Miksi jää kelluu vedessä? Miksi vesi pystyy liuottamaan niin monia erilaisia ​​aineita? Miksi pyyhe pystyy imemään vettä alhaalta ylöspäin, vastoin painovoimalakeja? Jos oletamme, että vesi tuli meille toisesta maailmasta, nämä ja muut vettä ympäröivät mysteerit näyttävät olevan helpompi ymmärtää.

Jos vesi käyttäytyisi kuten kaikki muutkin aineet maan päällä, meitä ei olisi.

Vesi on jotain niin yksinkertaista, että harvoin ajattelemme sitä. Mikään ei kuitenkaan ole sen salaperäisempää kuin tavallinen vesi. Veden suurin mysteeri: miksi jää kelluu. Mikä tahansa muu aine, joka siirtyy nesteestä kiinteään tilaan, tulee raskaammaksi, kun aineen tiheys kasvaa.

Vesi, joka siirtyy nesteestä kiinteään, päinvastoin tulee kevyemmäksi.

Jään rakenteessa vesihiukkaset on järjestetty hyvin järjestykseen, ja hiukkasten välissä on paljon vapaata tilaa. Jään tilavuus on suurempi kuin veden tilavuus, josta se muodostui. Tilavuus on suurempi, tiheys pienempi - jää on vettä kevyempää, joten se ei uppoa veteen. Valtavat jääpalat, jäävuoret - älä upota veteen.

• Kun jää muuttuu takaisin vedeksi, hiukkaset aktivoituvat satojatuhansia kertoja ja vapaa tila täyttyy.

Nestemäinen vesi on tiheämpää ja raskaampaa kuin kiinteä muoto. Raskain vesi on +4 °C:n lämpötilassa. Lämpötilan noustessa vesihiukkaset muuttuvat aktiivisemmiksi, mikä johtaa sen tiheyden vähenemiseen.

Riippumatta siitä, kuinka kylmä talvi on säiliön päällä, veden lämpötila pohjassa on vakio: + 4 ° С. Kaikki pohjassa elävä voi selviytyä pitkistä talvista jään alla. Jää on vettä kevyempää. Veden pinnalla olevan kuoren ansiosta se suojaa säiliön pohjaa jäätymiseltä.

Kaikki tietävät, että jää on jäätynyttä vettä, tai pikemminkin se on kiinteässä tilassa. Mutta Miksi jää ei uppoa veteen, vaan kellu sen pinnalla?

Vesi on epätavallinen aine, jolla on harvinaisia, jopa poikkeavia ominaisuuksia. Luonnossa useimmat aineet laajenevat kuumennettaessa ja supistuvat jäähtyessään. Esimerkiksi lämpömittarissa oleva elohopea nousee kapean putken läpi ja osoittaa lämpötilan nousua. Koska elohopea jäätyy -39 °C:ssa, se ei sovellu ankarissa olosuhteissa käytettäviin lämpömittareihin.

Vesi myös laajenee kuumennettaessa ja supistuu jäähtyessään. Jäähdytysalueella noin +4 ºС - 0 ºС se kuitenkin laajenee. Tästä syystä vesiputket voivat rikkoutua talvella, jos niissä oleva vesi jäätyy ja muodostuu suuria jäämassoja. Jään paine putken seiniin riittää murtamaan ne.

veden laajeneminen

Koska vesi laajenee jäähtyessään, jään tiheys (eli sen kiinteä muoto) on pienempi kuin nestemäisen veden tiheys. Toisin sanoen tietty määrä jäätä painaa vähemmän kuin sama tilavuus vettä. Edellä oleva kuvataan kaavalla m = ρV, jossa V on kappaleen tilavuus, m on kappaleen massa, ρ on aineen tiheys. Tiheyden ja tilavuuden välillä on kääntäen verrannollinen suhde (V = m / ρ), eli tilavuuden kasvaessa (kun vesi jäähdytetään), samalla massalla on pienempi tiheys. Tämä veden ominaisuus johtaa jään muodostumiseen altaiden - lampien ja järvien - pinnalle.

Oletetaan, että veden tiheys on 1. Silloin jään tiheys on 0,91. Tämän luvun ansiosta voimme selvittää veden päällä kelluvan jäälautan paksuuden. Esimerkiksi, jos jäälautan korkeus on 2 cm veden yläpuolella, voimme päätellä, että sen vedenalainen kerros on 9 kertaa paksumpi (eli 18 cm) ja koko jäälautan paksuus on 20 cm.

Maan pohjois- ja etelänavan alueella vesi jäätyy ja muodostaa jäävuoria. Jotkut näistä kelluvista jäävuorista ovat valtavia. Suurimman ihmisen tunteman jäävuoren katsotaan olevan pinta-alaltaan 31 000 neliömetriä. kilometriä, joka löydettiin vuonna 1956 Tyynestä valtamerestä.

Miten kiinteä vesi lisää tilavuuttaan? Muuttamalla sen rakennetta. Tiedemiehet ovat osoittaneet, että jäällä on avoin rakenne, jossa on onteloita ja onteloita, jotka sulaessaan täyttyvät vesimolekyylillä.

Kokemus osoittaa, että veden jäätymispiste laskee paineen noustessa noin yhden asteen jokaista 130 ilmakehää kohden.

Tiedetään, että valtamerissä suurissa syvyyksissä veden lämpötila on alle 0 ºС, mutta se ei kuitenkaan jäädy. Tämä selittyy paineella, joka luo ylemmät vesikerrokset. Kilometrin paksuinen vesikerros puristaa noin 100 ilmakehän voimalla.

Veden ja jään tiheyden vertailu

Voiko veden tiheys olla pienempi kuin jään tiheys, ja tarkoittaako tämä sitä, että se uppoaa siihen? Vastaus tähän kysymykseen on myönteinen, mikä on helppo todistaa seuraavalla kokeella.

Otetaanpa pakastimesta, jossa lämpötila on -5 ºС, lasin kolmasosan kokoinen tai vähän enemmän jääpala. Laitetaan se ämpäriin, jossa on +20 ºС vettä. Mitä me näemme? Jää vajoaa nopeasti ja alkaa vähitellen sulaa. Tämä johtuu siitä, että +20 ºС lämpötilassa olevan veden tiheys on pienempi kuin -5 ºС lämpötilassa olevan jään.

Jäässä on muunnelmia (korkeissa lämpötiloissa ja paineissa), jotka suuremman tiheyden vuoksi uppoavat veteen. Puhumme niin sanotusta "raskasta" jäästä - deuteriumista ja tritiumista (kyllästetty raskaalla ja erittäin raskaalla vedyllä). Huolimatta samoista tyhjiöistä kuin protiumjäässä, se uppoaa veteen. Toisin kuin "raskas" jää, protiumjäässä ei ole raskaita vedyn isotooppeja ja se sisältää 16 milligrammaa kalsiumia litraa kohden nestettä. Sen valmistusprosessi sisältää 80%: n puhdistamisen haitallisista epäpuhtauksista, minkä vuoksi protiumvettä pidetään optimaalisimpana ihmisen elämälle.

Arvo luonnossa

Sillä, että jää kelluu vesistöjen pinnalla, on luonnossa tärkeä rooli. Jos vedellä ei olisi tätä ominaisuutta ja jää upposi pohjaan, tämä johtaisi koko säiliön jäätymiseen ja sen seurauksena siinä asuvien elävien organismien kuolemaan.

Kylmän tunkeutuessa aluksi yli +4 ºС lämpötilassa kylmempi vesi säiliön pinnasta laskee alas ja lämmin (kevyempi) nousee. Tätä prosessia kutsutaan veden vertikaaliseksi kierroksi (sekoittamiseksi). Kun +4 ºС muodostuu koko altaaseen, tämä prosessi pysähtyy, koska pinnasta jo +3 ºС:ssa oleva vesi muuttuu kevyemmäksi kuin alla oleva. Veden laajeneminen (sen tilavuus kasvaa noin 10%) ja sen tiheys pienenee. Sen seurauksena, että kylmempi kerros on päällä, vesi jäätyy pinnalle ja jääpeite muodostuu. Kiteisen rakenteensa vuoksi jäällä on huono lämmönjohtavuus, eli se säilyttää lämpöä. Jääkerros toimii eräänlaisena lämmöneristeenä. Ja jään alla oleva vesi säilyttää lämpönsä. Jään lämpöä eristävien ominaisuuksien vuoksi "kylmän" siirtyminen alempiin vesikerroksiin vähenee jyrkästi. Siksi säiliön pohjassa jää melkein aina vähintään ohut vesikerros, mikä on erittäin tärkeää sen asukkaiden elämälle.

Siten +4 ºС - veden enimmäistiheyden lämpötila - tämä on elävien organismien eloonjäämislämpötila säiliössä.

Sovellus jokapäiväisessä elämässä

Edellä mainittiin vesiputkien repeämisen mahdollisuudesta veden jäätyessä. Jotta vesijohto ei vahingoittuisi matalissa lämpötiloissa, lämmitysputkien läpi kulkevan lämpimän veden syöttöä ei pidä sallia. Moottoriajoneuvo on alttiina samanlaiselle vaaralle, jos jäähdyttimeen jää vettä kylmällä säällä.

Puhutaanpa nyt veden ainutlaatuisten ominaisuuksien miellyttävästä puolesta. Luistelu on hauskaa lapsille ja aikuisille. Oletko koskaan miettinyt, miksi jää on niin liukasta? Esimerkiksi lasi on myös liukasta, lisäksi se on sileämpää ja houkuttelevampaa kuin jää. Mutta luistimet eivät liuku sillä. Vain jäällä on niin erityinen herkullinen ominaisuus.

Tosiasia on, että painomme alla rullan ohueen terään kohdistuu painetta, mikä puolestaan ​​aiheuttaa painetta jäälle ja sen sulamiseen. Tällöin muodostuu ohut vesikalvo, jonka päällä luistimen terästerä liukuu.

Jäätymisero vahan ja veden välillä

Kuten kokeet osoittavat, jääkuution pinta muodostaa eräänlaisen pullistuman. Tämä johtuu siitä, että jäätyminen sen keskellä tapahtuu viimeisenä. Ja laajentuessaan kiinteään tilaan siirtymisen aikana tämä pullistuma nousee entisestään. Tätä voidaan torjua vahan jähmettymisellä, joka päinvastoin muodostaa painauman. Tämä johtuu siitä, että vaha puristuu kiinteään tilaan siirtymisen jälkeen. Jäätyessään tasaisesti supistuvat nesteet muodostavat hieman koveran pinnan.

Veden jäädyttämiseksi ei riitä, että se jäähdytetään jäätymispisteeseen 0 ºС, tämä lämpötila on tarpeen ylläpitää jatkuvalla jäähdytyksellä.

Vesi sekoitettuna suolaan

Pöytäsuolan lisääminen veteen laskee sen jäätymispistettä. Tästä syystä teitä ripotetaan suolalla talvella. Suolavesi jäätyy -8 °C:ssa ja sen alapuolella, joten ennen kuin lämpötila laskee ainakin tähän pisteeseen, jäätymistä ei tapahdu.

Jää-suola-seosta käytetään joskus "jäähdytysseoksena" matalan lämpötilan kokeissa. Kun jää sulaa, se imee ympäristöstään muuttumiseen tarvittavan piilevän lämmön ja jäähdyttää sitä. Tämä imee niin paljon lämpöä, että lämpötila voi laskea alle -15 °C.

Universaali liuotin

Puhtaalla vedellä (molekyylikaava H 2 0) ei ole väriä, makua tai hajua. Vesimolekyyli koostuu vedystä ja hapesta. Kun muita aineita (veteen liukenemattomia ja liukenemattomia) joutuu veteen, se saastuu, joten luonnossa ei ole täysin puhdasta vettä. Kaikki luonnossa esiintyvät aineet liukenevat veteen vaihtelevissa määrin. Tämän määräävät niiden ainutlaatuiset ominaisuudet - vesiliukoisuus. Siksi vettä pidetään "yleisenä liuottimena".

Vakaa ilman lämpötilan takaaja

Vesi lämpenee hitaasti korkean lämpökapasiteetin vuoksi, mutta jäähtyminen on kuitenkin paljon hitaampaa. Tämä mahdollistaa lämmön kerääntymisen valtameriin ja meriin kesällä. Lämmön vapautuminen tapahtuu talvella, minkä vuoksi ilman lämpötilassa ei ole jyrkkää laskua planeettamme alueella ympäri vuoden. Valtameret ja meret ovat alkuperäinen ja luonnollinen lämmön kerääjä Maan alueella.

Pintajännitys

Lähtö

Se, että jää ei uppoa, vaan kelluu pinnalla, selittyy sen pienemmällä tiheydellä verrattuna veteen (veden ominaispaino on 1000 kg/m³, jään noin 917 kg/m³). Tämä opinnäytetyö ei päde vain jäälle, vaan myös muille fyysisille kehoille. Esimerkiksi paperiveneen tai syksyn lehden tiheys on paljon pienempi kuin veden tiheys, mikä varmistaa niiden kelluvuuden.

Veden ominaisuus kiinteässä tilassa pienempi tiheys on kuitenkin luonnossa suuri harvinaisuus, poikkeus yleissääntöön. Vain metallilla ja valuraudalla (rautametallin ja ei-metallisen hiilen seos) on samanlaiset ominaisuudet.

Napajäälohkot ja jäävuoret ajelehtivat valtameressä, eikä edes juomissa jää koskaan uppoa pohjaan. Voidaan päätellä, että jää ei uppoa veteen. Miksi? Jos ajattelee sitä, tämä kysymys saattaa tuntua hieman oudolta, koska jää on kiinteää ja - intuitiivisesti - sen pitäisi olla raskaampaa kuin neste. Vaikka tämä väite pätee useimpiin aineisiin, vesi on poikkeus säännöstä. Vesi ja jää erottuvat vetysidoksista, jotka tekevät jäästä kiinteässä tilassa kevyempää kuin nestemäisessä tilassa.

Tieteellinen kysymys: miksi jää ei uppoa veteen

Kuvittele, että olemme kolmannella luokalla oppitunnilla nimeltä "Maailma ympärillä". "Miksi jää ei uppoa veteen?" opettaja kysyy lapsilta. Ja lapset, joilla ei ole syvällistä tietoa fysiikasta, alkavat järkeillä. "Ehkä se on taikuutta?" sanoo yksi lapsista.

Itse asiassa jää on erittäin epätavallinen. Käytännössä ei ole muita luonnollisia aineita, jotka kiinteässä tilassa voisivat kellua nesteen pinnalla. Tämä on yksi niistä ominaisuuksista, jotka tekevät vedestä niin epätavallisen aineen, ja ollakseni rehellinen, juuri tämä muuttaa planeetan evoluution polkua.

Jotkut planeetat sisältävät valtavia määriä nestemäisiä hiilivetyjä, kuten ammoniakkia, mutta jäätyessään tämä materiaali uppoaa pohjaan. Syy, miksi jää ei uppoa veteen, on se, että jäätyessään vesi laajenee ja sen mukana sen tiheys pienenee. Mielenkiintoista on, että jään laajeneminen voi rikkoa kiviä - veden jäätymisprosessi on niin epätavallinen.

Tieteellisesti katsottuna jäätymisprosessi saa aikaan nopeita sääkiertoja ja tietyt pinnalle vapautuvat kemikaalit pystyvät liuottamaan mineraaleja. Yleensä veden jäätymiseen liittyy prosesseja ja mahdollisuuksia, joita muiden nesteiden fysikaaliset ominaisuudet eivät tarkoita.

Jään ja veden tiheys

Joten vastaus kysymykseen, miksi jää ei uppoa veteen, vaan kelluu pinnalla, on, että sen tiheys on pienempi kuin nesteellä - mutta se on ensimmäisen tason vastaus. Ymmärtääksesi paremmin, sinun on tiedettävä, miksi jään tiheys on alhainen, miksi asiat ylipäätään kelluvat, kuinka tiheys johtaa kellumiseen.

Muista kreikkalainen nero Arkhimedes, joka huomasi, että upotettuaan tietyn esineen veteen veden tilavuus kasvaa numerolla, joka on yhtä suuri kuin upotetun esineen tilavuus. Toisin sanoen, jos asetat syvän astian veden pinnalle ja asetat siihen sitten raskaan esineen, astiaan kaadettava vesi on täsmälleen yhtä suuri kuin esineen tilavuus. Sillä ei ole väliä, onko kohde kokonaan vai osittain veden alla.

Veden ominaisuudet

Vesi on hämmästyttävä aine, joka pohjimmiltaan ruokkii elämää maan päällä, koska jokainen elävä organismi tarvitsee sitä. Yksi veden tärkeimmistä ominaisuuksista on, että sen tiheys on suurin 4 °C:ssa. Siksi kuuma vesi tai jää on vähemmän tiheää kuin kylmä vesi. Vähemmän tiheät aineet kelluvat tiheämpien aineiden päällä.

Esimerkiksi salaattia valmistaessasi saatat huomata, että öljy on etikan pinnalla - tämä voidaan selittää sillä, että sen tiheys on pienempi. Sama laki pätee myös selittämään, miksi jää ei uppoa veteen, vaan uppoaa bensiiniin ja kerosiiniin. Kyse on vain siitä, että näillä kahdella aineella on pienempi tiheys kuin jäällä. Joten jos heittää puhallettavan pallon altaaseen, se kelluu pinnalla, mutta jos heität kiven veteen, se uppoaa pohjaan.

Mitä muutoksia tapahtuu vedelle, kun se jäätyy

Syy, miksi jää ei uppoa veteen, johtuu vetysidoksista, jotka muuttuvat veden jäätyessä. Kuten tiedät, vesi koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Ne on kiinnitetty kovalenttisilla sidoksilla, jotka ovat uskomattoman vahvoja. Kuitenkin toinen eri molekyylien välille muodostuva sidostyyppi, jota kutsutaan vetysidokseksi, on heikompi. Nämä sidokset muodostuvat, koska positiivisesti varautuneet vetyatomit houkuttelevat viereisten vesimolekyylien negatiivisesti varautuneita happiatomeja.

Kun vesi on lämmintä, molekyylit ovat erittäin aktiivisia, liikkuvat paljon, muodostavat nopeasti sidoksia ja rikkovat sidoksia muihin vesimolekyyleihin. Heillä on energiaa lähestyä toisiaan ja liikkua nopeasti. Joten miksi jää ei uppoa veteen? Kemia piilottaa vastauksen.

Jään fysikaalinen kemia

Kun veden lämpötila laskee alle 4 °C, nesteen kineettinen energia laskee, jolloin molekyylit eivät enää liiku. Niillä ei ole energiaa liikkua, ja ne katkeavat ja muodostavat sidoksia yhtä helposti kuin korkeassa lämpötilassa. Sen sijaan ne muodostavat enemmän vetysidoksia muiden vesimolekyylien kanssa muodostaen kuusikulmaisia ​​hilarakenteita.

Ne muodostavat nämä rakenteet pitämään negatiivisesti varautuneet happimolekyylit erillään. Molekyylien toiminnan seurauksena muodostuneiden kuusikulmioiden keskellä on paljon tyhjyyttä.

Jää uppoaa veteen - syitä

Jää on itse asiassa 9 % vähemmän tiheä kuin nestemäinen vesi. Siksi jää vie enemmän tilaa kuin vesi. Käytännössä tämä on järkevää, koska jää laajenee. Tästä syystä lasivesipullon pakastamista ei suositella – jäätynyt vesi voi aiheuttaa suuria halkeamia jopa betoniin. Jos sinulla on litran pullo jäätä ja litran vesipullo, jäävesipullo on helpompi. Molekyylit ovat tässä vaiheessa kauempana toisistaan ​​kuin silloin, kun aine on nestemäisessä tilassa. Tästä syystä jää ei uppoa veteen.

Jään sulaessa vakaa kiderakenne hajoaa ja tihenee. Kun vesi lämpenee 4°C:een, se saa energiaa ja molekyylit liikkuvat nopeammin ja kauemmas. Tästä syystä kuuma vesi vie enemmän tilaa kuin kylmä vesi ja kelluu kylmän veden päällä - sen tiheys on pienempi. Muista, että järvellä ollessasi uidessa veden pintakerros on aina miellyttävää ja lämmintä, mutta jalat alas laskettaessa tunnet alemman kerroksen kylmyyden.

Veden jäätymisprosessin merkitys planeetan toiminnalle

Huolimatta siitä, että kysymys "Miksi jää ei uppoa veteen?" luokalle 3 on erittäin tärkeää ymmärtää, miksi tämä prosessi tapahtuu ja mitä se merkitsee planeetalle. Näin ollen jään kelluvuus vaikuttaa merkittävästi elämään maapallolla. Järvet jäätyvät talvella kylmissä paikoissa - tämä mahdollistaa kalat ja muut vesieläimet selviytyä jäätikön alla. Jos pohja olisi jäässä, on suuri todennäköisyys, että koko järvi voisi jäätyä.

Tällaisissa olosuhteissa yksikään organismi ei olisi selvinnyt.

Jos jään tiheys olisi suurempi kuin veden tiheys, niin jää vajoaisi valtameriin, eivätkä jääpeitteet, jotka silloin olisivat pohjassa, antaisi kenenkään asua siellä. Meren pohja olisi täynnä jäätä – ja millaiseksi se kaikki muuttuisi? Napajää on tärkeä muun muassa siksi, että se heijastaa valoa ja estää maapallon kuumenemisen liian kuumaksi.

Jää ja vesi.
Tiedetään, että vesilasiin asetettu jääpala ei uppoa. Tämä johtuu siitä, että kelluva voima vaikuttaa jäähän veden puolelta.

Riisi. 4.1. Jäätä vedessä.

Kuten kuvasta näkyy. Kuvassa 4.1 nostevoima on jään upotetun osan pintaan vaikuttavien vedenpainevoimien resultantti (kuvassa 4.1 varjostettu alue). Jää kelluu veden päällä, koska painovoima, joka vetää sitä pohjaan, on tasapainotettu kelluvalla voimalla.
Kuvittele, että lasissa ei ole jäätä ja kuvassa varjostettu alue on täynnä vettä. Tässä ei ole rajaa tämän alueen sisällä ja sen ulkopuolella olevan veden välillä. Kuitenkin myös tässä tapauksessa varjostetun alueen sisältämään veteen vaikuttava painovoima ja painovoima tasapainottavat toisiaan. Koska molemmissa edellä mainituissa tapauksissa nostevoima pysyy muuttumattomana, tämä tarkoittaa, että jääpalaan ja veteen vaikuttava painovoima yllä mainitulla alueella on sama. Toisin sanoen niillä on sama paino. On myös oikein, että jään massa on yhtä suuri kuin varjostetun alueen veden massa.
Sulattuaan jää muuttuu saman massaiseksi vedeksi ja täyttää tilavuuden, joka on yhtä suuri kuin varjostetun alueen tilavuus. Siksi veden taso vesilasissa ja jääpalassa jään sulamisen jälkeen ei muutu.
Nestemäiset ja kiinteät tilat.
Nyt tiedämme, että jääpalan tilavuus on suurempi kuin samanmassaisen veden tilavuus. Aineen massan suhdetta sen viemään tilavuuteen kutsutaan aineen tiheydeksi. Siksi jään tiheys on pienempi kuin veden tiheys. Niiden numeeriset arvot mitattuna 0 °C:ssa ovat: vedellä - 0,9998, jäällä - 0,917 g/cm3. Ei vain jää, vaan myös muut kiinteät aineet saavuttavat kuumennettaessa tietyn lämpötilan, jossa niiden siirtyminen nestemäiseen tilaan alkaa. Puhtaan aineen sulaessa sen lämpötila ei ala kuumennettaessa nousta ennen kuin sen koko massa on muuttunut nestemäiseksi. Tätä lämpötilaa kutsutaan aineen sulamispisteeksi. Kun sulaminen on päättynyt, kuumennus johtaa nesteen lämpötilan edelleen nousuun. Jos neste jäähdytetään alentamalla lämpötilaa sulamispisteeseen, se alkaa mennä kiinteään tilaan.
Useimpien aineiden, toisin kuin jään ja veden tapauksessa, tiheys kiinteässä tilassa on suurempi kuin nestemäisessä tilassa. Esimerkiksi argon, joka on yleensä kaasumaisessa tilassa, kiinteytyy -189,2 ° C:n lämpötilassa; kiinteän argonin tiheys on 1,809 g/cm3 (nestemäisessä tilassa argonin tiheys on 1,38 g/cm3). Joten jos vertaamme aineen tiheyttä kiinteässä tilassa lähellä sulamispistettä sen tiheyteen nestemäisessä tilassa, käy ilmi, että argonin tapauksessa se pienenee 14,4 % ja aineen tiheydellä natrium - 2,5 %.
Aineen tiheyden muutos kulkiessaan metallien sulamispisteen läpi on yleensä pieni alumiinia ja kultaa lukuun ottamatta (0 ja 5,3 %). Kaikilla näillä aineilla, toisin kuin vedellä, jähmettymisprosessi ei ala pinnasta, vaan pohjasta.
On kuitenkin metalleja, joiden tiheys pienenee siirtyessään kiinteään tilaan. Näitä ovat antimoni, vismutti ja gallium, joiden osalta tämä vähennys on vastaavasti 0,95, 3,35 ja 3,2 %. Gallium, jonka sulamispiste on -29,8 °C, yhdessä elohopean ja cesiumin kanssa kuuluu matalassa lämpötilassa sulavien metallien luokkaan.
Ero kiinteän ja nestemäisen aineen välillä.
Kiinteässä tilassa, toisin kuin nestemäisessä tilassa, aineen muodostavat molekyylit ovat järjestäytyneet järjestykseen.

Riisi. 4.2. Ero nestemäisen ja kiinteän aineen välillä

Kuvassa Kuvassa 4.2 (oikealla) on esimerkki molekyylien tiheästä pakkauksesta (ehdollisesti ympyröillä), joka on ominaista kiinteässä tilassa olevalle aineelle. Sen vieressä näkyy nesteelle ominaista epäjärjestynyt rakenne. Nestemäisessä tilassa molekyylit ovat suurilla etäisyyksillä toisistaan, niillä on suurempi liikkumisvapaus, ja tämän seurauksena nestemäisessä tilassa oleva aine muuttaa helposti muotoaan, eli sillä on sellainen ominaisuus kuin juoksevuus.
Nestemäisille aineille, kuten edellä todettiin, molekyylien satunnainen järjestely on ominaista, mutta kaikki aineet, joilla on tällainen rakenne, eivät pysty virtaamaan. Esimerkki on lasi, jonka molekyylit ovat satunnaisesti sijoittuneet, mutta se ei virtaa.
Kiteiset aineet ovat aineita, joiden molekyylit ovat järjestäytyneet järjestykseen. Luonnossa on aineita, joiden kiteillä on tyypillinen ulkonäkö. Näitä ovat kvartsi ja jää. Kovia metalleja, kuten rautaa ja lyijyä, ei esiinny luonnossa suurissa kiteissä. Niiden pintaa mikroskoopilla tutkimalla voidaan kuitenkin erottaa pienten kiteiden klustereita, kuten valokuvasta näkyy (kuva 4.3).

Riisi. 4.3. Mikrokuva raudan pinnasta.

On olemassa erityisiä menetelmiä suurten metallisten kiteiden saamiseksi.
Riippumatta kiteiden koosta, niillä on yhteistä molekyylien järjestynyt järjestely. Niille on myös ominaista erittäin selvä sulamispiste. Tämä tarkoittaa, että sulavan kappaleen lämpötila ei nouse kuumennettaessa ennen kuin se on sulanut kokonaan. Lasilla, toisin kuin kiteisillä aineilla, ei ole erityistä sulamispistettä: kuumennettaessa se pehmenee vähitellen ja muuttuu tavalliseksi nesteeksi. Sulamispiste vastaa siten lämpötilaa, jossa molekyylien järjestynyt järjestely tuhoutuu ja kiderakenne muuttuu epäjärjestyneeksi. Lopuksi totean vielä yhden lasin mielenkiintoisen ominaisuuden, joka johtuu sen kiderakenteen puutteesta: kohdistamalla siihen pitkäaikaista vetovoimaa esimerkiksi 10 vuoden ajan varmistamme, että lasi virtaa kuin tavallinen neste.
Molekyylipakkaus.
Röntgensäteiden ja elektronisuihkun avulla voidaan tutkia molekyylien järjestystä kiteen. Röntgensäteilyllä on paljon lyhyempi aallonpituus kuin näkyvällä valolla, joten atomien tai molekyylien geometrisesti säännöllinen kiderakenne voi taittaa sen. Rekisteröimällä diffraktiokuvio valokuvalevylle (kuva 4.4) on mahdollista määrittää atomien sijoittuminen kiteeseen. Käyttämällä samaa menetelmää nesteille, voidaan varmistaa, että nesteen molekyylit ovat satunnaisesti järjestettyjä.

Riisi. 4.4 Röntgendiffraktio jaksollisessa rakenteessa.
Riisi. 4.5 Kaksi tapaa pakata pallot tiukasti.

Kiteisessä tilassa olevan kiinteän aineen molekyylit ovat melko monimutkaisia ​​suhteessa toisiinsa. Saman tyyppisistä atomeista tai molekyyleistä koostuvien aineiden rakenne näyttää suhteellisen yksinkertaiselta, kuten esimerkiksi kuvassa 1 näkyvä argonkide. 4.5 (vasemmalla), jossa atomit on perinteisesti merkitty palloilla. Voit täyttää tietyn määrän tilaa tiukasti palloilla eri tavoilla. Tällainen tiheä pakkaus on mahdollista molekyylien välisten vetovoimavoimien vuoksi, jotka pyrkivät järjestämään molekyylit siten, että niiden viemä tilavuus on minimaalinen. Todellisuudessa kuvassa oleva rakenne kuitenkin. 4.5 (oikea) ei esiinny; Tätä tosiasiaa ei ole helppo selittää.
Koska on melko vaikea kuvitella erilaisia ​​tapoja sijoittaa palloja avaruuteen, pohditaan, kuinka voit järjestää kolikot tiukasti tasossa.

Riisi. 4.6. Tilattu kolikoiden järjestely lentokoneessa.

Kuvassa 4.6 esitetään kaksi tällaista menetelmää: ensimmäisessä kukin molekyyli on kosketuksessa neljän viereisen molekyylin kanssa, joiden keskipisteet ovat neliön kärjet, jonka sivu on d, missä d on kolikon halkaisija; toisessa tapauksessa jokainen kolikko on kosketuksessa kuuden viereisen kolikkoon. Kuvan katkoviivat rajoittavat yhden kolikon peittämän alueen. Ensimmäisessä tapauksessa
se on yhtä suuri kuin d 2, ja taas tämä alue on pienempi ja yhtä suuri kuin √3d 2 /2.
Toinen tapa sijoittaa kolikoita vähentää merkittävästi niiden välistä kuilua.
Molekyyli kristallin sisällä. Kiteiden tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, kuinka molekyylit ovat asettuneet niihin. Metallien, kuten kullan, hopean ja kuparin, kiteet on järjestetty argonkiteiden tapaan. Metallien tapauksessa pitäisi puhua ionien, ei molekyylien, järjestyneestä järjestelystä. Esimerkiksi kupariatomi, joka menettää yhden elektronin, muuttuu negatiivisesti varautuneeksi kupari-ioniksi. Elektronit voivat liikkua vapaasti ionien välillä. Jos ionit esitetään ehdollisesti palloina, saadaan rakenne, jolle on tunnusomaista tiivis tiivistyminen. Metallien, kuten natriumin ja kaliumin, kiteet eroavat rakenteeltaan jonkin verran kuparista. Eri atomeista koostuvia CO 2 -molekyylejä ja orgaanisia yhdisteitä ei voida esittää palloina. Kiinteään tilaan siirtyessään ne muodostavat erittäin monimutkaisen kiderakenteen.

Riisi. 4.7. Kristalli "kuivajää" (isot suuret pallot - hiiliatomit)

Kuvassa Kuva 4.7 esittää kiinteitä CO2-kiteitä, joita kutsutaan kuivajääksi. Timantilla, joka ei ole kemiallinen yhdiste, on myös erityinen rakenne, koska hiiliatomien välille muodostuu kemiallisia sidoksia.
Nesteen tiheys. Siirtyessään nestemäiseen tilaan aineen molekyylirakenne muuttuu sekaisin. Tätä prosessia voi seurata sekä pieneneminen että lisääntyminen tietyn aineen avaruudessa viemässä tilavuudessa.


Riisi. 4.8 Tiilistä tehdyt mallit, jotka vastaavat veden rakennetta ja kiinteää kappaletta.

Tarkastellaan esimerkkinä kuvassa olevaa. 4,8 tiilirakennus. Olkoon jokainen tiili vastaa yhtä molekyyliä. Maanjäristyksen tuhoutunut tiilirakennus muuttuu tiilikasaksi, jonka mitat ovat pienempiä kuin rakennuksen. Jos kaikki tiilet kuitenkin pinotaan siististi yksitellen, niiden viemä tila pienenee entisestään. Samanlainen suhde on kiinteän ja nestemäisen aineen tiheyden välillä. Kuparin ja argonin kiteet voidaan yhdistää kuvattuun tiheään tiilipakkaukseen. Nestemäinen tila niissä vastaa tiilikasaa. Näissä olosuhteissa siirtymiseen kiinteästä tilasta nestemäiseen tapahtuu tiheyden lasku.
Samaan aikaan siirtymistä kiderakenteesta, jolla on suuret molekyylien väliset etäisyydet (joka vastaa tiilirakennusta) nestemäiseen tilaan, liittyy tiheyden kasvu. Todellisuudessa monet kiteet säilyttävät kuitenkin suuria molekyylien välisiä etäisyyksiä siirtyessään nestemäiseen tilaan.
Antimonille, vismutille, galliumille ja muille metalleille, toisin kuin natriumille ja kuparille, tiheä pakkaus ei ole tyypillistä. Suurten atomien välisten etäisyyksien vuoksi niiden tiheys kasvaa siirtyessä nestefaasiin.

Jään rakenne.
Vesimolekyyli koostuu happiatomista ja kahdesta vetyatomista, jotka sijaitsevat sen vastakkaisilla puolilla. Toisin kuin hiilidioksidimolekyyli, jossa hiiliatomi ja kaksi happiatomia sijaitsevat yhtä suoraa linjaa pitkin, vesimolekyylissä viivat, jotka yhdistävät happiatomin kuhunkin vetyatomiin, muodostavat 104,5 °:n kulman niiden välillä. Siksi vesimolekyylien välillä on vuorovaikutusvoimia, jotka ovat luonteeltaan sähköisiä. Lisäksi vetyatomin erityisominaisuuksien vuoksi vesi muodostaa kiteytymisen aikana rakenteen, jossa jokainen molekyyli liittyy neljään viereiseen. Tämä rakenne on yksinkertaistettu kuvassa. 4.9. Suuret pallot ovat happiatomeja, pienet mustat pallot ovat vetyatomeja.

Riisi. 4.9. Jään kristallirakenne.

Tässä rakenteessa toteutuvat suuret molekyylien väliset etäisyydet. Joten kun jää sulaa ja rakenne romahtaa, molekyylin tilavuus pienenee. Tämä johtaa siihen, että veden tiheys on suurempi kuin jään tiheys ja jää voi kellua veden päällä.

Tutkimus 1
MIKSI VEDEN TIHEYS ON KORKEIN 4°C:ssa?

Vetysidos ja lämpölaajeneminen. Sulamisen jälkeen jää muuttuu vedeksi, jonka tiheys on suurempi kuin jään. Kun veden lämpötila nousee edelleen, sen tiheys kasvaa, kunnes lämpötila saavuttaa 4 °C. Jos 0°C:ssa veden tiheys on 0,99984 g/cm3, niin 4°C:ssa se on 0,99997 g/cm3. Lämpötilan nousu lisää tiheyttä ja 8°C:ssa sen arvo on taas sama kuin 0°C:ssa.

Riisi. 4.10. Jään kiderakenne (suuret pallot ovat happiatomeja).

Tämä ilmiö liittyy kiteisen rakenteen läsnäoloon jäässä. Kaikki yksityiskohdat näkyvät kuvassa. 4.10, jossa selvyyden vuoksi atomit on esitetty palloina ja kemialliset sidokset on merkitty yhtenäisillä viivoilla. Rakenteen ominaisuus on, että vetyatomi sijaitsee aina kahden happiatomin välissä, lähempänä toista. Siten vetyatomi myötävaikuttaa koheesiovoiman syntymiseen kahden vierekkäisen vesimolekyylin välillä. Tätä sidosvoimaa kutsutaan vetysidokseksi. Koska vetysidoksia esiintyy vain tiettyihin suuntiin, vesimolekyylien sijoittuminen jääpalassa on lähellä tetraedristä. Kun jää sulaessaan muuttuu vedeksi, merkittävä osa vetysidoksista ei tuhoudu, minkä ansiosta rakenne säilyy lähellä tetraedristä, jolla on sille ominaisia ​​suuria molekyylien välisiä etäisyyksiä. Lämpötilan noustessa molekyylien translaatio- ja rotaatioliikkeen nopeus kasvaa, minkä seurauksena vetysidokset katkeavat, molekyylien välinen etäisyys pienenee ja veden tiheys kasvaa.
Kuitenkin rinnakkain tämän prosessin kanssa, lämpötilan noustessa, tapahtuu veden lämpölaajeneminen, mikä aiheuttaa sen tiheyden vähenemisen. Näiden kahden tekijän vaikutus johtaa siihen, että veden maksimitiheys saavutetaan 4 °C:ssa. Yli 4°C lämpötiloissa lämpölaajenemiseen liittyvä tekijä alkaa vallita ja tiheys taas pienenee.

Tutkimus 2
JÄÄ MATALASSA LÄMPÖTILOISSA TAI KORKEASSA PAINESSA

Jään lajikkeet. Koska molekyylien väliset etäisyydet kasvavat veden kiteytymisen aikana, jään tiheys on pienempi kuin veden tiheys. Jos jääpalaan kohdistuu korkea paine, molekyylien välisen etäisyyden voidaan olettaa pienenevän. Todellakin, altistamalla jää 0 °C:ssa 14 kbar:n (1 kbar = 987 atm) paineelle, saadaan jäätä, jolla on erilainen kiderakenne ja jonka tiheys on 1,38 g/cm3. Jos tällaisen paineen alainen vesi jäähdytetään tiettyyn lämpötilaan, se alkaa
kiteytyä. Koska tällaisen jään tiheys on suurempi kuin veden, kiteet eivät voi pysyä sen pinnalla ja vajota pohjaan. Siten astiassa oleva vesi kiteytyy pohjasta alkaen. Tämän tyyppistä jäätä kutsutaan jääksi VI; tavallinen jää - jää I.
Paineessa 25 kbar ja lämpötilassa 100 °C vesi kiinteytyy muuttuen jääksi VII, jonka tiheys on 1,57 g/cm3.

Riisi. 4.11 Veden tilakaavio.

Lämpötilaa ja painetta muuttamalla saadaan 13 erilaista jäätä. Parametrien muutoksen alueet on esitetty tilakaaviossa (Kuva 4.11). Tästä kaaviosta voit määrittää, mikä jäätyyppi vastaa tiettyä lämpötilaa ja painetta. Kiinteät viivat vastaavat lämpötiloja ja paineita, joissa kaksi erilaista jäärakennetta esiintyy rinnakkain. Ice VIII:n tiheys on kaikista jäätyypeistä suurin, 1,83 g/cm3.
Suhteellisen alhaisella paineella, 3 kbar, on jäätä II, jonka tiheys on myös suurempi kuin veden ja on 1,15 g/cm3. On mielenkiintoista huomata, että -120 °C:n lämpötilassa kiderakenne katoaa ja jää muuttuu lasimaiseksi.
Mitä tulee vedestä ja jäästä I, kaaviosta näkyy, että paineen kasvaessa sulamispiste laskee. Koska veden tiheys on suurempi kuin jään, siirtymiseen "jää - vesi" liittyy tilavuuden lasku, ja ulkopuolelta kohdistettu paine vain kiihdyttää tätä prosessia. Jää III:lla, jonka tiheys on suurempi kuin veden, tilanne on täsmälleen päinvastainen - sen sulamispiste nousee paineen noustessa.

Ei ole epäilystäkään siitä, että jää kelluu veden päällä; kaikki ovat nähneet sen satoja kertoja sekä lammella että joella.

Mutta kuinka moni on miettinyt tätä kysymystä: käyttäytyvätkö kaikki kiinteät aineet samalla tavalla kuin jää, eli ne kelluvat sulamisen aikana muodostuneissa nesteissä?

Sulata parafiini tai vaha purkissa ja heitä toinen pala samaa kiinteää ainetta tähän nesteeseen, se uppoaa välittömästi. Sama tapahtuu lyijyn, tinan ja monien muiden aineiden kanssa. Osoittautuu, että yleensä kiinteät kappaleet uppoavat aina sulaessaan muodostuviin nesteisiin.

Useimmiten veden kanssa tekemisissämme olemme niin tottuneet päinvastaiseen ilmiöön, että unohdamme usein tämän ominaisuuden, joka on ominaista kaikille muille aineille. On muistettava, että vesi on harvinainen poikkeus tässä suhteessa. Vain metallivismutti ja valurauta käyttäytyvät samalla tavalla kuin vesi.

Jos jää olisi vettä raskaampaa eikä pysyisi pinnallaan, vaan vajoaisi, niin syvissäkin altaissa vesi jäätyisi talvella kokonaan. Itse asiassa: lammen pohjalle putoava jää pakottaisi alemmat vesikerrokset ylöspäin, ja tämä tapahtuisi, kunnes kaikki vesi muuttui jääksi.

Kuitenkin, kun vesi jäätyy, asia on päinvastoin. Sillä hetkellä, kun vesi muuttuu jääksi, sen tilavuus kasvaa yhtäkkiä noin 10 prosenttia, ja jää on vähemmän tiheää kuin vesi. Siksi se kelluu vedessä, kuten mikä tahansa kappale kelluu nesteessä, jonka tiheys on suuri: rautanaula elohopeassa, korkki öljyssä jne. Jos katsomme veden tiheyden olevan yhtä, niin tiheys on jää on vain 0,91. Tämän luvun avulla voimme selvittää veden päällä kelluvan jäälautan paksuuden. Jos jäälautan korkeus veden yläpuolella on esimerkiksi 2 senttimetriä, voidaan päätellä, että jäälautan vedenalainen kerros on 9 kertaa paksumpi eli se on 18 senttimetriä ja koko jäälauta on 20 senttimetriä paksu.

Merissä ja valtamerissä on joskus valtavia jäävuoria - jäävuoria (kuva 4). Nämä ovat jäätiköitä, jotka ovat luisuneet napavuorilta ja joita virta ja tuuli kuljettavat avomerelle. Niiden korkeus voi olla 200 metriä ja tilavuus useita miljoonia kuutiometrejä. Yhdeksän kymmenesosaa jäävuoren koko massasta on piilossa veden alla. Siksi tapaaminen hänen kanssaan on erittäin vaarallista. Jos alus ei huomaa liikkuvaa jääjättiläistä ajoissa, se voi vaurioitua vakavasti tai jopa kuolla törmäyksessä.

Veden tärkeä ominaisuus on äkillinen tilavuuden kasvu, kun nestemäinen coda muuttuu jääksi. Tämä ominaisuus on usein otettava huomioon käytännön elämässä. Jos jätät vesitynnyrin kylmään, niin jäätyvä vesi rikkoo tynnyrin. Samasta syystä ei saa jättää vettä kylmään autotalliin olevan auton jäähdyttimeen. Vaikeissa pakkasissa sinun on varottava pienintäkään katkosta lämpimän veden syöttämisessä vedenlämmitysputkien kautta: ulompaan putkeen pysähtynyt vesi voi jäätyä nopeasti, ja sitten putki halkeaa.

Kivien halkeamissa jäätyvä vesi on usein syynä vuorten sortumisille.

Tarkastellaan nyt yhtä koetta, joka liittyy suoraan veden paisumiseen kuumennettaessa. Tämän kokeen järjestäminen vaatii erikoislaitteita, ja on epätodennäköistä, että kukaan lukijoista pystyy toistamaan sitä kotona. Kyllä, tämä ei ole välttämätöntä; Kokemus on helppo kuvitella, ja yritämme vahvistaa sen tulokset esimerkeillä, jotka ovat kaikkien tuttuja.

Otetaan erittäin vahva metalli, mieluiten terässylinteri (kuva 5), ​​kaadetaan sen pohjalle vähän laukausta, täytetään vedellä, kiinnitetään kansi pulteilla ja aletaan kiertää ruuvia. Koska vesi tiivistyy hyvin vähän, ruuvia ei tarvitse kiertää pitkään. Jo muutaman kierroksen jälkeen sylinterin sisällä oleva paine nousee satoihin ilmakehoihin. Jos nyt sylinteri jäähdytetään jopa 2-3 astetta pakkasastetta, siinä oleva vesi ei jäädy. Mutta kuinka voit olla varma tästä? Jos avaat sylinterin, niin tässä lämpötilassa ja ilmanpaineessa vesi muuttuu välittömästi jääksi, emmekä tiedä, oliko se nestemäistä vai kiinteää paineen alaisena. Täällä kaadetut pelletit auttavat meitä. Kun sylinteri on jäähtynyt, käännä se ylösalaisin. Jos vesi on jäässä, hauli makaa pohjassa, jos ei ole jäässä, hauli kerääntyy kanteen. Irrotetaan ruuvi. Paine laskee ja vesi jäätyy varmasti. Kannen poistamisen jälkeen varmistamme, että kaikki laukaus on kerääntynyt kannen lähelle. Joten todellakin paineinen vesi ei jäätynyt alle nollan lämpötiloissa.

Kokemus osoittaa, että veden jäätymispiste laskee paineen noustessa noin yhden asteen jokaista 130 ilmakehää kohden.

Jos alkaisimme rakentaa päättelyämme monien muiden aineiden havaintojen perusteella, meidän olisi päädyttävä päinvastaiseen johtopäätökseen. Paine yleensä auttaa nesteitä jähmettymään: paineen alaisena nesteet jäätyvät korkeammassa lämpötilassa, ja tämä ei ole yllättävää, jos muistat, että useimpien aineiden tilavuus pienenee jähmettyessään. Paine aiheuttaa tilavuuden pienenemisen ja siten helpottaa nesteen siirtymistä kiinteään tilaan. Kuten jo tiedämme, vesi ei jähmettymisen aikana vähennä tilavuutta, vaan päinvastoin laajenee. Siksi paine, joka estää veden laajenemisen, alentaa sen jäätymispistettä.

Tiedetään, että valtamerissä suurilla syvyyksillä veden lämpötila on alle nollan asteen, mutta vesi ei kuitenkaan jäädy näissä syvyyksissä. Tämä selittyy paineella, joka luo ylemmät vesikerrokset. Kilometrin paksuinen vesikerros puristaa noin sadan ilmakehän voimalla.

Jos vesi olisi normaalia nestettä, tuskin kokisimme jäällä luistelemisen iloa. Se olisi sama kuin pyörittäminen täysin sileällä lasilla. Luistimet eivät liuku lasilla. Se on aivan eri asia jäällä. Luistelu on erittäin helppoa. Miksi? Kehomme painon alla luistimen ohut terä painaa jäätä melko voimakkaasti ja luistimen alla oleva jää sulaa; muodostuu ohut vesikalvo, joka toimii erinomaisena voiteluaineena.