества теплоты.
5. Произведите вычисления и оцените достоверность полученного результата.
На доске написать табличные данные, решить задачу в общем виде в классе, вычисления произвести самостоятельно.
VII. Решение задач разного уровня сложности по группам
1 уровень. Слиток цинка массой 2,5кг расплавили при температуре плавления. Сколько теплоты передано цинку?
2 уровень. Какое количество теплоты потребуется для плавления 100г олова, взятого при температуре 32⁰ С?
3 уровень. Какое количество бензина необходимо затратить, чтобы этим количеством теплоты расплавить 20кг свинца, взятого при 27⁰ С?
VIII. Рефлексивно-оценочный этап.
1. Подведение итогов.
Мы повторили основные понятия по теме, выяснили практическое применение процессов плавления и отвердевания, выяснили роль знаний в разных сферах жизни человека.
Существует еще множество примеров применения данных процессов (литье металлов, получение отливок), с которыми можно ознакомиться при чтении дополнительной литературы, можно подготовить сообщения.
2. Выставление оценок.
Учитель: мне интересно знать, каким образом вы оцените свои знания по данной теме. Произведите самооценку знаний, заполнив анкету №5.
3. Самооценка знаний (анкеты сдают учителю).
Сегодня все были активны, приветливы, любознательны. Спасибо вам за это.
До свидания.
infourok.ru
Удивительная структура льда
С годами температура Земли понижалась. На определенном этапе эволюции Земли, температура воды была на 10-15°C выше теперешней. А когда температура снизилась до 3,8 °C, в первую очередь замерзала тяжёлая вода. Это означает, что лед сначала встраивает в свою кристаллическую решётку атомы дейтерия (Д-р Игнатов, 2010). При этом природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в кристаллическую решётку встраиваются молекулы воды, а примеси вытесняются в жидкость. Растущий кристалл льда, тем самым, всегда стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. В планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса — вода на Земле постоянно очищает сама себя.
Кристаллическая структура льда напоминает структуру алмаза: каждая молекула Н₂O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра под углами, равными 109°28′ (рис. 34). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме NH₄F) во льде крайне низкая. При плавлении льда его кристаллическая структура частично сохраняется в жидкой воде.

Рис. 34. Структура льда.
В настоящее время известно 14 кристаллических модификаций воды, самая распространённая из которых – природный лёд I, имеет гексагональную структуру. Среди модификаций льда есть кристаллические и аморфные модификации, отличающиеся друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Большинство из них образуются при очень низких температурах от –150 ⁰С до –170 0С и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды искажаются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия приближены к космическим и не встречаются на Земле (Таблица).
Таблица. Некоторые данные о структурах модификаций льда
Модифи
кация
Сингония
Фёдоровская группа
Длины водородных связей,
Углы О—О—О в тетраэдрах
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
Гексагональная
Кубическая
Тригональная
Тетрагональная
Моноклинная
Тетрагональная
Кубическая
Кубическая
Тетрагональная
P63/mmc
F43m
R3
P41212
A2/a
P42/nmc
Im3m
Im3m
P41212
2,76
2,76
2,75—2,84
2,76—2,8
2,76—2,87
2,79—2,82
2,86
2,86
2,76—2,8
109,5
109,5
80—128
87—141
84—135
76—128
109,5
109,5
87—141
Примечание. 1 A=10^-10 м.
Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации, который распространён в природе в виде материкового, плавающего, подземного льда, а также в виде снега, инея и т.д. В отличие от природного льда льды II, III и V-й модификации могут существовать при очень низких температурах до —170°С. При нагревании до температуры —150°С образуется кубический лёд Ic. Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода. Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м² (200 тыс. кгс/см²). При этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С. Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII. Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму. Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. В лабораторных экспериментах этого удалось достичь с помощью катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.
Значение льда для формирования и функционирования жизни трудно переоценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком в толще льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого на Земле.
Аналогично воде, кристалл льда способен хранить информацию. Группа ученых провела очень интересный эксперимент в Арктике. Было проведено зондирование во льду на глубине полкилометра. При этом отчётливо детектировались слои льда разных лет. Также был сделан изотопный анализ дейтерия и изотопов кислорода в составе Арктического льда. Согласно исследованиям, вода всегда успевала „запомнить” информацию соответствующего года. Оказалось, что самыми холодными были XV, конец XVII – го и начало XIX века. А самыми теплыми были 1550 и 1930 г.
Но самое удивительное в структуре льда заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США) (рис. 35). Вода в моделируемом эксперименте «помещалась» в нанотрубки диаметром от 1,35 до 1,90 нм. под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех экспериментах имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается.

Рис. 35. Общий вид структуры воды в нанотрубках (изображение New Scientist)

www.o8ode.ru
Плавление — льд — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Плавление — льд
Cтраница 1
Плавление льда сопровождается поглощением теплоты в количестве 1 436 ккал / моль при 0 С. Большая часть ее расходуется на указанный частичный разрыв водородных связей между молекулами воды в кристаллах льда. Увеличение объема воды при ее замерзании означает, что с повышением давления температура замерзания воды должна несколько понижаться. Она понижается до — 1 С примерно при 130 бар. [1]
Плавление льда сопровождается поглощением теплоты в количестве 1 436 ккал / моль при 0 С. Большая часть ее расходуется на указанный частичный разрыв водородных связей между молекулами воды в кристаллах льда. Увеличение объема воды при ее замерзании означает, что с повышением давления температура замерзания воды должна несколько понижаться. [3]
Плавление льда и кипение воды предполагают разрыв водородных связей, а возгонка кристалла цинковой обманки — разрыв связей Zn-S. Аналогичным образом процесс растворения кристалла иллюстрирует различные типы структур, найденные в твердых телах. Растворение молекулярного кристалла состоит просто в разделении молекул, удерживаемых слабыми силами ван-дер — Ваальса. [4]
Плавление льда требует значительно больше теплоты, чем это можно ожидать из сравнения энтальпий плавления других водородных соединений той же группы элементов. [5]
Плавление льда сопровождается уменьшением объема. Это имеет огромное значение для обеспечения жизни животных и растительных организмов при низких температурах: плавающий лед защищает нижние слои воды от замерзания. [6]
Плавление льда прекратится, если с уменьшением толщины льда тепловой поток д3, отводимый в охлаакдающую среду, станет равным тепловому потоку д0, поступающему от воды на поверхности льда. [7]
Плавление льда сопровождается поглощением теплоты в количестве 1 436 ккал / моль при 0 С. Большая часть ее расходуется на указанный частичный разрыв водородных связей между молеку — 1ами воды в кристаллах льда. Увеличение объема воды при ее замерзании означает, что с повышением давления температура замерзания воды должна несколько понижаться. [9]
Плавление льда сопровождается поглощением теплоты в количестве АЯ 1 436 ккал / моль ( 6 01 кДж / моль) при 0 С. [10]
Плавление льда в отличие от плавления большинства других веществ сопровождается уменьшением объема, поэтому лед легче воды и плавает на ней. Очевидно, что мИ — Замерзанив щы происходит, такое же увеличение о ъемаГБсе это показывает, что укладка моле — kyjl ВОДы в кристал л-ах льда является менее плотной, чем в жидкой воде. Если вода занимает весь объем запаянного стеклянного сосуда, то при замерзании давление ее сильно увеличивается и сосуд лопается. Замерзание воды может привести к разрыву стальных труб, к развитию трещин в скальных породах, не говоря уже о разрушении менее прочных материалов. Для защиты материала от разрушения в связи с влиянием таких чередований температуры требуются специальные меры. [11]
После плавления льда суспензию фильтруют н твердый остаток, который представляет собой смесь бензидина — N 5 и сернокислой соли дифенилина — NJ ( 2 4 / — дифенилдиамин — Ы), промывают небольшим количеством спирта. Затем твердый остаток растворяют в горячем разбавленном растворе едкого натра. [12]
Для плавления льда или профилактического нагревания проводов применяют обычно переменный ток промышленной частоты, реже постоянный, так как регулирование напряжения при последнем затруднительно. Для нагревания проводов переменным током применяют типовые понижающие трансформаторы с различными схемами включения обмоток ( например, применяемые для электропрогрева бетона в зимнее время) либо трансформаторы по специальному заказу. [13]
Теплота плавления льда равна 6020 Дж / моль. [14]
Теплота плавления льда при 273 К равна 334 7 — 103 Дж / кг. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
StudyPort.Ru — Вода. Тяжелая вода
Вода. Тяжелая вода
Содержание
Вода в природе
Физические свойства воды
Диаграмма состояния воды
Химические свойства воды
Тяжелая вода
Библиография
1. Вода в природе. Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.
Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.
Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.) . Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль) .
Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.
Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т.п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.
Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
2. Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.
Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(гК) ], Поэтому. в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.
В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°Свызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине — ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.
Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии -гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°) . Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных — орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме,
в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы .
При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как бы обломки структуры льда, — состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких “ледяных” агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.
По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль) . Этим объясняется высокая теплоемкость воды.
Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.
3. Диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т.д.) . Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммами состоянияв координатахР—Т.
На рисунке приведена в схематической форме (без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.
Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА (рис. 73) , отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении. Через некоторое время часть воды испарится и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом — сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.
Температура
Давление насыщенного пара
Температура
Давление насыщенного пара
кПа
мм рт. ст.
кПа
мм рт. ст.
0
0,61
4,6
50
12,3
92,5
10
1,23
9,2
60
19,9
149
20
2,34
17,5
70
31,2
234
30
4,24
31,8
80
47.4
355
40
7,37
55,3
100
101,3
760
Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного, например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимем его. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскоре равновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и давление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся вода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное. Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правее кривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление, превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень до поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левее кривой ОА, отвечает область жидкого состояния.
До каких пор простираются влево области жидкого и парообразного состояния? Наметим по одной точке в обеих областях ибудем двигаться от них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С вода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая — кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления, — показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы) , аналогичным образом придем к кривой 0В. Это—кривая равновесия твердое состояние—пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений температуры к давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.
Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки—это единственная пара значений температуры и давления,. при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки.
Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой области обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны) .
Справа кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре, отвечающей этой точке, —критической температуре— величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает.
Существование критической температуры установил в 1860 г. Д. И. Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что при температурах, лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидком состоянии. В 1869 г. Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичному выводу.
Критические температура и давление для различных веществ различны. Так, для водорода = —239,9 °С, = 1,30 МПа, для хлора =144°С, =7,71 МПа, для воды = 374,2 °С, =22,12 МПа.
Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.
Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) . Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке D, кипение воды—точке Е, нагревание или охлаждение воды — отрезку DE и т.п.
Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при давлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при атмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его сублимации — превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.
4. Химические свойства воды. Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 °С водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород: 2НО 2Н+О Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000 °С степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации — водородом и кислородом — все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000 °С равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.
Вода — весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосферы воздуха.
Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так: называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения Хе6НО, CI8HO, СН6НО, СН17НО, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа) . Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа (“гостя” ) межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды (“хозяина” ) ; они называются соединениями включения или клатратами.
В клатратных соединениях между молекулами “гостя” и “хозяина” образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений. Поэтому клатраты — неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах.
Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в соленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, Затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения морской воды.
5. Тяжелая вода. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с молекулами НО также незначительное количество молекул DO, образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются преимущественно молекулы НО. Поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами DO. Из такого остатка после многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды состоящей почти на 100% из молекул DО и получившей название тяжелой воды.
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды (таблица) . Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.
Константа
НО
DО
Молекулярная масса
18
20
Температура замерзания, °С,
0
3,8
Температура кипения, °С,
100
101,4
Плотность при 25°С, г/см Температура максимальной плотности, °С
0,9971 4
1,1042 11,6
Библиография
Д. Э., Техника и производство. М., 1972г
Хомченко Г. П., Химия для поступающих в ВУЗы. М., 1995г.
Прокофьев М. А., Энциклопедический словарь юного химика. М., 1982г.
Глинка Н. Л., Общая химия. Ленинград, 1984г.
Ахметов Н. С., Неорганическая химия. Москва, 1992г.
studyport.ru
No related posts.