Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке  — от 0°C примерно до 4°C. При б

ольших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале

Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H

2O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H₂O)_x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в

Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).

Юрий Ерин

Три состояния воды — урок. Окружающий мир, 3 класс.

Мы привыкли, что вода — это прозрачная жидкость без цвета и вкуса. Но она бывает и твёрдой, и газообразной. Лёд и снег — это тоже вода. А в воздухе всегда есть вода в виде пара.

 

Вода может быть в трёх состояниях: жидком, газообразном (пар, туман) и твёрдом (лёд, снег, град, иней).

 

 

Состояние воды зависит от температуры. Если на улице тепло, то вода жидкая. На морозе вода замерзает и превращается в лёд. А при нагревании она испаряется и становится водяным паром.

 

При этом изменяется расстояние между молекулами воды. В твёрдой воде молекулы располагаются совсем близко. В жидкой воде они дальше друг от друга, а в газообразной — совсем далеко.

 

Превращения воды

Превращение жидкой воды в лёд происходит при температуре ниже \(0\) градусов. Это замерзание.

 

Лёд начинает таять, если температура выше \(0\) градусов. Происходит таяние льда.

 

Превращение жидкой воды в пар — это испарение. Испарение происходит при любой температуре, а полностью вода становится газообразной, если температура выше \(100\) градусов.

 

Водяной пар превращается в жидкую воду при температуре ниже \(100\) градусов. Процесс называется конденсация.

Особые свойства льда

Обыч­но твёр­дые ве­ще­ства тя­же­лее, чем те же ве­ще­ства в жид­ком со­сто­я­нии. На­при­мер, ку­со­чек воска тонет в рас­плав­лен­ном воске. Лёд не тонет в воде. Если бро­сить ку­со­чек льда в  воду, он будет пла­вать на по­верх­но­сти.

 

При замерзании вода ведёт себя не так, как другие вещества.  Если воду охлаждать, то она начинает сжиматься. Но как только температура воды становится ниже \(0\) градусов, всё изменяется. При замерзании вода опять расширяется. Лёд за­ни­ма­ет боль­ший объём, чем вода, и он легче воды.

 

Если стеклянную  бутылку с водой  оставить на морозе, то она лопается.  То же самое происходит и с водопроводными трубами. Если в них вода замёрзнет, то они разрываются. В сильные морозы из-за этого происходят аварии, и люди остаются без тепла и воды.

Как обычную водопроводную воду превратить в целебную — Российская газета

Весной, в период таяния снега, вода из водопроводного крана часто отдает хлоркой.

Причина понятна: весенние ручьи смывают в водоемы грязь.

Чтобы обеззаразить воду, поступающую в квартиры, ее особенно тщательно хлорируют. В итоге получается жидкость, в общем-то, безопасная, но невкусная и со странной структурой молекул, несвойственной живой природе. Но и ее можно превратить в «эликсир жизни», не потратив на это ни копейки. Плюсы у воды появляются «при минусе», то есть после ее замораживания.

Жидкие снежинки

В естественной среде молекулы воды объединяются в кольцо, образуя правильную звездочку-снежинку с шестью лучами. Структурированная таким образом вода хорошо снабжает клетки нашего тела кислородом, питательными и минеральными веществами. Ни водопроводная, ни дистиллированная, ни бутилированная вода правильной шестиконечной фигуры не образуют.

На Земле известно более десятка районов, чаще всего горных, где люди живут значительно дольше обычного, причем на здоровье не жалуются и выглядят много моложе своих лет. По данным Всемирной организации здравоохранения, эти «оазисы» долголетия, при всем разнообразии условий проживания в них объединяет одно общее — вода, которую пьют жители этих мест.

Чистая, с «упорядоченными» молекулами вода ледниковых рек и озер или редких теперь уже подземных ключей. Такую воду испокон веку люди называли «живой». Не случайно среди горцев больше всего здоровых и бодрых долгожителей. Ученые связывают это с удивительными свойствами воды высокогорных источников, образованных таянием ледяных вершин. Талая вода характеризуется чрезвычайно высокой биологической активностью, омолаживающим, оздоравливающим и повышающим иммунитет действием.

Эликсир молодости

Многочисленные исследования биологической активности талой воды, проводимые у нас и за рубежом, показали:

— ее применение вдвое повышает яйценоскость кур и удои молока у коров;

— на 60% возрастает урожайность злаковых культур, а огурцов и редиса — аж в 2,5 раза.

Наблюдения велись и за больными людьми, которые на протяжении нескольких месяцев использовали талую воду для питья и приготовления пищи. Оказалось, что общее состояние больных заметно улучшалось, снижалось количество холестерина в крови, нормализовались давление и обменные процессы.

Талая вода издавна успешно использовалась в косметологии. Современные врачи тоже советуют протирать кожу кубиками льда, умываться, ополаскивать волосы и делать маски на ее основе.

Пристрастием к талой воде некоторые специалисты объясняют даже птичьи перелеты из благодатных южных широт в наши суровые условия. Якобы пернатые возвращаются на родину именно в период таяния снегов, потому что им нужна талая вода. Они пьют ее, купаются в ней, и это способствует появлению на свет здорового потомства.

Как приготовить талую воду?

Способов получения талой воды в домашних условиях несколько. Самый простой — налить воду в кастрюлю и поставить в морозилку на лист картона. Как замерзнет, вынуть и дать растаять при комнатной температуре.

Второй способ заключается в том, чтобы прогнать воду по полному кругу свойственных ей превращений. Сначала ее нагревают до 94-96 градусов — стадии «белого ключа», снимают с огня, быстро охлаждают под краном или в ванне с холодной водой, а потом замораживают в морозильной камере. При необходимости — оттаивают и используют по назначению.

Но самую чистую и полезную воду получают способом так называемого двойного очищения: от тяжелой воды и химических примесей. Для этого родниковую или отстоянную и прокипяченную водопроводную воду держат в морозильнике до образования тонкой корочки льда. Первой схватывается так называемая тяжелая вода, поэтому образовавшийся ледок выбрасывают, а оставшуюся воду снова выставляют на мороз, пока половина или 2/3 ее объема не превратятся в лед. Незамерзший остаток — концентрат солей и вредных примесей — сливают, а лед оттаивают при комнатной температуре и пьют. Это и есть целебная живая вода. Ее нужно пить сразу, как лед растает. На ней можно готовить пищу. Правда, при нагревании она теряет свои лечебные свойства, но остается гораздо чище воды, пропущенной через фильтр.

Важно

Независимо от того, каким способом вы будете получать талую воду, помните:

•  для ее приготовления нельзя брать снег и лед с улицы, а также растапливать «шубу» на морозильнике;
•  водопроводную воду перед замораживанием надо отстаивать;
•  нельзя пользоваться металлической посудой;
•  замораживать воду лучше в пластмассовой таре, предназначенной для хранения питьевой воды, а еще лучше — в эмалированной;
•  воду, предназначенную для лечения, после оттаивания хранить не более 5-7 часов;
•  не нагревать ее выше 37 градусов;
•  к свежей талой воде лучше ничего не добавлять.

Кстати

— В 1933 году сотрудники Калифорнийского университета Г. Льюс и Р. Макдональд выделили из природной воды так называемую тяжелую воду. Узнав об этом открытии, академик Н. Зелинский написал: «Кто бы мог подумать, что в природе существует еще другая вода, о которой мы до прошлого года ничего не знали, вода, которую в весьма небольшом количестве мы ежедневно вводим в свой организм вместе с питьевой водой. Однако небольшие количества этой новой воды, потребляемой человеком в течение жизни, составляют уже порядок величины, с которым нельзя не считаться».

— Британские ученые заявили, что секрет долголетия британских монархов кроется в особом составе воды, бьющей из подземного ключа на территории их загородной резиденции Балморал. Исследования показали, что вода Балморала обладает свойствами, задерживающими процесс старения. Один из руководителей научных работ профессор Хью Мэтесон так и заявил: «Эту воду можно использовать для омоложения организма».

Действительно, королевская семья всегда использовала ее очень широко. Балморал был излюбленным местом проживания королевы матери, скончавшейся в возрасте 101 года. И ее дочь, нынешняя королева Елизавета II, проводит в шотландском замке каждое лето и скоро отпразднует свое 83-летие.

Эксперимент с покадровой анимацией показывает двойственную природу переохлажденной воды

Жидкая вода при температурах значительно ниже нуля имеет два разных варианта расположения молекул, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Science.

Молекулы жидкой воды при температурах значительно ниже точки замерзания располагаются двумя способами: либо с высокой плотностью, либо с низкой. Ученые провели эксперимент, предоставляющий новые доказательства этой теории.

Обычно вода замерзает ниже 0° по Цельсию из-за примесей, таких как пыль в воде, на которой могут образовываться кристаллы льда. Но чистая вода, в которой отсутствуют пусковые механизмы кристаллизации, может оставаться жидкой при гораздо более низких температурах, и это явление называется переохлаждением.

В 1990-х годах группа физиков предположила, что при высоких давлениях и очень низких температурах переохлажденная вода распадается на две отдельные жидкости с разной плотностью. При атмосферном давлении, при котором проводился новый эксперимент, переохлажденная вода должна была сохранять некоторые следы такого поведения, что приводило бы к переходному расположению молекул в формациях высокой и низкой плотности.

Хотя эксперименты и намекали на этот эффект, ученые не смогли полностью определить его. «Есть температурный регион, в котором [переохлажденная вода] экспериментально очень трудна для изучения», — говорит Лони Крингл из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде (штат Вашингтон).

При температуре от –113°C до –38°C жидкость кристаллизуется очень быстро, даже если она полностью чистая. Это затрудняет определение ее свойств, поскольку измерения должны проводиться за доли секунды до того, как вода замерзнет.

Теперь Крингл и его коллеги провели такой эксперимент: они нагрели тонкую пленку воды с помощью лазера, а затем быстро охладили жидкость. Попадание на пленку инфракрасным светом показало, как молекулы воды двигаются и образуют структуры. Затем команда повторила этот процесс, чтобы сделать снимки того, как эта структура развивалась с течением времени при нагревании и охлаждении пленки. Это позволило ученым измерить свойства жидкости при температурах, при которых она могла бы быстро кристаллизоваться, если бы находилась там в течение более длительных периодов времени.

Исследователи пришли к выводу, что поведение воды при нагревании и охлаждении можно объяснить сосуществованием двух различных молекулярных структур, как предсказывалось ранее. Однако команда напрямую не измерила плотность этих структур, поэтому требуется дополнительная работа, чтобы подтвердить правильность теории.

«Комбинация методов совершенно новая и оригинальная, — говорит инженер-химик Пабло Дебенедетти из Принстонского университета, который не принимал участия в исследовании.

Лучшее понимание странных свойств переохлажденной воды может помочь ученым понять причуды воды. Например, в отличие от большинства веществ, вода при замерзании расширяется, что делает ее менее плотной, чем ее жидкая форма. Вот почему лед плавает в вашей чашке и стоит на берегу озера, оставляя под собой слой жидкости, который может укрыть водную флору и фауну зимой.

«Вода — очень странная жидкость, — говорит физик Грег Киммел, соавтор исследования, также работающего в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. —  Но все с ней знакомы, поэтому мы даже не осознаем, насколько это странно».

[Фото: sciencenews.org]

Российские ученые зарегистрировали в воздухе димеры — двойные молекулы воды, ответственные за поглощение солнечного света в атмосфере

Российские ученые зарегистрировали существование в воздухе димеров воды – связанных пар молекул, устойчивых в газовой фазе при комнатной температуре. Считается, что димеры ответственны за поглощение солнечного света в атмосфере. Открытие крайне важно как для построения климатических моделей и предсказания погоды, так и для понимания свойств воды. Об открытии «Газете.Ru» рассказал руководитель исследований Михаил Третьяков из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде.

— Расскажите, в чем суть вашего открытия?
— Выражение «ваше открытие», по-моему, тут не совсем уместно: открытие димера воды тянулось от полувека до века в зависимости от того, что считать исходной точкой. В начале прошлого века выяснилось, что наши представления о составе атмосферы не соотносятся с фактическими наблюдениями о том, сколько она поглощает солнечного излучения. Оказалось, что излучения поглощается слишком много, это не удавалось объяснить присутствием обычных молекул, в частности водяного пара (Н₂О). К концу 50-х годов человечество осознало, что при соударениях друг с другом молекулы газов могут «слипаться» и образовывать двойные молекулы, или димеры. Естественно, возникли предположения, что избыточное поглощение излучения в атмосфере связано как раз с димерами. Первым, кто сделал расчеты и четко сформулировал, что в водяном паре избыточное поглощение обусловлено димерами воды, был известный нижегородский (тогда еще горьковский) ученый Сергей Александрович Жевакин. Его статья, опубликованная в «Докладах АН СССР» в 1966 году, имела мировой резонанс.

Например, лондонская Times сообщила, что, по мнению русских, димеры воды в атмосфере могут поглощать микрорадиоволны.

После этого все начали искать димеры: были затрачены большие средства и предприняты усилия, приведшие в том числе и к ложным открытиям.

Можно привести примеры, опубликованные в самых престижных научных журналах — Science и Nature. Точное подтверждение удалось получить нам — маленькой и по нынешним меркам нищей лаборатории, работающей в стороне от главных направлений нашего института. Мы подтвердили то, что теоретически предсказал Жевакин, — именно этому посвящена статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters.

— Что такое димеры воды и почему именно они привлекают такое внимание ученых?
— Димер — это две молекулы Н₂О, соединенные водородной связью. Они встречаются во всех газовых смесях, где есть молекулы воды, в том числе в атмосфере Земли. Есть две причины интереса к ним. Первая — это проблема радиационного баланса Земли, который определяет не только погоду, но и климат, — это всех непосредственно касается и поэтому волнует. Дело в том, что Н₂О (а не CO₂, как многие думают) является не только основным парниковым газом, но, по мнению большинства специалистов, работающих в этой области, имеет в этом неустойчивом радиационном балансе положительную обратную связь. То есть

если вдруг климат потеплеет, то в атмосфере окажется больше воды, что приведет к усилению парникового эффекта и к дальнейшему потеплению; и наоборот, если начнется похолодание, то оно закончится ледниковым периодом.

Поэтому, для того чтобы научиться предсказывать, по какому сценарию будут развиваться события, очень важно знать, в какой именно из своих многообразных форм вода присутствует в атмосфере и в каких количествах. Вторая – это проблема понимания свойств воды. Вода для нашей цивилизации — это жизнь. Отделить истинные свойства воды от многовековых суеверий, научно объяснить ее свойства, исходя из основных физических принципов, – вот реальная фундаментальная задача, стоящая перед человечеством. А в основе воды лежит та самая водородная связь, которая объединяет две молекулы Н₂О в димер, то есть димер — это простейший прототип структуры воды. Пока мы не изучим полно и всесторонне свойства димера воды, мы не поймем и свойств воды в целом.

— Каким образом удалось зарегистрировать димеры воды?
— В сотрудничестве с французским ученым Клодом Лефорестье мы сделали ключевой шаг в понимании, где надо искать «отпечатки пальцев» димеров и как они примерно должны выглядеть. Как только возникло это понимание, стало ясно, что для обнаружения нужен особенный инструмент – спектрометр. Одна из недостающих у нас частей такого инструмента была в похожем спектрометре в Университете штата Огайо (США), а то, чего не хватало у них, было в нашем. Понимая, что с их возможностями они могут сделать недостающую часть быстрее нас и «открыть димер», даже не ссылаясь на нашу работу, мы написали американцам — мол, давайте сделаем вместе. Но ответа не получили. Думаю, что они пытались обойтись без нас, но, видимо, без вдохновения.

Три бесконечно долгих года мы делали недостающую часть нашего спектрометра — это вакуумная «бочка» из нержавейки, с окнами для ввода и вывода излучения, для напуска газа и подключения контрольно-измерительной аппаратуры.

Проблема банальна: на фундаментальную науку у нас в стране не хватает денег. Американцы просто купили бы стандартное вакуумное изделие. Цена вопроса примерно 50 000 долларов. Нашей лаборатории Российская академия наук на эту работу ежегодно выделяет около 7000 долларов, включая накладные расходы института и прочие налоги. Еще примерно столько же дает РФФИ…

Собрать камеру — из нашедшегося в криогенной лаборатории криостата — удалось, только объединив наш энтузиазм с усилиями (и средствами) еще двух лабораторий нашего института, работающих совсем в другой области науки, которые тоже увидели свой интерес в модернизации нашего спектрометра и получении с его помощью данных для своих работ. Первый же эксперимент по обнаружению димера оказался удачным.

— Возможно ли идентифицировать димеры воды вне лабораторных условий?
— Думаю, что можно их «увидеть» и непосредственно в атмосфере. Современные спутниковые приборы, с помощью которых измеряются концентрации различных атмосферных газов, определяется влажность и температура воздуха, имеют очень высокую чувствительность. Сейчас ясно, что именно надо искать, — осталось сделать соответствующую аппаратуру, оснастить спутник.

—Возможна ли искусственная генерация димеров воды, например для регуляции уровня радиации в атмосфере? Может ли это помочь при ликвидации ядерных катастроф? Сможем ли мы регулировать климат?
— Чем больше паров воды в атмосфере, тем больше димеров. Но я думаю, что это не самый эффективный способ борьбы с ядерными катаклизмами. Вообще, тут, видимо, путаница с терминами. В радиационном балансе Земли доля рентгеновского излучения (которое в народе обычно и зовется «радиацией») не так уж велика. В радиационный баланс Земли вносят вклад и ультрафиолетовое, и видимое, и инфракрасное, и даже радиоизлучение. А слово «радиация» – это общее понятие, означающее излучение. В этом смысле искусственно пытаться что-то делать с димерами просто бессмысленно. Испарять воду в атмосферу или, наоборот, «сливать» искусственно вызванными дождями в планетарных масштабах человечество пока не готово. Да и уж очень трудно будет «конкурировать» с мировым океаном.
Что касается климата, то пока можно только пытаться объяснять и предсказывать его изменения, в перспективе — регулировать.

Но для этого должны появиться люди, мыслящие и действующие в планетарных масштабах в интересах всего человечества. А чтобы эти перспективы реализовались, надо методично развивать фундаментальную науку, которая никогда не сможет ни написать бизнес-план, ни дать быстрого экономического эффекта.

—Можно ли как-то усилить водородные связи между молекулами воды для
стабилизации димера?
—Да. При нагревании они слабеют, а при охлаждении крепнут.

— Каково практическое применение вашего открытия?
— Пока это модели климата, в перспективе — объяснение свойств воды. Только то, что хорошо понимаешь, можно с максимальной пользой применять на практике.

Ответы на «Задачки в дорогу»

Привет, любознательный друг! 

Ты уже побывал на научных шоу в «ЛабиринтУме» и успел потрогать, попробовать, изучить все механизмы и экспонаты в нашем музее? Но дух исследователя все равно не дает спать по ночам? Тогда не забудь, выходя из «ЛабиринтУма», захватить с собой «Задачки в дорогу» — безопасные опыты для домашней лаборатории! 

Проведя опыты в домашних условиях, приходи на сайт музея и узнай ответы на вопросы, которые я задаю. Например, можно ли использовать пепси-колу в быту или сколько понадобится муравьев, чтобы очистить потемневшую от старости монетку. 

Давай изучать занимательные науки вместе!

Объяснение к заданиям «Химия или магия»:

Опыт 1.

Когда мы нагрели газировку, весь углекислый газ из неё вышел.

Когда мы добавили соду, то частички соды начали реагировать с частич­ками кислоты в газировке. И углекислый газ начал выделяться опять. Многие кислоты умеют «отщипывать» частички не только от соды, но и от других веществ.

Опыт 2.

Монета очистится и заблестит как новенькая.

Потому что тёмный налёт на монете — это соединение ме­ди и воздуха (точнее, части воздуха, которая называется «кислород»). А в кока-коле содержится кислота. Кислота «выдёргивает» атомы кислорода. А медь опять без кислорода — чистенькая и блестящая. Ещё нагляднее будет, если напиток налить в маленькую крышечку от бутылки и погрузить туда монету до половины. Половинка, погружённая в кока-колу, будет блестящая, а та, что осталась на воздухе, — тёмная.

 

Опыт 3.

Монета покроется красным налетом. Почему?

Монетки делают не из чистой меди, а из сплава — смеси меди, алюминия или цинка (это такие металлы). Если кислота долго действует на монету, то частички кислоты «отщипывают» частички алюминия и цинка, остается одна    медь. А чистая медь красноватого цвета.

 

Объяснение к заданиям «Электричество»:

ОПЫТ 1. Скачущие перчинки

Почему?

Когда мы трём крышку шерстяной варежкой, она электризуется и притягивает перчинки.

Если дотронуться до крышки металлической скрепкой, заряды перетекут на неё, и

перчинки упадут вниз или перескочат на другие части крышки, которые еще не утратили заряда .

Статическое электричество через скрепку перетекает на твоё тело, а затем уходит в землю.

Сама по себе скрепка наэлектризоваться не может.

ОПЫТ 2. Упрямые шарики

Предметы из одного и того же материала приобретают одинаковый заряд. А так как одноименные заряды отталкиваются, то шарики, имеющие оба отрицательный заряд, удаляются друг от друга. Лист бумаги не наэлектризован, он имеет одинаковое количество отрицательных и положительных зарядов. Его положительные заряды притягивают отрицательные заряды шариков.

ОПЫТ 3. Огни Эльма

Кроме молнии в природе можно наблюдать и другое электричество. Его описывали моряки всех стран и народов. В тихие тропические ночи на мачтах вспыхивали холодные огоньки. Их видели Христофор Колумб и Фернан Магеллан, и многие другие знаменитые мореплаватели. Их назвали  — огни святого Эльма. При чём тут святой?

Просто такие огни часто появлялись на шпиле церкви Святого Эльма в одном французском городе. Ещё знаменитый римский полководец и император Юлий Цезарь описывал такие огни. Он видел их на кончиках копий солдат, когда они ночью переходили через горы.

Возникают огни Эльма и на самолётах, возле винтов и разных выступающих заострённых частей корпуса. Это «украшение» пилотов не радует — оно создаёт сильные радиопомехи. Но для самолётов и пассажиров огни святого Эльма совершенно безопасны. 

 

Друзья, хотите узнать больше? Приходите ко мне на научные шоу программы «Таинственный мир электричества» и «Война токов». 

 

Объяснение к заданиям «Фатальная заморозка»:

Ответы для сайта:

1. Почему, если дохнуть себе на руку, получается ощущение тепла, а если дунуть, то ощущение прохлады?     Выдыхаемый воздух весьма влажный и имеет температуру близкую к 36.6.

Кожа на наших руках  холоднее (зимой тем более). Это означает, что если дохнуть на руку, то на её холодной поверхности влага будет конденсироваться, отдавая тепло (также как в бане, когда поддашь на каменку, пар, конденсируясь дает ощущение подъема температуры, хотя она и не изменилась). Подышите медленно на ладонь, она будет чуток влажной – значит, конденсация произошла, а, значит и отдача тепла. Если сильно дуешь, то поток воздуха уносит молекулы пара, вследствие чего испарение с руки усиливается, а на это нужна энергия, она отнимается от руки. И мы ощущаем прохладу.

Медленно дуем — преобладает конденсация с выделением тепла, быстро дуем — преобладает испарение с поглощением тепла.

2. Почему мокрые пальцы примерзают зимой к металлическим предметам и не примерзают к деревянным? Металлы обладают очень высокой теплопроводностью, они   очень быстро отводят  тепло (обрати внимание, как быстро нагревается верхний кончик ложки в стакане с горячим чаем) Поэтому вода на руке успевает даже за доли секунды превратиться в лед,  и пальцы примерзают. А дерево — хороший теплоизолятор, оно наоборот хорошо  сохраняет тепло, поэтому, например, стены домов часто делают из дерева. Поэтому деревянная ручка не успевает отвести достаточное количество тепла, чтобы вода на пальцах превратилась в лед.

3. Метеориты, пролетающие через атмосферу, нагреваются и даже светятся. Однако, наблюдались и такие явления: метеорит попадает в болото, и оно всё замерзает! Почему?

Метеорит находясь в космическом пространстве имеет крайне низкую температуру. Даже когда он входит в земную атмосферу, он не успевает сильно нагреться целиком . Всему виной его низкий коэффициент теплопроводности . Хоть его верхняя часть за счет сил трения о воздух раскаляется до огненного шлейфа , сам метеорит внутри удерживает чудовищно низкие температуры . Конечно сказывается еще и его масса . Обладая значительной теплоемкостью, он способен при нагревании от воды болота, куда метеорит угодил, забрать достаточное количество тепла, чтобы оказаться замурованным в ледяной панцирь. А также если метеорит из космоса входит в земную атмосферу под углом и по направлению вращения Земли, тем самым при минимальной его скорости к точке падения силы трения о воздух не сильно его нагревают, и он продолжает нести в себе огромное количество сильно охлажденного льда. И поэтому метеорит способен при падении заморозить болото и не только.

4. Космонавт, находясь на поверхности Луны, вскрыл ампулу с водой. Как будет вести себя вода?Луна не имеет атмосферы. Если там оказывается вода бывшая до того при нормальных условиях, тогда при вскрытии ампулы,  она сначала вскипит, а потом замёрзнет. При снижении давления температура кипения снижается, а температура замерзания повышается.

Это явлением ты сможешь  увидеть в лаборатории нашего музея.

 

Объяснение к заданиям «Морозилкины секреты»:

ОПЫТ 1. Сила льда

Почему?  Когда вода замерзает, она расширяется и становится твёрдой, вырываясь за пределы сосуда. Сила увеличивается в несколько раз и поэтому может сломать даже очень прочные предметы. Именно по этой причине вода разрывает прочные водопроводные трубы и разрушает горы.

ОПЫТ 2. Лёд на удочке

Почему?   Подсоленный лёд тает, так соль сдвигает точку замерзания. Точка — замерзания- это температура, при которой вода переходит из жидкого состояния в твёрдое. При замерзании воды образуются ледяные кристаллы правильной формы. Соль нарушает структуру кристаллов, поэтому температура замерзания воды становится ниже.  Соль растворила лёд. Но чем больше льда растает, тем меньше будет концентрация соли в талой воде. И её уже не хватает, для таяния льда, и кубик снова замерзает.

Теперь ты знаешь, зачем зимой заснеженные дороги посыпают солью.

ОПЫТ 2. Буря в стакане

Вода не польётся через край. Лёд растает, а уровень воды не изменится, в тарелку не упадёт ни капли.

Почему?   Ты уже знаешь, что одним из любопытных свойств льда является его способность расширяться по мере образования. Иными словами, вода замерзает, и, обладая прежней массой, начинает занимать больше места (примерно на 9%). Это означает, что лёд имеет меньшую плотность по сравнению с водой – его молекулы расположены дальше друг от друга, нежели молекулы воды. Поэтому талой воде хватит места, после таяния льда.

Во льдах Антарктики содержится большая часть всех запасов пресной воды на Земле. Учёные подсчитали, что, если ледники растают, уровень мирового океана поднимется на 60 метров. Но ведь это противоречит эксперименту? Вовсе нет. Учёные при подсчете имели в виду льды, расположенные не в океане, а на суше.

Когда этот лёд растает, вода потечёт в океан и его уровень поднимется.

 

Друзья, хотите узнать больше? Приходите ко мне на научные шоу программы «Фатальная заморозка» и «Морозилкины секреты». 

 

Объяснение к заданиям «Трюки с магнитами»:

ОПЫТ 1. Самодельный магнит

Почему?   У тебя получилась катушка индуктивности. Когда по катушке течет ток, между полюсами батарейки, возникает магнитное поле. При этом мельчайшие частицы металла внутри болта — их называют «элементарными магнитами», выстраиваются в определённом порядке. То есть все эти крохотные магниты указывают южным полюсом в одну сторону. А значит, и весь болт теперь имеет южный и северный полюса и становится магнитом. И если его поднести к железным предметам, таким как гвоздь, то они тоже приобретут свойства магнита.

Если болт сделан из твёрдой стали, он сохранит магнитные свойства и после отключения его от батарейки.

ОПЫТ 2. «Сокровища» в бутылке.

Почему?  Магниты притягивают к себе некоторые предметы. Это явление называется — магнетизмом, а материалы магнетическими. Найди предметы в доме, которые притягиваются к магниту.

ОПЫТ 3. Битва Магнитов

Почему?  У каждого магнита есть два полюса- северный и южный. Между одинаковыми полюсами возникает отталкивание, а между разными – притяжение.

 

Друзья, хотите узнать больше? Приходите ко мне на научные шоу программу «Загадки магнетизма». 

Объяснение к заданиям «Эврика»:

ОПЫТ 1. Живая и мёртвая вода

Почему? Картофель тонет, потому что плотность воды в банке меньше, чем плотность картофеля. Долевая в банку «живую» воду, мы, увеличивая плотность воды, увеличиваем выталкивающую силу, и клубень всплывает. Добавляя «мёртвую», мы уменьшаем плотность воды и клубень опять утонет. 

Подливая то одну, то другую жидкость, можно получить раствор, в котором клубень не будет всплывать на поверхность, но и ко дну не пойдёт. Если плотность тела равна плотности жидкости, то оно плавает в состоянии безразличного равновесия.

Оказывается, в море плавать чуть-чуть легче, поскольку плотность соленой морской воды немного больше, чем пресной. Обычно это помогает мало. Однако есть водоемы с очень соленой водой. Таково Мертвое море в Израиле. Там вода настолько соленая, что утонуть, в ней практически невозможно. Но и жизни в ней нет тоже. 

ОПЫТ 2. Картезианский водолаз 

Почему? 

Дело в том, что мы немного сжали воздух и это давление передалось воде. Вода проникла в пипетку — она стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш водолаз» стал легче и всплыл. Если в начале опыта «водолаз» вас не слушается, значит, надо отрегулировать начальное количество воды в пипетке.

Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от усиления нажима на стенке бутылки вода входит в пипетку, а при ослаблении нажима выходит из нее.

ОПЫТ 3. Тонет-не тонет

Почему? Правильно, плотность тела человека примерно равна плотности воды, и при почти полном погружении выталкивающая сила полностью компенсирует вес.

И уж если так случилось, что человек начал тонуть где-нибудь на глубоком месте, то лучше звать криками на помощь, а не привлекать внимание взмахами рук. 

Поскольку, выставляя руки из воды, он уменьшает свой объем, погруженный в воду, и выталкивающую силу, а тем самым способствуете дальнейшему погружению.

Друзья, хотите узнать больше? Приходите ко мне на научную шоу-программу «Эврика» 

Объяснение к заданиям «Семь граней света»:

ОПЫТ 1. Краски света

На бумаге появится радуга.

Почему? Сам по себе свет кажется белым, но он состоит из лучей разного цвета или волн разной длины. Стакан воды может изменить направление разноцветных лучей как призма, преломляя их, и делая видимыми. Луч определённого цвета имеет свой показатель преломления, т.е. каждый из цветовых лучей отклонится на свой угол. И они выйдут из стакана с водой в разных точках и перестанут сливаться в один белый свет. Так возникает разноцветная радуга.

ОПЫТ 2. Синева неба

Если луч света падает на поверхность раствора вертикально, то кажется, что раствор окрашен в голубой цвет. При попадании луча сквозь стекло стакана кажется, что раствор стал розовым, а сам луч — возможно, жёлто-оранжевым.

Почему? Получившийся раствор преломляет лучи света, подобно нашей атмосфере. 

В природе солнечные лучи рассеиваются мельчайшими частицами в неоднородных слоях атмосферы. При этом оказывается, что волны соответствующие фиолетовому и синему цветам, рассеиваются сильнее других волн. Из-за этого нам и кажется, что Солнце бледно-желтоватого цвета, а небо — голубое.

Но такой световой и цветовой эффект виден только с Земли. В космосе все немного иначе… Так как там нет атмосферы, то все видно в первозданном виде: Солнце на самом деле ярко-белого цвета, а небо, т.е. пространство космоса, — абсолютно черное. Сейчас мы это знаем благодаря разным спутникам и космонавтам, побывавшим в космосе.

ОПЫТ 3. Стеклянный глаз

На бумажном полотенце появится перевёрнутое изображение вырезанной фигурки.

Почему? Лучи отражённого света попадают в лупу, преломляются и падают на бумажное полотенце. Появляется перевёрнутое изображение фигурки. Такая установка действует подобно глазу: ваза круглой формы выступает в роли стекловидного тела глаза, лупа — хрусталик, а бумажное полотенце — сетчатка.

Друзья, хотите узнать больше? Приходите ко мне на научную шоу-программу «Семь граней света».

Физические свойства воды

> Физические свойства воды

• Состояние (ст.усл.): жидкость
• Плотность: 0,9982 г/куб.см
• Динамическая вязкость (ст.усл.): 0,00101 Па•с (при 20°C)
• Кинематическая вязкость (ст.усл.): 0,01012 кв.см/с (при 20°C)

Термические свойства воды:

• Температура плавления: 0°C
• Температура кипения: 99,974°C
• Тройная точка: 0,01 °C, 611,73 Па
• Критическая точка: 374°C, 22,064 MПа
• Молярная теплоёмкость(ст.усл.): 75,37 Дж/(моль•К)
• Теплопроводность(ст.усл.): 0,56 Вт/(м•K)

Агрегатные состояния воды:

• Твёрдое — лёд.
• Жидкое — вода.
• Газообразное — водяной пар.

При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0°C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100°C.

При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения — падает.

При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01°C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды.

При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает.

При температуре 374°C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают.

При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0°C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Вода обладает рядом необычных особенностей:

• При таянии льда, его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/куб.см). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
• При нагревании от 0°C до 4°C (точнее 3,98°C), вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4°C, более холодная вода, как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а под льдом сохраняется положительная температура.
• Высокая температура и удельная теплота плавления (0°C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100°C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
• Высокая теплоёмкость жидкой воды.
• Высокая вязкость.
• Высокое поверхностное натяжение.
• Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O+) и гидроксильных ионов HO — составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Понравилось? Поделись с друзьями!

---

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.blog comments powered by

молекул в движении | Глава 1: Вещество — твердые тела, жидкости и газы

Попросите студентов помочь вам спланировать эксперимент, чтобы увидеть, отличается ли скорость молекул воды в горячей воде от скорости в холодной воде.

Задайте студентам следующие вопросы:

• Отличается ли скорость молекул воды в горячей и холодной воде?
• Что мы можем сделать, чтобы узнать?

Студенты могут догадаться, что молекулы в горячей воде движутся быстрее.Есть несколько возможных экспериментов, которые студенты могут предложить, чтобы выяснить, правда ли это. Один из наиболее очевидных способов — сильно нагреть воду, чтобы она закипела. Затем вы можете увидеть, как движется вода. Вы могли бы это сделать, но для этого потребуется электрическая плита, потребуется много времени и, возможно, придется делать это как демонстрацию, а не как занятие, которое могут выполнять ученики.

Сообщите учащимся, что один из возможных методов — использовать горячую и холодную воду и добавлять в воду пищевой краситель.Если при одной температуре молекулы воды движутся быстрее, чем при другой, пищевой краситель также должен двигаться быстрее и делать движение заметным.

Спросите студентов:

• Следует ли использовать в эксперименте одинаковое количество горячей и холодной воды? да.
• Должны ли мы использовать один и тот же тип чашки для горячей и холодной воды? да.
• Должны ли мы использовать одинаковое количество капель пищевого красителя в каждой чашке? да.
• Стоит ли наносить окраску одновременно? да.

Объясните: различные параметры, такие как количество воды, тип чашки и количество капель пищевого красителя, называются переменными. Важно сохранить все переменные одинаковыми, кроме той, которую вы тестируете. Поскольку мы пытаемся выяснить, влияет ли температура на движение молекул воды, мы должны оставить все остальное в эксперименте без изменений. Температура должна быть единственной переменной. Таким образом, если мы заметим что-то различное между двумя образцами воды, мы будем знать, что разница в температуре является причиной этого.

Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.

Учащиеся запишут свои наблюдения и ответят на вопросы о занятии в листе действий. Разделы «Анимация» и «Продолжить» в листе действий будут выполняться в классе, в группах или индивидуально в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

Выполните упражнение для сравнения скорости молекул воды в горячей и холодной воде.

Вопрос для расследования

Отличается ли скорость молекул воды в горячей и холодной воде?

Подготовка учителей

1. Это упражнение работает лучше всего, если есть большая разница между температурами горячей и холодной воды.
2. Выдавите 4–5 капель синего пищевого красителя в небольшую чашку для каждой группы.
3. Выдавите 4–5 капель желтого пищевого красителя в другую небольшую чашку для каждой группы.
4. Добавьте лед примерно в 6 чашек водопроводной воды, чтобы она остыла.
5. Налейте примерно ¾ стакана холодной воды (без льда) в стакан для каждой группы.
6. Налейте примерно ¾ стакана горячей воды в стакан для каждой группы.

Материалы для каждой группы

• Горячая вода (около 50 ° C) в прозрачном пластиковом стакане
• Холодная вода в прозрачном пластиковом стакане
• Желтый пищевой краситель в маленькой чашке
• Синий пищевой краситель в маленькой чашке
• 4 капельницы

Процедура

1. С помощью ваших партнеров аккуратно поместите 1 каплю желтого и 1 каплю синего пищевого красителя в горячую и холодную воду одновременно с помощью пипетки.

2. Позвольте цветам смешаться самостоятельно, наблюдая за ними в течение нескольких минут.

Запишите и обсудите наблюдения студентов.

Дайте учащимся время после задания, чтобы записать свои наблюдения, ответив на следующие вопросы в листе задания. После того, как они ответят на вопросы, обсудите их наблюдения всей группой.

• Опишите, как выглядели цвета, как они двигались и смешивались в холодной воде.
• Опишите, как выглядели цвета, как они двигались и смешивались в горячей воде.
• Как скорость смешивания цветов говорит вам о скорости молекул в горячей и холодной воде?

Ожидаемые результаты

Желтый и синий пищевой краситель в горячей воде распространяется быстрее, чем в холодной. Цвета смешиваются и становятся зелеными в горячей воде, в то время как цвета дольше остаются отдельными в холодной воде.Студенты должны согласиться с тем, что пищевой краситель быстрее смешивается в горячей воде, потому что молекулы в горячей воде движутся быстрее, чем в холодной.

Покажите анимацию молекул воды при разных температурах.

Показать анимацию молекулярной модели. Отопление, вода.

Переместите ползунок в нижней части окна до упора вправо, чтобы показать, что молекулы воды движутся быстрее и немного дальше друг от друга в горячей воде.

Объясните: маленькие шарики представляют собой частицы жидкости, в данном случае молекулы воды. Сообщите учащимся, что на данный момент они будут использовать круги или сферы для представления атомов и молекул, но в конечном итоге они будут использовать более подробную модель. На данный момент учащиеся должны сосредоточиться на движении молекул, их взаимодействии и расстоянии друг от друга.

Спросите студентов:

Молекулы движутся быстрее в холодной или горячей воде?

Студенты должны понять, что молекулы горячей воды движутся быстрее.Молекулы холодной воды движутся медленнее.

Как это согласуется с вашими наблюдениями за пищевым красителем?

Пищевой краситель в горячей воде смешался быстрее, чем краситель в холодной воде.

Посмотрите внимательно на пространство между молекулами в холодной и горячей воде. Есть ли больше места между молекулами в горячей или холодной воде? Это много места?

Укажите студентам, что молекулы горячей воды движутся быстрее и находятся немного дальше друг от друга.Молекулы холодной воды движутся медленнее и располагаются немного ближе друг к другу. Если учащиеся не замечают разницы, снова переместите ползунок влево, а затем быстро вправо. Покажите анимацию несколько раз, чтобы студенты могли заметить различия.

Попросите учащихся ответить на вопросы об анимации и нарисовать модель молекул воды на своем рабочем листе.

Попросите учащихся заполнить бланк слова «увеличивается» или «уменьшается» на листе с заданиями по мере того, как вы читаете каждое предложение.

• Нагревание вещества увеличивает молекулярное движение.
• Охлаждение вещества уменьшает движение молекул.
• По мере увеличения молекулярного движения расстояние между молекулами увеличивается.
• По мере уменьшения молекулярного движения расстояние между молекулами уменьшается.

Спроецировать изображение молекул воды при разных температурах

Попросите учащихся обратиться к рисунку воды комнатной температуры на рабочем листе и обсудить, как они должны представлять молекулы в холодной и горячей воде.

Холодная вода

Спросите студентов:

Могут ли молекулы воды быть ближе друг к другу или дальше друг от друга?

Ученики должны нарисовать круги немного ближе друг к другу, чем круги в воде комнатной температуры. Молекулы воды расположены ближе друг к другу, потому что более медленное движение позволяет притяжениям немного сблизить молекулы.

Будет ли линий движения больше или меньше?

Студенты должны понять, что, поскольку молекулы в холодной воде движутся медленнее, у них должно быть меньше линий движения, чем у молекул в воде комнатной температуры.

Студенты должны понимать, что, поскольку молекулы в холодной воде движутся медленнее, у них должно быть меньше линий движения, чем у молекул в воде комнатной температуры. Более медленное движение также позволяет аттракционам сближать молекулы немного ближе, чем в воде комнатной температуры, поэтому круги должны быть нарисованы немного ближе друг к другу.

Горячая вода

Спросите студентов:

• Могут ли молекулы воды быть ближе друг к другу или дальше друг от друга?
• Будет ли линий движения больше или меньше?
• Какие у вас есть доказательства из вашего эксперимента, чтобы показать, что скорость молекул воды в горячей воде различна?

Горячая вода

Спросите студентов:

Могут ли молекулы воды быть ближе друг к другу или дальше друг от друга?

Ученики должны нарисовать круги немного дальше друг от друга, чем круги в воде комнатной температуры.Более быстрое движение конкурирует с притяжением молекул воды друг к другу и заставляет молекулы двигаться немного дальше друг от друга.

Будет ли линий движения больше или меньше?

Учащиеся должны понимать, что, поскольку молекулы в горячей воде движутся быстрее, чем в холодной воде или воде комнатной температуры, они должны рисовать больше линий движения.

Попросите учащихся объяснить, почему горячая вода занимает больше места, чем вода комнатной температуры.

Попросите учащихся прочитать и обсудить вопрос «Продолжить работу» на листе задания. После обсуждения в классе попросите учащихся написать свои собственные ответы на следующий вопрос в отведенном для этого месте на листе с заданиями.

Допустим, вы отмеряли ровно 100 миллилитров воды в мерном цилиндре. Вы нагреваете воду до 100 ° C и замечаете, что объем увеличивается до 104 миллилитров. Используя то, что вы знаете о притяжении молекул воды и о том, как нагрев влияет на движение молекул, объясните, почему объем воды в цилиндре увеличивается при его нагревании.

Студенты должны понять, что молекулы в горячей воде расходятся немного дальше друг от друга, что объясняет увеличенный объем.

Процесс испарения | Национальное географическое общество

Испарение происходит, когда жидкое вещество становится газом. Когда вода нагревается, она испаряется. Молекулы движутся и колеблются так быстро, что уходят в атмосферу в виде молекул водяного пара.

Испарение — очень важная часть круговорота воды.Тепло от солнца или солнечная энергия приводит в действие процесс испарения. Он впитывает влагу из почвы в саду, а также из самых больших океанов и озер. Уровень воды будет снижаться, поскольку она подвергается воздействию солнечного тепла.

Хотя уровень озера, бассейна или стакана воды снизится из-за испарения, улетевшие молекулы воды не исчезнут. Они остаются в атмосфере, влияя на влажность или количество влаги в воздухе. По этой причине районы с высокими температурами и большими водоемами, такие как тропические острова и болота, обычно очень влажны.Вода испаряется, но остается в воздухе в виде пара.

Когда вода испаряется, она также способствует образованию облаков. Затем облака выделяют влагу в виде дождя или снега. Жидкая вода падает на Землю, ожидая испарения. Цикл начинается заново.

На процесс испарения влияет множество факторов. Если воздух уже забит или насыщен другими веществами, в воздухе не будет достаточно места для быстрого испарения жидкости. При влажности 100 процентов воздух насыщен водой.Вода больше не испаряется.

Давление воздуха также влияет на испарение. Если давление воздуха на поверхности воды высокое, вода не будет легко испаряться. Давление на воду затрудняет выход воды в атмосферу в виде пара. Штормы часто представляют собой системы высокого давления, предотвращающие испарение.

Температура, конечно же, влияет на скорость испарения. Кипящая вода быстро испарится, как пар.

Испарение — это процесс, противоположный конденсации, когда водяной пар превращается в жидкую воду.

Таяние и замораживание — Научно-учебный центр

Вода может существовать в твердом (лед), жидком (вода) или газообразном (пар или газ) виде. Добавление тепла может привести к таянию льда (твердого вещества) с образованием воды (жидкости). Удаление тепла приводит к замерзанию воды (жидкости) с образованием льда (твердого вещества). Когда вода превращается в твердое тело или газ, мы говорим, что она переходит в другое состояние вещества. Несмотря на то, что физическая форма воды меняется, ее молекулы остаются прежними.

Вода — это молекула

Молекула — это группа из двух или более атомов, которые связаны или «склеиваются» вместе.Вода — это молекула. Он состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O), которые химически связаны между собой. H и O — символы атомов, составляющих воду. Вот почему люди часто называют воду H ₂ O. Вода может превращаться из жидкости в твердое вещество или газ и обратно в жидкость, но ее молекулы всегда остаются неизменными. Молекула воды всегда H ₂ O, будь то жидкая вода, лед или водяной пар.

Природа науки

Многие повседневные слова, такие как энергия, имеют в науке разное значение.Мы говорим о нехватке энергии во время гонки или о том, что у детей слишком много энергии. Ученые определяют энергию как способность выполнять работу — например, нагревать или охлаждать воду, чтобы заставить ее изменить состояние.

Изменение состояний материи и энергии

Вода, как и все другие типы материи, требует добавления или удаления энергии для изменения состояний. Глыба льда — это твердая вода. Когда добавляется тепло (форма энергии), лед тает и превращается в жидкую воду. Он достиг точки плавления — 0 ° C.Продолжайте прикладывать тепло, и вода превратится в водяной пар, который представляет собой воду в газообразном состоянии. Вода достигла точки кипения — 100 ° C.

Если тепло отводится от водяного пара, газ охлаждается и снова конденсируется в жидкую воду. Продолжайте охлаждать воду (снимая тепло), и она превратится в твердый лед. Это его точка замерзания.

Вода может менять состояние снова и снова

Вы, наверное, слышали, что вода, которую вы пьете сегодня, — это та же самая вода, которую пили динозавры тысячи лет назад.Природа перерабатывает воду. Его можно растапливать, замораживать и снова и снова выпаривать. Нет потери воды во время или после того, как она меняет форму. Замороженная вода (лед) занимает больше места, чем жидкая вода, потому что она менее плотная, но когда лед тает, это то же количество воды, что и раньше, хотя часть его может быть в виде водяного пара.

Связанное содержание

Изменения состояния не ограничиваются плавлением и замерзанием. Лед может превратиться прямо в газ, а газ может перейти в состояние плазмы или конденсата Бозе-Эйнштейна.Прочтите о состояниях материи.

В статье «Твердые тела, жидкости и газы» вода используется в качестве контекста для объяснения состояний материи.

Идеи действий

Исследуйте состояния материи с помощью этих действий:

Теория частиц — изменения состояния

Теория частиц — изменения состояния

Вы SCIcentre / Self Ресурсы для изучения / Теория частиц — Введение

Охваченные темы

Плавка

Испаряется

Кипячение

---

Изменения состояния

Кинетическая теория материи может быть использована для объяснения того, как твердые тела, жидкости и газы взаимозаменяемы в результате увеличения или уменьшения тепловой энергии.Когда объект нагревается, движение частиц увеличивается по мере того, как частицы стать более энергичным. При охлаждении движение частиц уменьшается. поскольку они теряют энергию.

---

Плавка

В твердом теле сильное притяжение между частицами крепко удерживает их упакованы вместе. Даже если они вибрируют, этого недостаточно, чтобы нарушить структура. Когда твердое тело нагревается, частицы получают энергию и начинают вибрировать все быстрее и быстрее.Вначале структура постепенно ослабевает, что имеет эффект расширения твердого тела. Дальнейшее нагревание дает больше энергии пока частицы не начнут вырываться из структуры. Хотя частицы все еще слабо связаны, они могут передвигаться. На данный момент твердое тело тает, образуя жидкость. Частицы в жидкости такие же как в твердом теле, но у них больше энергии. Чтобы растопить твердую энергию, требуется преодолеть притяжение между частицами и позволить им тянуть их отдельно.Энергия поступает, когда твердое тело нагревается. Температура на что-то плавится, называется его «точкой плавления» или температурой плавления. При комнатной температуре материал представляет собой твердое тело, жидкость или газ в зависимости от его плавления. температура. Все, что имеет температуру плавления выше 20 ° C, вероятно быть твердым при нормальных условиях. Материалы имеют самые разные плавки. температуры например ртуть -39oC, лед 0oC, соль 1081oC, алюминий 660oC и сталь 1535oC. Обычные материалы, такие как лед, масло и воск, имеют разную температуру плавления. температуры и может использоваться в качестве примера с детьми.
Лед — вероятно, тающее вещество, с которым знакомо большинство детей. Оно может быть проблематичным, пытаясь развить понимание таяния, как оно им часто кажется, что они тают без какого-либо источника тепла. Лед тает при комнатной температуре потому что окружающий воздух теплее льда и имеет температуру выше температура плавления. Тепловая энергия, необходимая для плавления льда, поступает от окружающий воздух, который в результате станет немного прохладнее.
Не все твердые вещества плавятся при нагревании.Некоторые могут претерпевать химические изменения в результате нагрева. Например, бумага горит, а не тает.

---

Испарение

В жидкости одни частицы обладают большей энергией, чем другие. Эти «более энергичные частицы «могут обладать достаточной энергией, чтобы покинуть поверхность. жидкости в виде газа или пара. Этот процесс называется испарением, и в результате испарения обычно наблюдается при высыхании луж или одежды. Испарение происходит при комнатной температуре, которая часто намного ниже точки кипения жидкости.Испарение происходит с поверхности жидкости. Поскольку температура увеличивается скорость испарения, увеличивается. Испарению также способствует ветреные условия, которые помогают удалить частицы пара из жидкости, чтобы что больше побега.
Испарение — сложная идея для детей по ряду причин. Процесс включает в себя очевидное исчезновение жидкости, что затрудняет процесс чтобы они поняли. Нелегко увидеть частицы воды в воздухе.Кроме того, испарение происходит в самых разных ситуациях, например, из лужи или миски с водой, где количество жидкости явно меняется, в ситуациях, когда жидкость менее заметна — например, при сушке одежды или даже те, в которых нет никакой очевидной жидкости для начала — например, хлеб Высыхать. Еще одна сложность заключается в том, что при испарении может происходить испарение растворителя из решение, например вода, испаряющаяся из соленой воды, оставляет соль. Эти ситуации совершенно разные, но все они связаны с испарением.
При испарении могут также использоваться другие жидкости, кроме воды, например духи, бензин, освежитель воздуха. Модель частиц можно использовать, чтобы объяснить, как это возможно. для обнаружения запахов на некотором расстоянии от источника.

---

Вернуться к началу страницы

Кипячение

Если жидкость нагревается, частицы получают больше энергии и движутся быстрее и быстрее расширяет жидкость. Самые энергичные частицы на поверхности улетучивается с поверхности жидкости в виде пара при нагревании.Жидкости испаряются быстрее, поскольку они нагреваются, и у большего количества частиц достаточно энергии для разрушения прочь. Частицам нужна энергия, чтобы преодолеть притяжение между ними. В качестве жидкость становится теплее, у большего количества частиц энергии достаточно, чтобы покинуть ее жидкость. В конце концов даже частицы в середине жидкости образуют пузыри. газа в жидкости. В этот момент жидкость закипает и превращается в газ. Частицы в газе такие же, как и в жидкости, которую они только что имеют. больше энергии.При нормальном атмосферном давлении все материалы имеют определенную температуру. при котором происходит кипение. Это называется «точкой кипения» или кипением. температура. Как и в случае с точкой плавления, температура кипения материалов сильно различается. например азот -210oC, спирт 78oC, алюминий 459oC.
Любой материал с температурой кипения ниже 20 ° C может быть газом при комнатная температура. Когда жидкость закипает, частицы должны обладать достаточной энергией. отрываться от жидкости и диффундировать через частицы окружающего воздуха.По мере того, как эти частицы остывают и теряют энергию, они конденсируются и возвращаются обратно. в жидкость. Когда пар образуется из воды, кипящей при 100 ° C, частицы быстро конденсироваться, так как температура окружающего воздуха, вероятно, будет намного ниже 100oC поэтому частицы быстро остывают. Фактически «пар» выходит из кипящий котел можно увидеть только потому, что некоторые частицы газа сконденсировались образовывать маленькие капельки воды.
Когда газ превращается в жидкость (конденсируется) или жидкость превращается в твердое тело (затвердевает) частицы теряют энергию в окружающую среду.

---

Вернуться к началу страницы

Сопровождающий веб-сайт: Р. Джонс Обновлено: 13 ноября 2000 г.

Liberty Science Center :: Горячие и холодные: молекулы в движении

23 июля, 2020

Время занятий : 10 минут
Рекомендуемые классы : Pre-K — 4 с участием родителей; класс 5 и выше с разрешением родителей
Цель: В этом эксперименте исследуйте, насколько более горячие предметы имеют более быстрые частицы, а частицы более холодных предметов движутся медленнее.

• 2 прозрачных стакана или банки — не менее 6 унций
• Пищевой краситель (в идеале двухцветный)
• Вода
• Микроволновая печь или чайник

1. Наполните один стакан холодной водой, охлажденной в холодильнике или морозильнике.
2. Наполните другой стакан горячей водой. Нагрейте в микроволновой печи или чайнике, но будьте осторожны, чтобы он не стал слишком горячим!
3. Поставьте бокалы бок о бок.
4. Одновременно добавьте три капли одного цвета в горячее стекло и три капли другого цвета в холодное стекло.
5. Не перемешивать! Наблюдайте, как цвет движется и распределяется в каждом стакане. Что ты видишь?

Вы должны заметить, что пищевой краситель в теплой воде распространяется быстрее, чем пищевой краситель в холодной воде. Если вы этого не заметили, попробуйте сделать холодную воду немного холоднее, а теплую — немного теплее. Также убедитесь, что вы добавляете пищевой краситель в каждый стакан одновременно.

Вода состоит из молекул (два атома водорода и один атом кислорода, соединенные вместе).Молекулы в жидкости обладают достаточной энергией, чтобы двигаться и проходить друг через друга. Вот почему вода может течь и принимать форму стакана, в который вы ее наливаете. Молекулы в твердых телах, таких как лед, не обладают достаточной энергией, чтобы двигаться очень сильно, поэтому твердое тело сохраняет свою форму. Молекулы в газе обладают большой энергией и разлетаются даже больше, чем молекулы в жидкости.

Теплая вода имеет больше энергии, чем холодная вода, а это означает, что молекулы в теплой воде движутся быстрее, чем молекулы в холодной воде.Пищевой краситель, который вы добавляете в воду, перемещается молекулами воды. Поскольку молекулы в теплой воде перемещаются быстрее, пищевой краситель распространяется в теплой воде быстрее, чем в холодной.

движущихся молекул — кинетическая молекулярная теория тепла

Назначение

Цель этой лабораторной работы — определить взаимосвязь между температурой и скоростью молекул в жидкости.

Ключевые научные темы

• Кинетическая молекулярная теория тепла
• Преобразование температурной шкалы
• Зависимость тепла от температуры

Уровень оценки

• Физические науки, 6-9 классы

Предыдущие знания учащегося

• Студенты должны уметь определять кинетическую молекулярную теорию тепла.
• Студенты должны знать, как переводить градусы Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
• Студенты должны знать разницу между жарой и температурой.

Материалы

В каждой лабораторной группе должно быть следующее:

• Три стакана с маркировкой A, B и C
• Один цвет пищевого красителя
• Цветной карандаш или мелок, соответствующий цвету пищевого красителя
• Горячая вода
• Вода со льдом, не допускайте попадания льда в мензурки.
• Вода комнатной температуры
• Таймер

Ресурсы

Справочная информация

Тепло и температура

Тепло и температура связаны, но не одно и то же. Тепло — это другое название тепловой энергии , энергии, содержащейся в колебаниях атомов и молекул. Количество тепла в веществе — это суммарная энергия колебаний всех атомов и молекул, составляющих вещество.Даже вещества, которые мы считаем ледяными, например лед, имеют много тепла.

Поставьте кастрюлю с водой на плиту, включите конфорку и наблюдайте за ней. Вы добавляете тепло, поэтому общая энергия колебаний воды возрастает.

Так что же такое температура?

Температура — это , а не энергии, а скорее , среднее значение тепла в веществе или количество тепла на молекулу .

Наполните ванну водой и налейте немного чашки.И ванна, и чашка теперь содержат воду одинаковой температуры. Но поскольку ванна содержит , намного больше воды, , она также содержит , намного больше тепла, !

Почему температура имеет значение?

Температура говорит нам, как тепло течет . Если мы возьмем два объекта любого размера с разной температурой и поместим их в контакт друг с другом, тепло будет перетекать от одного с более высокой температурой к другому с более низкой температурой.Количество тепла не меняется, но меняется его распределение, поскольку энергия передается от более теплого объекта к более холодному.

Чтобы охладить стакан теплой воды, добавьте лед. Стакан теплой воды начинается с хорошего тепла. Лед также обладает теплом, хотя и не таким большим, как жидкая вода, поэтому добавление льда фактически увеличивает количество тепла в стакане на . После добавления льда количество тепла в стакане остается неизменным. В этот момент разница температур между теплой водой и холодным льдом требует, чтобы тепло перетекало из воды в лед.Удаление тепла из воды приводит к падению ее температуры на , в то время как нагревание льда приводит к повышению температуры на . Этот поток тепла продолжается до тех пор, пока лед не тает и не смешается с водой. В результате получается стакан воды, который становится холоднее и полнее, чем был до того, как мы добавили лед.

Фото: Д. Френч

Хотя молекулы воды слишком малы, чтобы их можно было увидеть, мы можем обнаружить и измерить их движение.В этой лаборатории пищевой краситель будет использоваться в качестве «детектора движения молекул». Студенты поместят каплю пищевого красителя в три стакана с водой разной температуры. Студенты будут наблюдать за движением пищевого красителя и делать выводы о движении молекул.

Внимание: Ученики захотят взглянуть на ленты пищевого красителя. Подчеркните, что они хотят, чтобы чистая вода приобрела легкий оттенок цвета. На фото показаны ленты пищевого красителя, а также оттенок цвета, который ищут студенты.Учащиеся должны остановить таймер, когда они видят область, похожую на область, обведенную кружком. На рисунках учащихся должны быть изображены ленты пищевого красителя, а также область, которая сначала меняет цвет.

Резюме

Тепло — это энергия, которой обладает объект из-за движения его атомов и молекул, которые непрерывно покачиваются и перемещаются, ударяясь друг о друга и других объектах. Когда мы добавляем энергию к объекту, его атомы и молекулы движутся быстрее, увеличивая его энергию движения или тепла.Даже очень холодные объекты обладают некоторой тепловой энергией, потому что их атомы все еще движутся.

Предложений:

Чтобы начать лабораторную работу, я прошу студентов записать температуру воды комнатной температуры и начать запись данных для этого стакана. Пока студенты записывают данные, я хожу по комнате и наливаю холодную воду в мензурки каждой группы. Делая это, я нагреваю воду в лабораторной микроволновой печи. Температура воды должна быть выше комнатной, но не настолько, чтобы вызвать травму.Я также проделал эту лабораторную работу, когда преподавал в классе математики, и у меня под рукой была кофеварка, чтобы нагреть воду. Если у вас не хватает стеклянных стаканов для каждой группы, убедитесь, что стакан с горячей водой стеклянный, а остальное можно сделать из пластика.

Общие основные стандарты

Вставьте сюда применимые общие базовые стандарты.

Стандарты науки нового поколения

Вставьте сюда применимый NGSS.

Вода, соль и гидрологический цикл

Вода, соль и гидрологический цикл Вода, соль и гидрологический цикл

Молекула воды

Вся материя состоит из крошечных атомов , включая ядро, окруженное облаком из быстро движущихся электронов .Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, а также самый простой. У него только один электрон. «Предпочтительное» состояние для атома — иметь 2 электрона, поэтому водород стремится к связи с другими атомами, чтобы разделить электроны. Молекула воды состоит из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. Поскольку в этом случае 3 атома делят электроны более или менее поровну, молекула удерживается вместе так называемой ковалентной связью .

Обратите внимание, что я сказал более или менее одинаково, потому что на самом деле атом кислорода немного более плотно связан с общими электронами (помните, что электроны имеют отрицательный заряд), поэтому кислородная сторона молекулы заряжена слегка отрицательно, а водородная сторона заряжен слегка положительно.Это делает молекулу воды поляризованной . Это важно, потому что это означает, что заряженные концы молекулы воды притягиваются к противоположно заряженным частям любой другой молекулы, с которой она сталкивается, будь то вода или что-то еще. Поэтому вода как бы «липкая», и это придает ей очень необычные свойства.

Вода и тепло

Мы сказали, что все состоит из атомов. Атомы и молекулы постоянно перемещаются, даже в твердом веществе. Чем больше движутся атомы или молекулы, тем больше энергии имеет материя.Затем температура измеряет энергию или движение молекулы. Когда что-то нагревается, его молекулы движутся быстрее, поэтому энергия и, следовательно, температура возрастают.

По температурной шкале Цельсия вода кипит при 100 ° C и замерзает при 0 ° C .

Удельная теплоемкость вещества определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 ° C. Тепло, необходимое для этого, составляет калорий и калорий.Теперь рассмотрим эти липкие молекулы воды. Поскольку они липкие, их трудно заставить двигаться. Таким образом, требуется много энергии. Следовательно, вода имеет гораздо более высокую удельную теплоемкость, чем все другие распространенные материалы.

Точки плавления и кипения

Как правило, более тяжелые молекулы или молекулы с более высоким атомным весом более медленны и медленно движутся при любой заданной температуре и, следовательно, имеют более высокие температуры плавления и кипения. Вода является исключением из этого правила, потому что она довольно легкая и живая, но при этом имеет высокие температуры кипения и плавления.Это опять же следствие его «липкости». Рассмотрим таяние льда. Чтобы избавиться от этих липких молекул, требуется много энергии. Точно так же трудно отделить жидкую воду и заставить ее испаряться в виде газа. Это хорошая вещь. Если бы это было не так, на Земле было бы мало жидкой воды, не было бы океанов, и нам не о чем было бы здесь говорить!

Скрытая теплота вещества немного сбивает с толку, но также важна для понимания того, как работают наши океаны.Опять же, поскольку вода «липкая», она обладает высоким скрытым теплом. Это количество энергии, необходимое для плавления 1 грамма твердого вещества или испарения 1 грамма жидкости. Как только вы доведете кубик льда до точки плавления, вам все равно придется добавить много тепла, чтобы он действительно расплавился. Это тепло или энергия необходимы, чтобы расшатать эти замороженные связи. Таким образом, тепло принимает лед при 0 ° C и делает его жидким при 0 ° C. Точно так же для превращения жидкой воды в газ требуется много энергии. Считайте, что «смотрели горшок!» Чтобы закипеть, нужна вечность! Именно поэтому вы чувствуете себя круто, когда выходите из душа.Энергия (тепло), используемая для испарения воды на вас, покидает вашу кожу, снижая ее температуру. Эта способность воды удерживать энергию станет важной чуть позже.

Лед

Еще одним ключевым свойством воды является то, что более холодная твердая фаза — лед — на менее плотная или легче жидкой фазы. Ледяные поплавки. Вода замерзает с на . Это результат кристаллической структуры льда. Молекулы образуют гексагональную (6-стороннюю) структуру (как снежинка).Это позволяет оставить в конструкции воздушное пространство, а воздух делает лед легким.

Подумайте, что бы произошло, если бы вода была такой же, как и все остальное, и когда она замерзла, она опустилась бы.

Что будет с рыбалкой в ​​прудах зимой? Чем была бы Арктика по-другому?

Обычно чем холоднее, тем плотнее, но в случае воды, даже после того, как она тает, молекулы имеют тенденцию слипаться в фрагменты застывшей кристаллической структуры.По этой причине чистая вода наиболее плотная при 4 ° C. Однако, когда вы добавляете соль, она имеет тенденцию прерывать образование кристаллов, поэтому соленая вода является самой плотной при 0 ° C.

Соли

Помните, что молекулы воды поляризованы и поэтому легко «прилипают» к другим материалам. Это означает, что это один из лучших растворителей природы . Молекулы воды прилипают к другим молекулам и разрывают их, или растворяют их. Единственные молекулы, которые он не может растворить, — это молекулы с чрезвычайно равномерным распределением заряда, т.е.е. те, которые совершенно не поляризованы. К счастью для нас, большинство органических молекул, из которых состоят живые существа, попадают в эту категорию. Вот почему мы не таем под дождем, как Злая Ведьма Запада.

Наиболее растворимыми материалами обычно являются ионные соли или материалы, которые при растворении разделяются на ионы с положительным или отрицательным зарядом. Хлорид натрия (NaCl) является одним из них. Это то же самое, что и поваренная соль, но вы не видите кристаллов поваренной соли, плавающих в океане, не так ли? Вместо этого Na + и Cl- существуют как отдельные ионы, прикрепленные к молекулам воды.

Если в воде так много соли, что существует такой же сильный притягивающий ион соли к иону соли, как и вода к иону соли, вы не можете сделать воду более соленой, и раствор называется насыщенным . (Учтите, что то же самое может произойти с растворенными в воде газами). Вы знакомы с этим явлением, если когда-либо пытались подсластить холодный чай, который пили в ресторане на севере. В Пенсильвании чай заваривают, охлаждают и добавляют сахар.После того, как вы добавили немного сахара, он не будет растворяться, как бы сильно вы ни помешали. Молекулы сахара притягивают друг друга так же сильно, как и вода, и они остаются сахаром. Чай насыщенный (и не считается «сладким чаем» для южанина!).

Так как эти положительные и отрицательные ионы соли занимают некоторые из положительных и отрицательных сторон молекул воды, что затрудняет их связывание и формирование гексагональной кристаллической структуры льда. По этой причине для замораживания соленой воде требуется более низкая температура.Кроме того, когда вода замерзает или испаряется, остается соль. Вы знаете это, потому что, когда вы приходите домой с пляжа, вы все соленые, верно?

Почему в океане есть соль?

Поскольку вода является таким хорошим растворителем, из 92 встречающихся в природе элементов более 80 было обнаружено в морской воде, и вполне вероятно, что остальные присутствуют, но в таких количествах что мы не можем их обнаружить. Так как они туда попали?

Оказывается, в основном это эрозия от камней и почвы с течением времени.Мы знаем это, потому что относительное содержание различных солей в океане аналогично содержанию на Земле. Наиболее распространены натрий, кальций, магний и калий. Однако это не объясняет высокие уровни хлора, брома, серы, азота, углерода и самой воды, поскольку они не очень распространены на суше. Все они оказались лишних летучих , что означает, что их много и они легкие. Они пришли из , выделившего газ из ядра Земли при его охлаждении.

Поскольку в результате дегазации образовались эти материалы, а также вода, сток которой вызвал большую часть эрозии, которая была источником остальных солей, и вода, и соль превратились в океан примерно в одно и то же время. соленость всегда была такой, какая она есть сейчас.

Океан соленость — это граммы растворенного вещества на килограмм морской воды, или частей на тысячу . Средняя соленость океана составляет 35ppt или 3.5%.

основных компонентов или основных солей в океане составляют 99,7% всех растворенных веществ в океане. Остаток состоит из:

растворенные газы: диоксид углерода (CO2), азот (N2) и кислород (O2)

питательные вещества: силикат, азот, и фосфор

микроэлементы

Независимо от того, где вы измеряете эти предметы в океане, пропорции примерно такие же.Это потому, что океану пришлось так долго перемешиваться. Чем дольше вы будете замешивать тесто для торта, тем оно станет более однородным, верно? Та же идея. Соль может быть удалена только путем осаждения (в основном), поэтому движение воды ( испарение / осадки ) изменяет соленость.

Плотность воды

Плотность определяется как масса на единицу объема — обратите внимание, что это похоже на вес, но не совсем то же самое. Один кубический сантиметр воды имеет массу 1 грамм, поэтому плотность воды составляет около 1 грамма на кубический сантиметр.Ваша плотность составляет около 1. Плотность типичного камня составляет около 3. Добавление соли в воду увеличивает ее плотность. Точно так же, когда вода оказывается под давлением, ее плотность увеличивается (хотя и ненамного по сравнению с другими вещами). Охлаждение воды также увеличивает ее плотность, НО после замерзания она становится менее плотной. (Вы знаете, почему это так, верно? — если нет, вам лучше изучить структуру льда!).

Плотность можно уменьшить, нагревая воду. Следовательно, более свежая и теплая вода будет плавать по более соленой и холодной воде.

Гидрологический цикл

Вода на Земле образовалась в результате дегазации, когда Земля остыла. Поскольку земля находится на правильном расстоянии от Солнца, вода не испарялась и не замерзала. Вместо этого он стал в основном океаном и с тех пор существует. Мы больше ничего не получаем, и это не покидает нас. Но он движется. Это движение называется гидрологическим циклом . Гидрологический цикл включает всю воду на Земле.