Când este încălzită, apa se dilată sau se contractă. Când apa îngheață, se extinde sau se contractă: fizică simplă. Apa are nevoie de mai mult spațiu când se răcește

Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a prezentat o teorie care explică de ce apa se contractă în loc să se dilate atunci când este încălzită de la 0 la 4°C. Conform modelului său, apa conține microformații - „vitrite”, care sunt poliedre goale convexe, ale căror vârfuri conțin molecule de apă, iar marginile sunt legături de hidrogen. Pe măsură ce temperatura crește, două fenomene concurează între ele: alungirea legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă și deformarea vitritelor, ducând la scăderea cavităților acestora. În intervalul de temperatură de la 0 la 3,98°C, acest din urmă fenomen domină efectul de alungire a legăturilor de hidrogen, care în cele din urmă dă compresia observată a apei. Nu există încă o confirmare experimentală a modelului lui Matsumoto, precum și a altor teorii care explică comprimarea apei.

Spre deosebire de marea majoritate a substanțelor, apa își poate reduce volumul atunci când este încălzită (Fig. 1), adică are un coeficient negativ de dilatare termică. Cu toate acestea, nu vorbim despre întregul interval de temperatură în care apa există în stare lichidă, ci doar despre o secțiune îngustă - de la 0°C până la aproximativ 4°C. Cu b O La temperaturi mai ridicate, apa, ca și alte substanțe, se dilată.

Apropo, apa nu este singura substanță care are proprietatea de a se contracta atunci când temperatura crește (sau de a se dilata la răcire). Bismutul, galiul, siliciul și antimoniul se pot lăuda și cu un comportament similar. Cu toate acestea, datorită structurii sale interne mai complexe, precum și a prevalenței și importanței sale în diferite procese, apa este cea care atrage atenția oamenilor de știință (vezi Studiul structurii apei continuă, „Elemente”, 10/09/2006). ).

Cu ceva timp în urmă, teoria general acceptată care răspundea la întrebarea de ce apa își crește volumul pe măsură ce temperatura scade (Fig. 1) a fost modelul unui amestec de două componente - „normal” și „asemănător cu gheața”. Această teorie a fost propusă pentru prima dată în secolul al XIX-lea de către Harold Whiting și a fost ulterior dezvoltată și îmbunătățită de mulți oameni de știință. Relativ recent, în cadrul polimorfismului descoperit al apei, teoria lui Wieting a fost regândită. Acum se crede că există două tipuri de nanodomenii asemănătoare gheții în apa suprarăcită: regiuni amorfe asemănătoare gheții de înaltă densitate și de joasă densitate. Încălzirea apei suprarăcite duce la topirea acestor nanostructuri și la apariția a două tipuri de apă: cu densitate mai mare și mai mică. Concurența vicleană de temperatură dintre cele două „grade” ale apei rezultate dă naștere unei dependențe nemonotone a densității de temperatură. Cu toate acestea, această teorie nu a fost încă confirmată experimental.

Trebuie să fii atent cu această explicație. Nu întâmplător vorbim aici doar despre structuri care seamănă cu gheața amorfa. Faptul este că regiunile nanoscopice ale gheții amorfe și analogii săi macroscopici au parametri fizici diferiți.

Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a decis să găsească o explicație pentru efectul discutat aici „de la zero”, renunțând la teoria unui amestec cu două componente. Folosind simulări pe computer, el a examinat proprietățile fizice ale apei pe un interval larg de temperatură - de la 200 la 360 K la presiune zero - pentru a înțelege la scară moleculară adevăratele motive ale expansiunii apei atunci când se răcește. Articolul lui în revistă Scrisori de revizuire fizică se numește: De ce se extinde apa când se răcește? („De ce se extinde apa când se răcește?”).

Inițial, autorul articolului a pus întrebarea: ce afectează coeficientul de dilatare termică a apei? Matsumoto consideră că pentru aceasta este suficient să aflăm influența doar a trei factori: 1) modificări ale lungimii legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă, 2) indice topologic - numărul de legături pe moleculă de apă și 3) abaterea unghiul dintre legături din valoarea de echilibru (distorsiune unghiulară).

Înainte de a vorbi despre rezultatele obținute de fizicianul japonez, vom face comentarii și precizări importante cu privire la cei trei factori de mai sus. În primul rând, formula chimică obișnuită a apei, H 2 O, corespunde doar stării sale de vapori. În formă lichidă, moleculele de apă sunt combinate în grupuri (H 2 O) prin legături de hidrogen. X, Unde X- numărul de molecule. Combinația cea mai favorabilă din punct de vedere energetic de cinci molecule de apă ( X= 5) cu patru legături de hidrogen, în care se formează legăturile echilibru, așa-zisul unghi tetraedric, egal cu 109,47 grade (vezi Fig. 2).

După ce a analizat dependența lungimii legăturii de hidrogen dintre moleculele de apă de temperatură, Matsumoto a ajuns la concluzia așteptată: o creștere a temperaturii dă naștere la o alungire liniară a legăturilor de hidrogen. Și aceasta, la rândul său, duce la o creștere a volumului de apă, adică la extinderea acesteia. Acest fapt contrazice rezultatele observate, așa că a examinat în continuare influența celui de-al doilea factor. Cum depinde coeficientul de dilatare termică de indicele topologic?

Modelarea computerizată a dat următorul rezultat. La temperaturi scăzute, cel mai mare volum de apă în termeni procentuali este ocupat de clustere de apă, care au 4 legături de hidrogen pe moleculă (indicele topologic este 4). O creștere a temperaturii determină o scădere a numărului de asociați cu indicele 4, dar în același timp numărul de clustere cu indici 3 și 5 începe să crească După efectuarea calculelor numerice, Matsumoto a descoperit că volumul local de clustere cu topologic indicele 4 practic nu se modifică odată cu creșterea temperaturii, iar modificarea volumului total al asociaților cu indicii 3 și 5 la orice temperatură se compensează reciproc. În consecință, o modificare a temperaturii nu modifică volumul total de apă și, prin urmare, indicele topologic nu are niciun efect asupra compresiei apei atunci când este încălzită.

Rămâne de clarificat efectul distorsiunii unghiulare a legăturilor de hidrogen. Și de aici începe cel mai interesant și important. După cum sa menționat mai sus, moleculele de apă tind să se unească astfel încât unghiul dintre legăturile de hidrogen să fie tetraedric. Cu toate acestea, vibrațiile termice ale moleculelor de apă și interacțiunile cu alte molecule care nu sunt incluse în cluster le împiedică să facă acest lucru, deviând unghiul legăturii de hidrogen de la valoarea de echilibru de 109,47 grade. Pentru a caracteriza oarecum cantitativ acest proces de deformare unghiulară, Matsumoto și colegii, bazându-se pe lucrările lor anterioare Blocuri de construcție topologice ale rețelelor de legături de hidrogen în apă, publicată în 2007 în Jurnalul de fizică chimică, a emis ipoteza existenței microstructurilor tridimensionale în apă care seamănă cu poliedre goale convexe. Mai târziu, în publicațiile ulterioare, au numit astfel de microstructuri vitrine(Fig. 3). În ele, vârfurile sunt molecule de apă, rolul marginilor este jucat de legăturile de hidrogen, iar unghiul dintre legăturile de hidrogen este unghiul dintre marginile din vitrit.

Conform teoriei lui Matsumoto, există o mare varietate de forme de vitrită, care, la fel ca elementele de mozaic, alcătuiesc cea mai mare parte a structurii apei și care, în același timp, umplu uniform întregul volum al acesteia.

Moleculele de apă tind să creeze unghiuri tetraedrice în vitrite, deoarece vitritele trebuie să aibă cea mai mică energie posibilă. Cu toate acestea, din cauza mișcărilor termice și a interacțiunilor locale cu alte vitrite, unele microstructuri nu prezintă geometrii cu unghiuri tetraedrice (sau unghiuri apropiate de această valoare). Acceptă astfel de configurații structural neechilibrate (care nu sunt cele mai favorabile pentru ei din punct de vedere energetic), care permit întregii „familii” de vitrite în ansamblu să obțină cea mai mică valoare energetică dintre cele posibile. Asemenea vitrite, adică vitritele care par să se sacrifice „intereselor energetice comune”, se numesc frustrate. Dacă în vitrita nefrustrată volumul cavității este maxim la o anumită temperatură, atunci vitrita frustrată, dimpotrivă, au volumul minim posibil.

Modelarea computerizată efectuată de Matsumoto a arătat că volumul mediu al cavităților vitrite scade liniar odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, vitrita frustrată își reduce semnificativ volumul, în timp ce volumul cavității vitritei nefrustrate rămâne aproape neschimbat.

Deci, comprimarea apei cu creșterea temperaturii este cauzată de două efecte concurente - alungirea legăturilor de hidrogen, ceea ce duce la creșterea volumului de apă și o scădere a volumului cavităților vitritelor frustrate. În intervalul de temperatură de la 0 la 4°C, ultimul fenomen, după cum au arătat calculele, prevalează, ceea ce duce în cele din urmă la comprimarea observată a apei odată cu creșterea temperaturii.

Rămâne de așteptat confirmarea experimentală a existenței vitritelor și a comportamentului lor. Dar aceasta, din păcate, este o sarcină foarte dificilă.

Una dintre cele mai comune substanțe de pe Pământ: apa. El, ca și aerul, este necesar pentru noi, dar uneori nu îl observăm deloc. Ea doar este. Dar se dovedește

Una dintre cele mai comune substanțe de pe Pământ: apa. El, ca și aerul, este necesar pentru noi, dar uneori nu îl observăm deloc. Ea doar este. Dar se dovedește că apa obișnuită își poate schimba volumul și poate cântări mai mult sau mai puțin. Când apa se evaporă, se încălzește și se răcește, se întâmplă lucruri cu adevărat uimitoare, despre care vom afla astăzi.
Muriel Mandell, în cartea sa distractivă „Experimente fizice pentru copii”, conturează gânduri interesante despre proprietățile apei, pe baza cărora nu numai tinerii fizicieni pot învăța o mulțime de lucruri noi, ci și adulții își vor reîmprospăta cunoștințele, ceea ce a nu a trebuit să fie folosit mult timp, așa că s-a dovedit a fi ușor uitat.Astăzi vom vorbi despre volumul și greutatea apei. Se pare că același volum de apă nu cântărește întotdeauna la fel. Iar daca turnati apa intr-un pahar si nu se varsa peste margine, asta nu inseamna ca va incapea in el sub nicio forma.

1. Când apa este încălzită, se extinde în volum

Pune borcanul umplut cu apă într-o cratiță plină cu aproximativ cinci centimetri de apă clocotită. apă și menține să fiarbă la foc mic. Apa din borcan va începe să se reverse. Acest lucru se întâmplă deoarece atunci când apa se încălzește, ca și alte lichide, începe să ocupe mai mult spațiu. Moleculele se resping reciproc cu o intensitate mai mare și acest lucru duce la o creștere a volumului de apă.

2. Când apa se răcește, se contractă

Lăsați apa din borcan să se răcească la temperatura camerei sau adăugați apă nouă și puneți-o la frigider. După un timp, vei descoperi că borcanul anterior plin nu mai este plin. Când este răcită la 3,89 grade Celsius, apa scade în volum pe măsură ce scade temperatura. Motivul pentru aceasta a fost o scădere a vitezei de mișcare a moleculelor și apropierea lor între ele sub influența răcirii.S-ar părea că totul este foarte simplu: cu cât apa este mai rece, cu atât ocupă mai puțin volum, dar...

3. ...volumul de apă crește din nou când îngheață

Umpleți borcanul cu apă până la refuz și acoperiți cu o bucată de carton. Puneți-l la congelator și așteptați până se îngheață. Veți descoperi că „capacul” de carton a fost împins afară. În intervalul de temperatură cuprins între 3,89 și 0 grade Celsius, adică atunci când se apropie de punctul său de îngheț, apa începe din nou să se extindă. Este una dintre puținele substanțe cunoscute cu această proprietate.Dacă folosiți un capac strâns, gheața va sparge pur și simplu borcanul. Ați auzit vreodată că până și conductele de apă pot fi sparte de gheață?

4. Gheața este mai ușoară decât apa

Pune câteva cuburi de gheață într-un pahar cu apă. Gheața va pluti la suprafață. Când apa îngheață, crește în volum. Și, ca urmare, gheața este mai ușoară decât apa: volumul său este de aproximativ 91% din volumul corespunzător de apă.
Această proprietate a apei există în natură pentru un motiv. Are un scop foarte specific. Se spune că iarna râurile îngheață. Dar, în realitate, acest lucru nu este în întregime adevărat. De obicei, doar un mic strat superior îngheață. Acest strat de gheață nu se scufundă deoarece este mai ușor decât apa lichidă. Încetinește înghețarea apei la adâncimea râului și servește ca un fel de pătură, protejând peștii și alte vieți ale râului și al lacului de înghețurile severe de iarnă. Studiind fizica, începi să înțelegi că multe lucruri în natură sunt aranjate în mod adecvat.

5. Apa de la robinet conține minerale

Turnați 5 linguri de apă obișnuită de la robinet într-un vas mic de sticlă. Când apa se evaporă, va rămâne un chenar alb pe vas. Această margine este formată din minerale care au fost dizolvate în apă pe măsură ce treceau prin straturile de sol.Privește în interiorul ceainicului tău și vei vedea depozite de minerale. Același înveliș se formează pe orificiul de drenaj din cadă.Încercați să evaporați apa de ploaie pentru a verifica singur dacă conține minerale. Apa are proprietăți uimitoare care o disting foarte mult de alte lichide. Dar acest lucru este bine, altfel, dacă apa ar avea proprietăți „obișnuite”, planeta Pământ ar fi complet diferită.

Marea majoritate a substanțelor tind să se extindă atunci când sunt încălzite. Ceea ce este destul de ușor de explicat din poziția teoriei mecanice a căldurii. Potrivit acesteia, atunci când sunt încălzite, atomii și moleculele unei substanțe încep să se miște mai repede. În solide, vibrațiile atomice ating amplitudini mai mari și necesită mai mult spațiu liber. Ca rezultat, corpul se extinde.

Același proces are loc cu lichide și gaze. Adică, datorită creșterii temperaturii, viteza de mișcare termică a moleculelor libere crește, iar corpul se extinde. La răcire, în consecință, corpul se contractă. Acest lucru este tipic pentru aproape toate substanțele. Cu excepția apei.

Când este răcită în intervalul de la 0 la 4°C, apa se extinde. Și se micșorează când este încălzit. Când temperatura apei atinge 4°C, în acest moment apa are o densitate maximă, care este egală cu 1000 kg/m3. Dacă temperatura este sub sau peste acest semn, atunci densitatea este întotdeauna puțin mai mică.

Datorită acestei proprietăți, atunci când temperatura aerului scade toamna și iarna, are loc un proces interesant în rezervoarele adânci. Când apa se răcește, se scufundă mai jos în fund, dar numai până când temperatura ei ajunge la +4°C. Din acest motiv, în corpurile mari de apă, apa mai rece este mai aproape de suprafață, iar apa mai caldă se scufundă în fund. Deci, atunci când suprafața apei îngheață iarna, straturile mai profunde continuă să mențină o temperatură de 4°C. Datorită acestui moment, peștele poate ierna în siguranță în adâncurile rezervoarelor acoperite cu gheață.

Impactul expansiunii apei asupra climei

Proprietățile excepționale ale apei atunci când este încălzită influențează serios clima Pământului, deoarece aproximativ 79% din suprafața planetei noastre este acoperită cu apă. Datorită razelor solare, straturile superioare sunt încălzite, care apoi se scufundă mai jos, iar în locul lor apar straturi reci. Acestea, la rândul lor, se încălzesc treptat și se scufundă mai aproape de fund.

Astfel, straturile de apă se schimbă continuu, rezultând o încălzire uniformă până la atingerea temperaturii corespunzătoare densității maxime. Apoi, pe măsură ce se încălzesc, straturile superioare devin mai puțin dense și nu se mai scufundă, ci rămân în partea de sus și pur și simplu se încălzesc treptat. Datorită acestui proces, straturi uriașe de apă sunt destul de ușor încălzite de razele soarelui.

Suntem înconjurați de apă, de la sine, ca parte a altor substanțe și corpuri. Poate fi sub formă solidă, lichidă sau gazoasă, dar apa este mereu în jurul nostru. De ce crăpă asfaltul pe drumuri, de ce explodează un borcan de sticlă cu apă în frig, de ce geamurile se aburin în sezonul rece, de ce un avion lasă o urmă albă pe cer - vom căuta răspunsuri la toate acestea și alte „de ce” din această lecție. Vom afla cum se schimbă proprietățile apei atunci când este încălzită, răcită și înghețată, cum se formează peșterile subterane și figurile bizare în ele, cum funcționează un termometru.

Subiect: Natura neînsuflețită

Lecția: Proprietățile apei lichide

În forma sa pură, apa nu are gust, miros sau culoare, dar nu este aproape niciodată așa, deoarece dizolvă în mod activ majoritatea substanțelor în sine și se combină cu particulele lor. Apa poate pătrunde și în diverse corpuri (oamenii de știință au găsit apă chiar și în pietre).

Dacă umpleți un pahar cu apă de la robinet, acesta va părea curat. Dar, de fapt, este o soluție de multe substanțe, printre care se numără gaze (oxigen, argon, azot, dioxid de carbon), diverse impurități conținute în aer, săruri dizolvate din sol, fier din conductele de apă, mici particule de praf nedizolvate. , etc.

Dacă pipetați picături de apă de la robinet pe sticla curată și lăsați-o să se evapore, vor rămâne pete abia vizibile.

Apa râurilor și pâraielor și majoritatea lacurilor conține diverse impurități, de exemplu, săruri dizolvate. Dar sunt puține, pentru că această apă este proaspătă.

Apa curge pe pământ și sub pământ, umple pâraie, lacuri, râuri, mări și oceane, creând palate subterane.

Făcându-și drum prin substanțe ușor solubile, apa pătrunde adânc în subteran, luându-le cu ea și prin fante și crăpături din roci, formând peșteri subterane, picurând de pe acoperișurile lor, creând sculpturi bizare. Miliarde de picături de apă se evaporă de-a lungul sutelor de ani, iar substanțele dizolvate în apă (săruri, calcare) se așează pe arcadele peșterii, formând țurțuri de piatră numite stalactite.

Formațiuni similare de pe podeaua unei peșteri se numesc stalagmite.

Și când o stalactită și o stalagmită cresc împreună pentru a forma o coloană de piatră, se numește stalagnat.

Observând plutirea gheții pe un râu, vedem apă în stare solidă (gheață și zăpadă), lichidă (curgând dedesubt) și gazoasă (particule mici de apă care se ridică în aer, care sunt numite și vapori de apă).

Apa poate fi în toate cele trei stări în același timp: există întotdeauna vapori de apă în aer și nori, care constau din picături de apă și cristale de gheață.

Vaporii de apă sunt invizibili, dar pot fi detectați cu ușurință dacă lăsați un pahar cu apă răcit în frigider timp de o oră într-o cameră caldă, picăturile de apă vor apărea imediat pe pereții paharului. La contactul cu pereții reci ai sticlei, vaporii de apă conținuti în aer sunt transformați în picături de apă și se depun pe suprafața sticlei.

Orez. 11. Condens pe pereții unui pahar rece ()

Din același motiv, interiorul geamului se aburi în timpul sezonului rece. Aerul rece nu poate conține atât de mulți vapori de apă ca aerul cald, așa că o parte din el se condensează - se transformă în picături de apă.

Traseul alb din spatele unui avion care zboară pe cer este, de asemenea, rezultatul condensului apei.

Dacă aduci o oglindă la buze și expiri, pe suprafața ei vor rămâne mici picături de apă, ceea ce demonstrează că atunci când respiră o persoană inhalează vapori de apă cu aerul.

Când apa este încălzită, aceasta „se extinde”. Acest lucru poate fi dovedit printr-un experiment simplu: un tub de sticlă a fost coborât într-un balon cu apă și a fost măsurat nivelul apei din acesta; apoi balonul a fost coborât într-un vas cu apă caldă și, după încălzirea apei, a fost remăsurat nivelul din tub, care a crescut vizibil, deoarece apa crește în volum atunci când este încălzită.

Orez. 14. Un balon cu un tub, numărul 1 și o linie indică nivelul inițial al apei

Orez. 15. Un balon cu un tub, numărul 2 și o linie indică nivelul apei când este încălzită

Când apa se răcește, se „comprimă”. Acest lucru poate fi dovedit printr-un experiment similar: în acest caz, un balon cu un tub a fost coborât într-un vas cu gheață, după răcire, nivelul apei din tub a scăzut față de marca originală, deoarece apa a scăzut în volum;

Orez. 16. Un balon cu un tub, numărul 3 și o linie indică nivelul apei în timpul răcirii

Acest lucru se întâmplă deoarece particulele de apă, moleculele, se mișcă mai repede atunci când sunt încălzite, se ciocnesc unele de altele, sunt respinse de pereții vasului, distanța dintre molecule crește și, prin urmare, lichidul ocupă un volum mai mare. Când apa se răcește, mișcarea particulelor sale încetinește, distanța dintre molecule scade, iar lichidul necesită mai puțin volum.

Orez. 17. Molecule de apă la temperatură normală

Orez. 18. Moleculele de apă când sunt încălzite

Orez. 19. Molecule de apă în timpul răcirii

Nu numai apa, ci și alte lichide (alcool, mercur, benzină, kerosen) au astfel de proprietăți.

Cunoașterea acestei proprietăți a lichidelor a condus la inventarea unui termometru (termometru) care folosește alcool sau mercur.

Când apa îngheață, se extinde. Acest lucru poate fi dovedit dacă un recipient umplut până la refuz cu apă este acoperit lejer cu un capac și plasat în congelator după un timp vom vedea că gheața formată va ridica capacul, trecând dincolo de recipient;

Această proprietate este luată în considerare la așezarea conductelor de apă, care trebuie izolate astfel încât la îngheț, gheața formată din apă să nu rupă conductele.

În natură, apa înghețată poate distruge munții: dacă apa se acumulează în crăpăturile stâncilor toamna, îngheață iarna, iar sub presiunea gheții, care ocupă un volum mai mare decât apa din care s-a format, rocile crăpă și se prăbușesc.

Înghețarea apei în crăpăturile drumurilor duce la distrugerea pavajului de asfalt.

Crestele lungi care seamănă cu falduri de pe trunchiurile copacilor sunt răni de la rupturi de lemn sub presiunea sevei de copac care îngheață în el. Prin urmare, în iernile reci se aude trosnetul copacilor într-un parc sau pădure.

1. Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Lumea din jurul nostru 3. M.: Ballas.
2. Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Lumea din jurul nostru 3. M.: Editura Fedorov.
3. Pleshakov A.A. Lumea din jurul nostru 3. M.: Educație.

1. Festivalul de Idei Pedagogice ().
2. Știință și educație ().
3. Clasa publică ().

1. Faceți un scurt test (4 întrebări cu trei variante de răspuns) pe tema „Apa din jurul nostru”.
2. Faceți un mic experiment: puneți un pahar cu apă foarte rece pe o masă într-o cameră caldă. Descrie ce se va întâmpla, explică de ce.
3. *Desenați mișcarea moleculelor de apă în stare încălzită, normală și răcită. Dacă este necesar, scrieți legende pe desen.