Proč plave led ve vodě? Proč je voda schopna rozpouštět tolik různých látek? Proč je ručník v rozporu se zákony gravitace schopen absorbovat vodu zdola nahoru? Pokud předpokládáme, že voda k nám přišla z jiného světa, budou se tyto a další záhady kolem vody zdát méně obtížné na pochopení.

Kdyby se voda chovala jako všechny ostatní látky na zemi, nebyli bychom my.

Voda je něco tak jednoduchého, že o tom jen zřídka přemýšlíme. Není však nic tajemnějšího než obyčejná voda. Největší záhada vody: proč led plave. Jakákoli jiná látka, která přechází z kapalného do pevného skupenství, se stává těžší, jak se zvyšuje hustota látky.

Voda přecházející z kapalného do pevného skupenství se naopak stává lehčí.

Ve struktuře ledu jsou částice vody uspořádány velmi uspořádaně, s velkým množstvím volného prostoru mezi částicemi. Objem ledu je větší než objem vody, ze které vznikl. Objem je větší, hustota menší - led je lehčí než voda, takže ve vodě neklesá. Obrovské bloky ledu, ledovce - neklesejte ve vodě.

• Když se led promění zpět ve vodu, částice se stanou stotisíckrát aktivnějšími a volný prostor se zaplní.

Kapalná forma vody je hustší a těžší než pevná forma. Nejtěžší voda má teplotu + 4 ° C. Se stoupající teplotou se částice vody stávají aktivnějšími, což vede ke snížení její hustoty.

Bez ohledu na to, jak chladná je zima nad nádrží, teplota vody na dně je konstantní: + 4 ° С. Cokoli, co žije na dně, může přežít dlouhé zimy pod ledem. Led je lehčí než voda. Svým pláštěm na hladině vody chrání dno nádrže před zamrznutím.

Každý ví, že led je zmrzlá voda, nebo lépe řečeno, je v pevném stavu agregace. Ale Proč se led ve vodě netopí, ale plave na jejím povrchu?

Voda je neobvyklá látka se vzácnými, až anomálními vlastnostmi. V přírodě se většina látek při zahřívání rozpíná a při ochlazení smršťuje. Například rtuť v teploměru stoupá úzkou trubicí a vykazuje zvýšení teploty. Protože rtuť zamrzá při -39 °C, není vhodná pro teploměry používané v drsném prostředí.

Voda se také rozpíná při zahřátí a smršťuje se při ochlazení. V rozsahu chlazení od cca +4 ºС do 0 ºС se však rozšiřuje. To je důvod, proč může v zimě prasknout vodovodní potrubí, pokud v nich voda zamrzne a vytvoří se velké masy ledu. Tlak ledu na stěny potrubí stačí k jejich rozbití.

expanze vody

Protože se voda při ochlazování rozpíná, hustota ledu (tj. jeho pevné formy) je menší než hustota vody v kapalném stavu. Jinými slovy, daný objem ledu váží méně než stejný objem vody. Výše uvedené odráží vzorec m = ρV, kde V je objem tělesa, m je hmotnost tělesa, ρ je hustota látky. Mezi hustotou a objemem je nepřímo úměrný vztah (V = m / ρ), tj. s nárůstem objemu (při ochlazení vody) bude mít stejná hmota nižší hustotu. Tato vlastnost vody vede k tvorbě ledu na hladině nádrží – rybníků a jezer.

Předpokládejme, že hustota vody je 1. Pak bude mít led hustotu 0,91. Díky tomuto údaji můžeme zjistit tloušťku ledové kry, která plave na vodě. Pokud má například ledová kra výšku nad vodou 2 cm, pak můžeme usoudit, že její podvodní vrstva je 9x silnější (tj. 18 cm) a tloušťka celé ledové kry je 20 cm.

V oblasti severního a jižního pólu Země voda zamrzá a tvoří ledovce. Některé z těchto plovoucích ledových hor jsou obrovské. Největší ledovec známý člověku je považován za s plochou 31 000 metrů čtverečních. kilometrů, který byl objeven v roce 1956 v Tichém oceánu.

Jak pevná voda zvětšuje svůj objem? Změnou jeho struktury. Vědci dokázali, že led má prolamovanou strukturu s dutinami a dutinami, které se po roztátí zaplní molekulami vody.

Praxe ukazuje, že bod tuhnutí vody klesá s rostoucím tlakem asi o jeden stupeň na každých 130 atmosfér.

Je známo, že v oceánech ve velkých hloubkách je teplota vody nižší než 0 ºС, a přesto nemrzne. To se vysvětluje tlakem, který vytváří horní vrstvy vody. Vrstva vody o tloušťce jeden kilometr lisuje silou asi 100 atmosfér.

Porovnání hustoty vody a ledu

Může být hustota vody menší než hustota ledu a znamená to, že se v ní potopí? Odpověď na tuto otázku je kladná, což lze snadno dokázat následujícím experimentem.

Vezmeme si z mrazáku, kde je teplota -5 ºС, kousek ledu o velikosti třetiny sklenice nebo o něco více. Dáme do kbelíku s vodou o teplotě +20 ºС. co vidíme? Led rychle klesá a klesá, postupně začíná tát. Voda o teplotě +20 ºС má totiž nižší hustotu ve srovnání s ledem o teplotě -5 ºС.

Dochází k úpravám ledu (při vysokých teplotách a tlacích), které díky své větší hustotě budou klesat ve vodě. Hovoříme o tzv. „těžkém“ ledu – deuteriu a tritiu (nasyceném těžkým a supertěžkým vodíkem). Navzdory přítomnosti stejných dutin jako v protiumském ledu se ve vodě potopí. Na rozdíl od „těžkého“ ledu je protium bez těžkých izotopů vodíku a obsahuje 16 miligramů vápníku na litr kapaliny. Proces jeho přípravy zahrnuje čištění od škodlivých nečistot o 80%, díky čemuž je protium voda považována za nejoptimálnější pro lidský život.

Hodnota v přírodě

Skutečnost, že led plave na hladině vodních ploch, hraje v přírodě důležitou roli. Pokud by voda tuto vlastnost neměla a led by klesl ke dnu, vedlo by to k zamrznutí celé nádrže a v důsledku toho ke smrti živých organismů, které ji obývají.

Když nastane chlad, nejprve při teplotě nad +4 ºС chladnější voda z povrchu nádrže klesá a teplá (lehčí) stoupá. Tento proces se nazývá vertikální cirkulace (míchání) vody. Když se v celé nádrži usadí +4 ºС, tento proces se zastaví, protože z povrchu je voda již při +3 ºС lehčí než voda pod vodou. Dochází k expanzi vody (její objem se zvětší přibližně o 10 %) a ke snížení její hustoty. V důsledku toho, že chladnější vrstva je nahoře, namrzá voda na povrchu a vzniká ledová pokrývka. Díky své krystalické struktuře má led špatnou tepelnou vodivost, tedy zadržuje teplo. Vrstva ledu funguje jako druh tepelného izolantu. A voda pod ledem si zachovává své teplo. Díky tepelně-izolačním vlastnostem ledu je výrazně omezen přenos „chladu“ do spodních vrstev vody. Na dně nádrže proto téměř vždy zůstává alespoň tenká vrstva vody, která je pro život jejích obyvatel nesmírně důležitá.

Tedy +4 ºС - teplota maximální hustoty vody - to je teplota přežití živých organismů v nádrži.

Aplikace v každodenním životě

Výše bylo zmíněno o možnosti prasknutí vodovodního potrubí při zamrznutí vody. Aby se předešlo poškození přívodu vody při nízkých teplotách, nemělo by být povoleno přerušení dodávky teplé vody, která prochází topnými trubkami. Obdobnému nebezpečí je vystaveno motorové vozidlo, pokud v chladném počasí zůstane voda v chladiči.

Nyní si povíme něco o příjemné stránce jedinečných vlastností vody. Bruslení je skvělá zábava pro děti i dospělé. Přemýšleli jste někdy, proč je led tak kluzký? Sklo například také klouže, navíc je hladší a atraktivnější než led. Brusle po něm ale nekloužou. Tak specifickou lahodnou vlastnost má jen led.

Faktem je, že pod tíhou naší váhy vzniká tlak na tenkou čepel brusle, což zase způsobuje tlak na led a jeho tání. V tomto případě se vytvoří tenký vodní film, po kterém klouže ocelová čepel brusle.

Mrazivý rozdíl mezi voskem a vodou

Jak ukazují experimenty, povrch kostky ledu tvoří jakousi vybouleninu. To je způsobeno tím, že zmrazení uprostřed nastává jako poslední. A roztažením během přechodu do pevného stavu se tato boule ještě více zvedne. Tomu lze čelit tuhnutím vosku, který naopak tvoří prohlubeň. To je způsobeno tím, že vosk po přechodu do pevného stavu je stlačen. Tekutiny, které se při zmrazování rovnoměrně smršťují, tvoří mírně konkávní povrch.

Ke zmražení vody nestačí její ochlazení na bod mrazu 0 ºС, tuto teplotu je nutné udržovat stálým chlazením.

Voda smíchaná se solí

Přidáním kuchyňské soli do vody se sníží její bod tuhnutí. Právě z tohoto důvodu jsou silnice v zimě posypány solí. Slaná voda zamrzá při -8°C a níže, takže dokud teplota neklesne alespoň na tuto hranici, k zamrznutí nedochází.

Směs ledu a soli se někdy používá jako „chladící směs“ pro nízkoteplotní experimenty. Když led taje, absorbuje latentní teplo potřebné pro přeměnu ze svého prostředí, a tím jej ochlazuje. Ta absorbuje tolik tepla, že teplota může klesnout pod -15 °C.

Univerzální rozpouštědlo

Čistá voda (molekulární vzorec H 2 0) je bez barvy, bez chuti, bez vůně. Molekula vody se skládá z vodíku a kyslíku. Když se do vody dostanou jiné látky (ve vodě rozpustné i nerozpustné), je znečištěná, takže absolutně čistá voda v přírodě neexistuje. Všechny látky, které se vyskytují v přírodě, mohou být v různé míře rozpuštěny ve vodě. To je dáno jejich unikátními vlastnostmi – rozpustností ve vodě. Voda je proto považována za „univerzální rozpouštědlo“.

Garant stabilní teploty vzduchu

Voda se díky své vysoké tepelné kapacitě ohřívá pomalu, ale přesto je proces chlazení mnohem pomalejší. To umožňuje v létě akumulovat teplo v oceánech a mořích. K uvolňování tepla dochází v zimě, díky čemuž nedochází k prudkému poklesu teploty vzduchu na území naší planety po celý rok. Oceány a moře jsou původním a přirozeným akumulátorem tepla na území Země.

Povrchové napětí

Závěr

To, že led neklesá, ale plave na hladině, se vysvětluje jeho nižší hustotou ve srovnání s vodou (měrná hmotnost vody je 1000 kg/m³, ledu asi 917 kg/m³). Tato teze platí nejen pro led, ale i pro jakékoli jiné fyzické tělo. Například hustota papírové lodičky nebo podzimního listí je mnohem nižší než hustota vody, což zajišťuje jejich vztlak.

Avšak vlastnost vody mít nižší hustotu v pevném stavu je v přírodě velkou vzácností, výjimkou z obecného pravidla. Podobné vlastnosti má pouze kov a litina (slitina železného kovu a nekovového uhlíku).

Polární ledové bloky a ledovce se unášejí v oceánu a dokonce ani v nápojích led nikdy neklesne ke dnu. Lze usuzovat, že led ve vodě neklesá. Proč? Pokud se nad tím zamyslíte, může se tato otázka zdát trochu zvláštní, protože led je pevný a – intuitivně – by měl být těžší než tekutý. Zatímco toto tvrzení platí pro většinu látek, voda je výjimkou z pravidla. Voda a led se vyznačují vodíkovými vazbami, díky nimž je led v pevném skupenství lehčí, než když je v kapalném stavu.

Vědecká otázka: proč led ve vodě neklesá

Představte si, že jsme na hodině s názvem „Svět kolem“ ve 3. třídě. "Proč se led ve vodě netopí?" ptá se učitelka dětí. A děti, které nemají hluboké znalosti fyziky, začnou uvažovat. "Možná je to magie?" říká jedno z dětí.

Led je skutečně velmi neobvyklý. Prakticky neexistují žádné jiné přírodní látky, které by v pevném stavu mohly plavat na hladině kapaliny. To je jedna z vlastností, která dělá z vody tak neobvyklou látku, a abych byl upřímný, právě ona mění cestu planetární evoluce.

Existují planety, které obsahují obrovské množství kapalných uhlovodíků, jako je amoniak – když však zmrznou, tento materiál klesá ke dnu. Důvod, proč led ve vodě neklesá, je ten, že když voda zamrzne, rozpíná se a s tím klesá i její hustota. Zajímavé je, že expanze ledu může lámat skály – proces zalednění vody je tak neobvyklý.

Vědecky řečeno, proces zmrazování nastavuje rychlé cykly zvětrávání a určité chemikálie uvolněné na povrchu jsou schopny rozpouštět minerály. Obecně existují procesy a možnosti spojené se zamrzáním vody, které fyzikální vlastnosti jiných kapalin neimplikují.

Hustota ledu a vody

Takže odpověď na otázku, proč led neklesá ve vodě, ale plave na hladině, je, že má nižší hustotu než kapalina – ale to je odpověď první úrovně. Chcete-li lépe porozumět, musíte vědět, proč má led nízkou hustotu, proč věci plavou na prvním místě, jak hustota vede k plavání.

Připomeňme řeckého génia Archiméda, který zjistil, že po ponoření určitého předmětu do vody se objem vody zvětší o číslo rovnající se objemu ponořeného předmětu. Jinými slovy, pokud na hladinu vody položíte hlubokou misku a pak do ní umístíte těžký předmět, objem vody, který se nalije do misky, se bude přesně rovnat objemu předmětu. Nezáleží na tom, zda je objekt zcela nebo částečně ponořen.

Vlastnosti vody

Voda je úžasná látka, která v podstatě živí život na zemi, protože ji potřebuje každý živý organismus. Jednou z nejdůležitějších vlastností vody je, že má nejvyšší hustotu při 4°C. Horká voda nebo led má tedy menší hustotu než studená voda. Méně hutné látky plavou na hutnějších látkách.

Například při přípravě salátu si můžete všimnout, že olej je na povrchu octa – lze to vysvětlit tím, že má nižší hustotu. Stejný zákon platí také pro vysvětlení, proč led neklesá ve vodě, ale klesá v benzínu a petroleji. Jde jen o to, že tyto dvě látky mají nižší hustotu než led. Pokud tedy vhodíte nafukovací míč do bazénu, bude plavat na hladině, ale pokud do vody hodíte kámen, klesne ke dnu.

Jaké změny se dějí s vodou, když zamrzne

Důvodem, proč led ve vodě neklesá, jsou vodíkové vazby, které se mění, když voda zamrzne. Jak víte, voda se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Jsou spojeny kovalentními vazbami, které jsou neuvěřitelně silné. Druhý typ vazby, který se tvoří mezi různými molekulami, nazývaný vodíková vazba, je však slabší. Tyto vazby se tvoří, protože kladně nabité atomy vodíku jsou přitahovány k záporně nabitým atomům kyslíku sousedních molekul vody.

Když je voda teplá, molekuly jsou velmi aktivní, hodně se pohybují, rychle se tvoří a lámou vazby s jinými molekulami vody. Mají energii přiblížit se k sobě a rychle se pohybovat. Proč tedy led ve vodě neklesá? Chemie skrývá odpověď.

Fyzikální chemie ledu

S poklesem teploty vody pod 4 °C klesá kinetická energie kapaliny, takže molekuly se již nepohybují. Nemají energii na pohyb a stejně snadno jako při vysoké teplotě se rozbijí a vytvoří vazby. Místo toho tvoří více vodíkových vazeb s jinými molekulami vody za vzniku hexagonálních mřížkových struktur.

Vytvářejí tyto struktury, aby udržely záporně nabité molekuly kyslíku od sebe. Uprostřed šestiúhelníků vzniklých v důsledku činnosti molekul je spousta prázdnoty.

Ledová jímka ve vodě - důvody

Led má ve skutečnosti o 9 % menší hustotu než kapalná voda. Led proto zabírá více místa než voda. Prakticky to dává smysl, protože led se rozpíná. Proto se nedoporučuje zmrazovat skleněnou láhev s vodou - zmrzlá voda může vytvořit velké trhliny i v betonu. Pokud máte litrovou láhev ledu a litrovou láhev vody, pak bude láhev s ledovou vodou jednodušší. Molekuly jsou v tomto bodě od sebe dále, než když je látka v kapalném stavu. To je důvod, proč led ve vodě neklesá.

Jak led taje, stabilní krystalická struktura se rozpadá a stává se hustší. Když se voda ohřeje na 4°C, získává energii a molekuly se pohybují rychleji a dále. To je důvod, proč horká voda zabírá více místa než studená a plave na studené vodě – má nižší hustotu. Pamatujte, že když jste na jezeře, při plavání je horní vrstva vody vždy příjemná a teplá, ale když si dáte nohy dolů, cítíte chlad spodní vrstvy.

Význam procesu zamrzání vody ve fungování planety

Nehledě na to, že otázka "Proč led ve vodě neklesá?" pro stupeň 3 je velmi důležité pochopit, proč k tomuto procesu dochází a co to znamená pro planetu. Vztlak ledu má tedy důležité důsledky pro život na Zemi. Jezera v zimě na chladných místech zamrzají – to umožňuje rybám a dalším vodním živočichům přežít pod ledovým příkrovem. Pokud by bylo dno zamrzlé, pak je velká pravděpodobnost, že by mohlo zamrznout celé jezero.

V takových podmínkách by nepřežil jediný organismus.

Pokud by hustota ledu byla vyšší než hustota vody, pak by se led v oceánech potopil a ledové čepice, které by pak byly na dně, by tam nikomu nedovolily žít. Dno oceánu by bylo plné ledu – a v co by se to všechno proměnilo? Polární led je mimo jiné důležitý, protože odráží světlo a brání planetě Zemi v přehřátí.

Led a voda.
Je známo, že kus ledu vložený do sklenice s vodou se nepotopí. Na led totiž působí ze strany vody vztlaková síla.

Rýže. 4.1. Led ve vodě.

Jak je patrné z Obr. 4.1 je vztlaková síla výslednicí tlakových sil vody působících na povrch ponořené části ledu (stínovaná plocha na obr. 4.1). Led plave na vodě, protože gravitační síla, která jej táhne ke dnu, je vyvážena vztlakovou silou.
Představte si, že ve sklenici není žádný led a oblast na obrázku je zastíněna vodou. Zde nebude žádná dělicí čára mezi vodou, která je v této oblasti a mimo ni. I v tomto případě se však vztlaková síla a gravitace působící na vodu obsaženou ve zastíněné ploše vzájemně vyrovnávají. Protože v obou výše uvažovaných případech zůstává vztlaková síla nezměněna, znamená to, že gravitační síla působící na kus ledu a na vodu ve výše uvedené oblasti je stejná. Jinými slovy, mají stejnou váhu. Je také správné, že hmotnost ledu se rovná hmotnosti vody ve stínované oblasti.
Po roztavení se led změní na vodu stejné hmotnosti a vyplní objem rovný objemu zastíněné oblasti. Hladina vody ve sklenici vody a kousku ledu po roztátí ledu se tedy nezmění.
Kapalné a pevné skupenství.
Nyní víme, že objem kusu ledu je větší než objem, který zabírá voda stejné hmotnosti. Poměr hmotnosti látky k objemu, který zaujímá, se nazývá hustota látky. Proto je hustota ledu menší než hustota vody. Jejich číselné hodnoty měřené při 0 °C jsou: pro vodu - 0,9998, pro led - 0,917 g/cm3. Nejen led, ale i jiné pevné látky při zahřívání dosahují určité teploty, při které začíná jejich přechod do kapalného skupenství. V případě tavení čisté látky se její teplota při zahřívání nezačne zvyšovat, dokud celá její hmota nepřejde do kapalného stavu. Tato teplota se nazývá bod tání látky. Po ukončení tavení povede zahřívání k dalšímu zvýšení teploty kapaliny. Pokud se kapalina ochladí a sníží teplotu na bod tání, začne přecházet do pevného stavu.
U většiny látek, na rozdíl od ledu a vody, je hustota v pevném stavu vyšší než ve stavu kapalném. Například argon, který je obvykle v plynném stavu, tuhne při teplotě -189,2 °C; hustota pevného argonu je 1,809 g/cm3 (v kapalném stavu je hustota argonu 1,38 g/cm3). Porovnáme-li tedy hustotu látky v pevném skupenství při teplotě blízké bodu tání s její hustotou v kapalném skupenství, vyjde nám, že v případě argonu klesá o 14,4 % a v případě sodík - o 2,5 %.
Změna hustoty látky při průchodu bodem tání u kovů je obvykle malá, s výjimkou hliníku a zlata (0, resp. 5,3 %). U všech těchto látek na rozdíl od vody proces tuhnutí nezačíná na povrchu, ale na dně.
Existují však kovy, jejichž hustota se při přechodu do pevného skupenství snižuje. Patří mezi ně antimon, vizmut a gallium, u kterých je tento pokles 0,95, 3,35 a 3,2 %. Gallium, jehož bod tání je -29,8 °C, patří spolu se rtutí a cesiem do třídy tavitelných kovů.
Rozdíl mezi pevným a kapalným skupenstvím hmoty.
V pevném skupenství, na rozdíl od kapalného stavu, jsou molekuly, které tvoří látku, uspořádány uspořádaně.

Rýže. 4.2. Rozdíl mezi kapalným a pevným skupenstvím hmoty

Na Obr. 4.2 (vpravo) ukazuje příklad hustého shlukování molekul (podmíněně znázorněno kroužky), které je charakteristické pro látku v pevném stavu. Vedle toho je znázorněna neuspořádaná struktura charakteristická pro kapalinu. V kapalném stavu jsou molekuly od sebe ve velké vzdálenosti, mají větší volnost pohybu a v důsledku toho látka v kapalném stavu snadno mění svůj tvar, to znamená, že má takovou vlastnost, jako je tekutost.
Pro tekuté látky, jak bylo uvedeno výše, je charakteristické náhodné uspořádání molekul, ale ne všechny látky s takovou strukturou jsou schopné proudění. Příkladem je sklo, jehož molekuly jsou uspořádány náhodně, ale neteče.
Krystalické látky jsou látky, jejichž molekuly jsou uspořádány uspořádaně. V přírodě existují látky, jejichž krystaly mají charakteristický vzhled. Patří mezi ně křemen a led. Tvrdé kovy jako železo a olovo se ve velkých krystalech přirozeně nevyskytují. Při studiu jejich povrchu pod mikroskopem však lze rozlišit shluky malých krystalů, jak je vidět na fotografii (obr. 4.3).

Rýže. 4.3. Mikrofotografie povrchu železa.

Pro získání velkých krystalů kovových látek existují speciální metody.
Ať jsou krystaly jakékoli velikosti, mají společné uspořádané uspořádání molekul. Vyznačují se také existencí velmi určitého bodu tání. To znamená, že teplota taveného tělesa se při zahřívání nezvýší, dokud není zcela roztaveno. Sklo na rozdíl od krystalických látek nemá konkrétní bod tání: zahřátím postupně měkne a mění se v obyčejnou kapalinu. Teplota tání tedy odpovídá teplotě, při které je uspořádané uspořádání molekul zničeno a krystalická struktura se stává neuspořádanou. Na závěr si všimneme další zajímavé vlastnosti skla, protože nemá krystalickou strukturu: působením dlouhodobé tahové síly na něj, např. po dobu 10 let, zajistíme, že sklo teče jako běžná kapalina.
Balení molekul.
Pomocí rentgenového záření a elektronového paprsku lze studovat, jak jsou molekuly uspořádány v krystalu. Rentgenové záření má mnohem kratší vlnovou délku než viditelné světlo, takže jej může ohýbat geometricky pravidelná krystalická struktura atomů nebo molekul. Registrací difrakčního obrazce na fotografické desce (obr. 4.4) je možné stanovit uspořádání atomů v krystalu. Stejným způsobem pro kapaliny se lze ujistit, že molekuly v kapalině jsou uspořádány náhodně.

Rýže. 4.4. Rentgenová difrakce na periodické struktuře.
Rýže. 4.5. Dva způsoby, jak pevně zabalit koule.

Molekuly pevné látky, která je v krystalickém stavu, jsou vzájemně poměrně složité. Struktura látek sestávajících z atomů nebo molekul stejného typu vypadá poměrně jednoduše, jako například krystal argonu znázorněný na obr. 4.5 (vlevo), kde jsou atomy konvenčně označeny kuličkami. Určitý prostor můžete natěsno vyplnit kuličkami různými způsoby. Takové husté balení je možné díky přítomnosti intermolekulárních přitažlivých sil, které mají tendenci uspořádat molekuly tak, že objem, který zabírají, je minimální. Ve skutečnosti však struktura na Obr. 4.5 (vpravo) se nevyskytuje; Vysvětlit tuto skutečnost není snadné.
Vzhledem k tomu, že je docela obtížné si představit různé způsoby umístění kuliček do prostoru, zvažte, jak můžete pevně uspořádat mince v rovině.

Rýže. 4.6. Uspořádané uspořádání mincí v letadle.

Na Obr. 4.6 jsou uvedeny dvě takové metody: v první je každá molekula v kontaktu se čtyřmi sousedními, jejichž středy jsou vrcholy čtverce se stranou d, kde d je průměr mince; ve druhém případě je každá mince v kontaktu se šesti sousedními. Tečkované čáry na obrázku omezují plochu, kterou zabírá jedna mince. V prvním případě
je rovna d 2 a opět je tato plocha menší a rovna √3d 2 /2.
Druhý způsob umístění mincí výrazně zmenšuje mezeru mezi nimi.
Molekula uvnitř krystalu.Účelem studia krystalů je zjistit, jak jsou v nich molekuly uspořádány. Krystaly kovů jako je zlato, stříbro, měď jsou uspořádány jako krystaly argonu. V případě kovů by se mělo mluvit o uspořádaném uspořádání iontů, nikoli molekul. Například atom mědi, který ztratí jeden elektron, se změní na záporně nabitý iont mědi. Elektrony se mohou volně pohybovat mezi ionty. Pokud jsou ionty podmíněně zastoupeny ve formě kuliček, získáme strukturu charakterizovanou těsným balením. Krystaly kovů, jako je sodík a draslík, se svou strukturou poněkud liší od mědi. Molekuly CO 2 a organické sloučeniny, skládající se z různých atomů, nemohou být reprezentovány jako kuličky. Při přechodu do pevného stavu tvoří extrémně složitou krystalickou strukturu.

Rýže. 4.7. Krystalový "suchý led" (velké velké koule - atomy uhlíku)

Na Obr. Obrázek 4.7 ukazuje pevné krystaly CO2 nazývané suchý led. Diamant, který není chemickou sloučeninou, má také zvláštní strukturu, protože mezi atomy uhlíku vznikají chemické vazby.
Hustota kapaliny. Při přechodu do kapalného stavu se molekulární struktura látky stává neuspořádanou. Tento proces může být doprovázen jak zmenšením, tak zvětšením objemu, který daná látka v prostoru zabírá.


Rýže. 4.8. Modely z cihel, odpovídající struktuře vody a pevnému tělu.

Jako ilustraci uvažujme ten, který je znázorněn na obr. 4,8 zděná budova. Nechť každá cihla odpovídá jedné molekule. Cihlová budova zničená zemětřesením se promění v hromadu cihel, jejichž rozměry jsou menší než rozměry budovy. Pokud jsou však všechny cihly úhledně naskládány jednu po druhé, prostor, který zabírají, se ještě zmenší. Podobný vztah existuje mezi hustotou hmoty v pevném a kapalném stavu. Krystaly mědi a argonu mohou být spojeny s vyobrazeným hustým balením cihel. Tekuté skupenství v nich odpovídá hromadě cihel. Přechod z pevného do kapalného stavu za těchto podmínek je doprovázen poklesem hustoty.
Současně je přechod z krystalické struktury s velkými mezimolekulárními vzdálenostmi (což odpovídá zděné stavbě) do kapalného stavu doprovázen nárůstem hustoty. Ve skutečnosti si však mnoho krystalů zachovává velké mezimolekulární vzdálenosti během přechodu do kapalného stavu.
Pro antimon, vizmut, galium a další kovy není na rozdíl od sodíku a mědi typické husté balení. Díky velkým meziatomovým vzdálenostem se jejich hustota zvyšuje při přechodu do kapalné fáze.

Struktura ledu.
Molekula vody se skládá z atomu kyslíku a dvou atomů vodíku umístěných na jejích opačných stranách. Na rozdíl od molekuly oxidu uhličitého, ve které jsou atom uhlíku a dva atomy kyslíku umístěny podél jedné přímky, v molekule vody mezi sebou čáry spojující atom kyslíku s každým z atomů vodíku svírají úhel 104,5°. Mezi molekulami vody proto existují interakční síly, které jsou elektrické povahy. Navíc díky speciálním vlastnostem atomu vodíku tvoří voda během krystalizace strukturu, ve které je každá molekula spojena se čtyřmi sousedními. Tato struktura je zjednodušená na Obr. 4.9. Velké koule jsou atomy kyslíku, malé černé koule jsou atomy vodíku.

Rýže. 4.9. Krystalová struktura ledu.

V této struktuře jsou realizovány velké mezimolekulární vzdálenosti. Takže když led roztaje a struktura se zhroutí, objem na molekulu se sníží. To vede k tomu, že hustota vody je vyšší než hustota ledu a led může plavat na vodě.

Studium 1
PROČ JE HUSTOTA VODY NEJVYŠŠÍ PŘI 4°C?

Vodíková vazba a tepelná roztažnost. Po roztátí se led mění ve vodu, jejíž hustota je vyšší než hustota ledu. S dalším zvyšováním teploty vody se její hustota zvyšuje, až teplota dosáhne 4 °C. Jestliže při 0°C je hustota vody 0,99984 g/cm3, pak při 4°C je 0,99997 g/cm3. Další zvýšení teploty způsobí pokles hustoty a při 8°C bude mít opět stejnou hodnotu jako při 0°C.

Rýže. 4.10. Krystalická struktura ledu (velké koule jsou atomy kyslíku).

Tento jev je spojen s přítomností krystalické struktury v ledu. Všechny detaily jsou zobrazeny na Obr. 4.10, kde jsou pro názornost atomy znázorněny jako kuličky a chemické vazby jsou vyznačeny plnými čarami. Charakteristickým rysem struktury je, že atom vodíku je vždy umístěn mezi dvěma atomy kyslíku, přičemž je blíže jednomu z nich. Atom vodíku tak přispívá ke vzniku kohezní síly mezi dvěma sousedními molekulami vody. Tato vazebná síla se nazývá vodíková vazba. Vzhledem k tomu, že vodíkové vazby se vyskytují pouze v určitých směrech, uspořádání molekul vody v kusu ledu se blíží čtyřstěnnému. Když se led po tání změní na vodu, významná část vodíkových vazeb není zničena, díky čemuž je struktura zachována, blízko čtyřstěnu s velkými mezimolekulárními vzdálenostmi, které jsou pro ni charakteristické. Se stoupající teplotou se zvyšuje rychlost translačního a rotačního pohybu molekul, v důsledku čehož dochází k porušení vodíkových vazeb, zmenšování mezimolekulární vzdálenosti a zvyšování hustoty vody.
Paralelně s tímto procesem však s nárůstem teploty dochází k tepelné roztažnosti vody, která způsobuje snížení její hustoty. Vliv těchto dvou faktorů vede k tomu, že maximální hustoty vody je dosaženo při 4 °C. Při teplotách nad 4°C začíná převažovat faktor spojený s tepelnou roztažností a hustota opět klesá.

Studium 2
LED PŘI NÍZKÉ TEPLOTĚ NEBO VYSOKÉM TLAKU

Odrůdy ledu. Protože se během krystalizace vody zvětšují mezimolekulární vzdálenosti, je hustota ledu menší než hustota vody. Pokud je kus ledu vystaven vysokému tlaku, lze očekávat, že se mezimolekulární vzdálenost zmenší. Vystavením ledu při 0°C tlaku 14 kbar (1 kbar = 987 atm) skutečně získáme led s odlišnou krystalickou strukturou, jehož hustota je 1,38 g/cm3. Pokud se voda pod takovým tlakem ochladí na určitou teplotu, začne ochlazovat
krystalizovat. Protože hustota takového ledu je vyšší než hustota vody, krystaly nemohou zůstat na jeho povrchu a klesnout ke dnu. Voda v nádobě tedy krystalizuje počínaje ode dna. Tento typ ledu se nazývá led VI; obyčejný led - led I.
Při tlaku 25 kbar a teplotě 100 °C voda tuhne a mění se v led VII o hustotě 1,57 g/cm3.

Rýže. 4.11. Diagram vodního stavu.

Změnou teploty a tlaku lze získat 13 druhů ledu. Oblasti změny parametrů jsou znázorněny ve stavovém diagramu (obr. 4.11). Z tohoto diagramu můžete určit, který typ ledu odpovídá dané teplotě a tlaku. Plné čáry odpovídají teplotám a tlakům, při kterých vedle sebe existují dvě různé struktury ledu. Led VIII má ze všech druhů ledu nejvyšší hustotu 1,83 g/cm3.
Při relativně nízkém tlaku, 3 kbar, existuje led II, jehož hustota je také vyšší než hustota vody a je 1,15 g/cm3. Zajímavostí je, že při teplotě -120 °C krystalická struktura mizí a led přechází do skelného stavu.
Pokud jde o vodu a led I, z diagramu je vidět, že se zvyšujícím se tlakem teplota tání klesá. Vzhledem k tomu, že hustota vody je vyšší než hustota ledu, je přechod "led - voda" doprovázen úbytkem objemu a tlak působící zvenčí tento proces pouze urychluje. U ledu III, jehož hustota je vyšší než u vody, je situace přesně opačná – jeho teplota tání roste s rostoucím tlakem.

Není pochyb o tom, že led plave na vodě; každý to viděl stokrát jak na rybníku, tak na řece.

Ale kolik lidí se zamyslelo nad touto otázkou: chovají se všechny pevné látky stejně jako led, to znamená, že plavou v kapalinách vzniklých při jejich tání?

V dóze rozpusťte parafín nebo vosk a do této kapaliny vhoďte další kousek stejné pevné látky, okamžitě se potopí. Totéž se stane s olovem, cínem a mnoha dalšími látkami. Ukazuje se, že pevná tělesa zpravidla vždy klesají v kapalinách, které vznikají při tání.

Při nejčastějším nakládání s vodou jsme tak zvyklí na opačný jev, že na tuto vlastnost, charakteristickou pro všechny ostatní látky, často zapomínáme. Je třeba připomenout, že voda je v tomto ohledu vzácnou výjimkou. Pouze kov bismut a litina se chovají stejně jako voda.

Pokud by byl led těžší než voda a nezůstal by na povrchu, ale klesl by, pak by i v hlubokých nádržích voda v zimě zcela zamrzla. Ve skutečnosti: led padající na dno rybníka by vytlačil spodní vrstvy vody nahoru, a to by se dělo, dokud se všechna voda nezměnila v led.

Když však voda zamrzne, opak je pravdou. Ve chvíli, kdy se voda promění v led, její objem se náhle zvětší asi o 10 procent a led je méně hustý než voda. Proto plave ve vodě, jako každé těleso plave v kapalině o vysoké hustotě: železný hřebík ve rtuti, korek v oleji atd. Uvažujeme-li hustotu vody rovnou jedné, pak hustota led bude jen 0,91. Tento údaj nám umožňuje zjistit tloušťku ledové kry plovoucí na vodě. Pokud je výška ledové kry nad vodou např. 2 centimetry, pak můžeme usoudit, že podvodní vrstva ledové kry je 9x silnější, tedy 18 centimetrů, a celá ledová kra je 20 centimetry tlusté.

V mořích a oceánech se někdy vyskytují obrovské ledové hory – ledovce (obr. 4). Jde o ledovce, které sklouzly z polárních hor a jsou unášeny proudem a větrem do otevřeného moře. Jejich výška může dosáhnout 200 metrů a objem - několik milionů metrů krychlových. Devět desetin celé masy ledovce je skryto pod vodou. Setkání s ním je proto velmi nebezpečné. Pokud si loď včas nevšimne pohybujícího se ledového obra, může být při srážce vážně poškozena nebo dokonce zabita.

Náhlé zvýšení objemu, když se tekutá coda změní na led, je důležitou vlastností vody. S touto vlastností je často nutné v praktickém životě počítat. Pokud necháte sud s vodou v chladu, pak voda, která zmrzne, sud rozbije. Ze stejného důvodu byste neměli nechávat vodu v chladiči auta ve studené garáži. Při silných mrazech se musíte mít na pozoru před sebemenším přerušením dodávky teplé vody potrubím ohřevu vody: voda, která se zastavila ve venkovním potrubí, může rychle zmrznout a potrubí pak praskne.

Voda, která mrzne ve skalních puklinách, je často příčinou sesuvů hor.

Uvažujme nyní jeden experiment, který přímo souvisí s rozpínáním vody při zahřívání. Uspořádání tohoto experimentu vyžaduje speciální vybavení a je nepravděpodobné, že by jej některý ze čtenářů dokázal reprodukovat doma. Ano, to není nutnost; zkušenost si lze snadno představit a její výsledky se pokusíme potvrdit na příkladech, které jsou všem dobře známy.

Vezmeme velmi pevný kovový, nejlépe ocelový válec (obr. 5), nasypeme na jeho dno trochu broku, naplníme vodou, připevníme víko šrouby a začneme otáčet šroubem. Protože se voda stlačuje velmi málo, nemusíte šroubem dlouho otáčet. Již po několika otáčkách stoupne tlak uvnitř válce na stovky atmosfér. Pokud je nyní válec ochlazen i o 2-3 stupně pod nulou, voda v něm nezamrzne. Ale jak si tím můžete být jistý? Pokud otevřete válec, pak se při této teplotě a atmosférickém tlaku voda okamžitě promění v led a my nebudeme vědět, zda byla kapalná nebo pevná, když byla pod tlakem. Tady nám pomohou nasypané pelety. Když válec vychladne, otočte jej dnem vzhůru. Pokud je voda zamrzlá, bude brok ležet na dně, pokud nezamrzne, bude se brok sbírat na víku. Vyšroubujeme šroub. Tlak klesne a voda definitivně zamrzne. Po sejmutí víka se ujistíme, že se všechny výstřely shromáždily v blízkosti víka. Takže skutečně voda pod tlakem nezamrzla při teplotách pod nulou.

Praxe ukazuje, že bod tuhnutí vody klesá s rostoucím tlakem asi o jeden stupeň na každých 130 atmosfér.

Pokud bychom své úvahy začali budovat na základě pozorování mnoha jiných látek, museli bychom dojít k opačnému závěru. Tlak obvykle pomáhá kapalinám ztuhnout: pod tlakem kapaliny zamrzají při vyšší teplotě, a to není překvapivé, pokud si vzpomenete, že většina látek při tuhnutí zmenšuje svůj objem. Tlak způsobuje zmenšení objemu a tím usnadňuje přechod kapaliny do pevného skupenství. Voda při tuhnutí, jak již víme, nezmenšuje svůj objem, ale naopak expanduje. Proto tlak, bránící expanzi vody, snižuje její bod tuhnutí.

Je známo, že v oceánech ve velkých hloubkách je teplota vody pod nulou stupňů, a přesto voda v těchto hloubkách nezamrzá. To se vysvětluje tlakem, který vytváří horní vrstvy vody. Vrstva vody o tloušťce jeden kilometr lisuje silou asi sto atmosfér.

Pokud by voda byla normální kapalina, sotva bychom zažili potěšení z bruslení na ledě. Bylo by to stejné jako válet na dokonale hladkém skle. Brusle po skle nekloužou. Na ledě je to úplně něco jiného. Bruslení je velmi snadné. Proč? Tenká čepel brusle pod tíhou našeho těla vyvíjí poměrně silný tlak na led a led pod bruslí taje; vytvoří se tenký film vody, který slouží jako vynikající mazivo.