В океане дрейфуют полярные ледяные глыбы и айсберги, и даже в напитках лед никогда не опускается на дно. Можно сделать вывод, что лед не тонет в воде. Почему? Если подумать об этом, то этот вопрос может показаться немного странным, потому что лед твердый и — интуитивно — должен быть тяжелее жидкости. Хотя это утверждение справедливо для большинства веществ, вода является исключением из правила. Воду и лед отличают водородные связи, которые в твердом состоянии делают лед легче, чем когда он находится в жидком состоянии.
Вопрос научный: почему лед не тонет в воде
Представим, что мы находимся на уроке под названием «Окружающий мир» в 3 классе. «Почему лед не тонет в воде?», — спрашивает учительница у детей. И малыши, не имея глубоких познаний в физике, начинают рассуждать. «Возможно, это магия?» — заявляет один из детей.
Действительно, лед крайне необычен. Практически нет никаких других естественных веществ, которые в твердом состоянии могли бы плавать на поверхности жидкости. Это одно из свойств, которое делает воду таким необычным веществом и, если признаться, именно оно изменяет пути эволюции планет.
Существуют некоторые планеты, которые содержат огромное количество таких жидких углеводородов, как, например, аммиак — тем не менее, при замерзании этот материал опускается на дно. Причина того, почему лед не тонет в воде, заключается в том, что при замерзании вода расширяется, и вместе с этим понижается ее плотность. Интересно, расширение льда может разбить камни — настолько необычен процесс оледенения воды.
Говоря научным языком, в процессе замерзания устанавливаются быстрые циклы выветривания и определенные химические вещества, выделяемые на поверхности способны растворять минералы. В целом, с замерзанием воды связаны такие процессы и возможности, которых физические свойства других жидкостей не предполагают.
Плотность льда и воды
Таким образом, ответ на вопрос о том, почему лед не тонет в воде, а плавает на поверхности, заключается в том, что он имеет более низкую плотность, чем жидкость — но это ответ первого уровня. Для лучшего понимания нужно знать, почему у льда низкая плотность, почему вещи всплывают в первую очередь, как плотность приводит к плаванию.
Вспомним греческого гения Архимеда, который выяснил, что после погружения определенного предмета в воду объем воды увеличивается на число, равное объему погружаемого объекта. Другими словами, если вы положите глубокое блюдо на поверхность воды, а затем поместите в него тяжелый предмет, то объем воды, который нальется в блюдо, будет точно равен объему объекта. Не имеет значения, объект погружается полностью или частично.
Свойства воды
Вода — это удивительное вещество, которое в основном питает жизнь на земле, ведь каждый живой организм нуждается в ней. Одним из наиболее важных свойств воды является то, что она обладает наивысшей плотностью при температуре 4 °C. Так, горячая вода или лед являются менее плотными, чем холодная вода. Менее плотные вещества плавают поверх более плотных веществ.
Например, во время приготовления салата, можно заметить, что масло находится на поверхности уксуса — это можно объяснить тем, что оно обладает меньшей плотностью. Этот же закон действителен и для объяснения того, почему в воде лед не тонет, а в бензине и керосине — тонет. Просто эти два вещества обладают меньшей, чем у льда, плотностью. Так, если вы запустите в бассейн надувной мячик, он будет плавать на поверхности, если же вы бросите в воду камень — он опустится на дно.
Какие изменения происходят с водой при замерзании
Причина того, почему лед не тонет в воде, связана с водородными связями, которые изменяются при замерзании воды. Как известно, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Они прикреплены ковалентными связями, которые невероятно сильны. Однако другой тип связи, который образуется между различными молекулами, называемый водородной связью, слабее. Эти связи образуются потому, что положительно заряженные атомы водорода притягиваются отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды.
Когда вода теплая, молекулы очень активны, много перемещаются, быстро образуют и разлагают связи с другими молекулами воды. У них есть энергия, чтобы приближаться друг к другу и двигаться быстро. Итак, почему лед не тонет в воде? Химия скрывает ответ.
Физико-химия льда
По мере того, как температура воды опускается ниже 4 °C, кинетическая энергия жидкости уменьшается, поэтому молекулы больше не перемещаются. У них нет энергии для перемещения и такого же легкого, как при высокой температуре, разрыва и формирования связей. Вместо этого они образуют больше водородных связей с другими молекулами воды с образованием гексагональных структур решетки.
Они образуют эти структуры, чтобы поддерживать отрицательно заряженные молекулы кислорода друг от друга. В середине шестиугольников, образуемых в результате деятельности молекул, много пустоты.
Лед тонет в воде — причины
Лед фактически на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Поэтому лед занимает больше места, чем вода. Практически это имеет смысл, потому что лед расширяется. Вот почему не рекомендуют замораживать стеклянную бутылку воды — замороженная вода может создавать большие трещины даже в бетоне. Если у вас есть литровая бутылка льда и литровая бутылка воды, тогда бутылка с ледяной водой будет легче. Молекулы находятся дальше друг от друга в этой точке, чем когда вещество находится в жидком состоянии. Вот почему лед не тонет в воде.
Когда лед тает, стабильная кристаллическая структура разрушается и становится плотнее. Когда вода прогревается до 4 °C, она получает энергию, и молекулы движутся быстрее и дальше. Именно по этой причине горячая вода занимает больше места, чем холодная вода, и плавает поверх холодной воды — она обладает меньшей плотностью. Вспомните, когда вы находитесь на озере, во время купания верхний слой воды всегда приятный и теплый, однако когда вы опускаете свои ноги глубже, ощущаете холод нижнего слоя.
Значение процесса в функционировании планеты
Несмотря на то что вопрос «Почему лед не тонет в воде?» для 3 класса, очень важно понимать, почему этот процесс происходит и какое имеет значение для планеты. Так, плавучесть льда имеет важные последствия для жизни на Земле. зимой в холодных местах — это позволяет рыбе и другим водным животным выживать под ледяным покрывалом. Если бы замерзло дно, то высока вероятность того, что все озеро могло бы быть заморожено.
В таких условиях в живых не осталось бы ни единого организма.
Если бы плотность льда была выше плотности воды, то в океанах лед бы опустился, и ледяные шапки, которые в таком случае находились бы на дне, не позволили бы кому-либо там жить. На дне океана было бы полно льда — и во что бы это все превратилось? Кроме всего прочего, полярный лед важен, поскольку он отражает свет и предохраняет планету Земля от чрезмерного перегревания.
Каждый из нас наблюдал, как весной на речке плавают ледяные пластины. Но почему же они не тонут ? Что удерживает их на водной глади?
Складывается впечатление, что несмотря на их вес, что-то просто не даёт им опуститься вниз. Суть этого загадочного явления и собираюсь раскрыть.
Почему же лёд не тонет
Всё дело в том, что вода - очень необычные вещество . Она обладает удивительными свойствами, которые мы порой просто не замечаем.
Как известно, почти все вещи в мире расширяются при нагревании и сужаются при охлаждении. Это правило распространяется и на воду, но с одним интересным замечанием: при охлаждении от +4°С до 0°С вода начинает расширяться . Этим и объясняется низкая плотность ледяных масс. Расширенная от явления выше вода становится легче той, в которой находится , и начинает дрейфовать на её поверхности.
Чем опасен такой лёд
Описанное выше явление часто встречается в природе и быту. Но если начать забывать о нём, то оно может стать источником многих проблем. Например:
- зимой от замёрзшей воды могут лопнуть водопроводные трубы ;
- эта же вода, замерзая в горных трещинах, способствует разрушению пород , вызывая горные обвалы;
- нельзя забывать сливать воду с автомобильного радиатора , чтобы избежать вышеописанных ситуаций.
Но есть и положительные моменты. Ведь если бы вода не обладала такими удивительными свойствами, то не было бы такого вида спорта, как катание на коньках . Под тяжестью тела человека лезвие у конька так сильно давит на лёд, что тот просто тает, создавая водяную плёнку, идеальную для скольжения.
Вода в океанических глубинах
Ещё одним интересным моментом является то, что даже несмотря на нулевую температуру в океанических (или морских) глубинах, вода там не замерзает , не становится ледяной глыбой. Почему это происходит? Тут всё дело в давлении , которое оказывают верхние водные слои.
Вообще, давление способствует затвердеванию различных жидкостей. Оно вызывает сокращение объёма тела, значительно облегчая её переход в твёрдое состояние. Но вода при замерзании не уменьшается в объёмах, а наоборот, увеличивается. И поэтому давление, препятствуя водному расширению, снижает температуру её замерзания .
Это всё, что я могу рассказать об этом интересном явлении. Надеюсь, вы узнали для себя что-нибудь новое. Удачи в путешествиях!
Все знают, что лёд - это замёрзшая вода, правильнее сказать, пребывающая в твёрдом агрегатном состоянии. Но почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности?
Вода - необычное вещество, обладающее редкими, даже аномальными свойствами. В природе большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39 ºС, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.
Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно +4 ºС до 0 ºС она расширяется. Вот почему зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замёрзла и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.
Расширение воды
Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (т. е. её твёрдой формы) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный объём льда весит меньше, чем тот же объём воды. Сказанное отражает формула m = ρV, где V - объём тела, m - масса тела, ρ - плотность вещества. Между плотностью и объёмом существует обратно пропорциональная зависимость (V = m/ρ), т. е. при увеличении объёма (при охлаждении воды) одна и та же масса будет иметь меньшую плотность. Данное свойство воды приводит к формированию льда на поверхности водоёмов - прудов и озёр.
Предположим, что плотность воды равна 1. Тогда лёд будет иметь плотность равную 0,91. Благодаря этой цифре мы можем узнать толщину льдины, которая плывет по воде. Например, если льдина имеет высоту над водой 2 см, то можно сделать вывод, что её подводный слой в 9 раз толще (т. е. 18 см), а толщина всей льдины - 20 см.
В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют огромные размеры. Самым крупным из известных человеку считается айсберг с площадью поверхности 31 000 кв. километров, который был обнаружен в 1956 году в Тихом океане.
Каким образом вода в твёрдом состоянии увеличивает свой объём? За счёт изменения своей структуры. Ученые доказали, что лёд имеет ажурное строение с полостями и пустотами, которые при плавлении заполняются молекулами воды.
Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.
Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже 0 ºС, и тем не менее она не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около 100 атмосфер.
Сравнение плотности воды и льда
Может ли плотность воды быть меньше плотности льда и означает ли это, что он утонет в ней? Ответ на данный вопрос утвердительный, что легко доказать следующим экспериментом.
Возьмём из морозильной камеры, где температура равна -5 ºС, кусок льда величиной в треть стакана или немного больше. Опустим его в ведро с водой температурой +20 ºС. Что мы наблюдаем? Лёд быстро погружается и тонет, постепенно начиная таять. Это происходит потому, что вода температурой +20 ºС имеет меньшую плотность по сравнению со льдом температурой -5 ºС.
Существуют модификации льда (при высоких температурах и давлениях), которые ввиду большей плотности будут в воде тонуть. Речь идёт о так называемом «тяжёлом» льде - дейтериевом и тритиевом (насыщенном тяжёлым и сверхтяжёлым водородом). Несмотря на наличие таких же пустот, как в протиевом льде, он утонет в воде. В противовес «тяжёлому» льду, протиевый лишён тяжёлых изотопов водорода и содержит 16 миллиграммов кальция на литр жидкости. Процесс его приготовления предполагает очищение от вредных примесей на 80%, благодаря чему протиевая вода считается наиболее оптимальной для жизнедеятельности человека.
Значение в природе
Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.
Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается. Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей.
Таким образом, +4 ºС - температура максимальной плотности воды - это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.
Применение в быту
Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.
А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках - большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.
Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.
Различие в замерзании воска и воды
Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.
Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.
Вода с примесью соли
Добавление поваренной соли к воде снижает точку её замерзания. Именно по этой причине зимой дороги посыпают солью. Солёная вода замерзает при температуре -8 °С и ниже, поэтому пока температура не упадёт как минимум до этой точки, замерзания не происходит.
Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лёд тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая её. При этом поглощается столько тепла, что температура может упасть ниже -15 °С.
Универсальный растворитель
Чистая вода (молекулярная формула H 2 0) не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Молекула воды состоит из водорода и кислорода. При попадании в воду других веществ (растворимых и нерастворимых в воде) происходит её загрязнение, поэтому в природе нет абсолютно чистой воды. Все вещества, которые встречаются в природе, в разной степени могут растворяться в воде. Это определяется их уникальными свойствами - растворимостью в воде. Поэтому вода считается «универсальным растворителем».
Гарант стабильной температуры воздуха
Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоёмкости, но, тем не менее, процесс остывания происходит намного медленнее. Это даёт возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям. Высвобождение тепла происходит в зимний период, благодаря чему нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря – это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории Земли.
Поверхностное натяжение
Вывод
Тот факт, что лёд не тонет, а плавает на поверхности, объясняется его меньшей плотностью по сравнению с водой (удельная плотность воды 1000 кг/м³, льда - около 917 кг/м³). Данный тезис справедлив не только в отношении льда, но и любого другого физического тела. Например, плотность бумажного кораблика или осеннего листка намного ниже плотности воды, что и обеспечивает их плавучесть.
Тем не менее, свойство воды иметь в твёрдом состоянии меньшую плотность является большой редкостью в природе, исключением из общего правила. Аналогичными свойствами обладают лишь металл и чугун (сплав металла железа и неметалла углерода).
В том, что лёд плавает на воде, никто не сомневается; каждый это видел сотни раз и на пруду, и на реке.
Но многие ли задумывались над таким вопросом: все ли твёрдые вещества ведут себя так же, как лёд, то есть плавают в жидкостях, образовавшихся при их плавлении?
Расплавьте в банке парафин или воск и бросьте в эту жидкость ещё кусочек того же твёрдого вещества, он тотчас же потонет. То же произойдёт и со свинцом:, и с оловом, и со многими другими веществами. Оказывается, как правило, твёрдые тела всегда тонут в жидкостях, которые образуются при их плавлении.
Обращаясь чаще всего с водой, мы так привыкли к обратному явлению, что нередко забываем это характерное для всех других веществ свойство. Надо помнить, что вода в этом отношении представляет редкое исключение. Только металл висмут и чугун ведут себя так же, как и вода.
Если бы лёд был тяжелее воды и не удерживался бы на её поверхности, а тонул, то даже в глубоких водоёмах вода замерзала бы зимой целиком. В самом: деле, падающий на дно пруда лёд вытеснял бы нижние слои воды вверх, и это происходило бы до тех пор, пока вся вода не превратилась в лёд.
Однако при замерзании воды происходит совсем обратная картина. В тот момент, когда вода превращается в лёд, объём её внезапно увеличивается примерно на 10 процентов, и лёд оказывается менее плотным, чем вода. Поэтому-то он и плавает в воде, как плавает любое тело в жидкости, имеющей большую плотность: железный гвоздь в ртути, пробка в масле и т. д. Если считать плотность воды равной единице, то плотность льда будет составлять только 0,91. Эта цифра позволяет нам узнать толщину плывущей по воде льдины. Если высота льдины над водой равна, например, 2 сантиметрам, то мы можем заключить, что подводный слой льдины в 9 раз толще, то есть равен 18 сантиметрам, а вся льдина имеет 20 сантиметров толщины.
В морях и океанах встречаются иногда огромные ледяные горы - айсберги (рис. 4). Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём — нескольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятаны под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно во-время не заметит движущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.
Внезапное увеличение объёма при переходе жидкой коды в лёд представляет важную особенность воды. С этой особенностью приходится часто считаться в практической жизни. Если оставить бочку с водой на морозе, то вода, замёрзнув, разорвёт бочку. По этой же причине нельзя оставлять воду в радиаторе автомобиля, стоящего в холодном гараже. В сильные морозы нужно опасаться малейшего перерыва в подаче тёплой воды по трубам водяного отопления: вода, остановившаяся в наружной трубе, может быстро замёрзнуть, и тогда труба лопнет.
Замерзая в трещинах скал, вода нередко является причиной горных обвалов.
Рассмотрим теперь один опыт, который имеет прямое отношение к расширению воды при нагревании. Постановка этого опыта требует специального оборудования, и вряд ли кто из читателей может его воспроизвести в домашней обстановке. Да это и не является необходимостью; опыт легко себе представить, а его результаты мы постараемся подтвердить на хорошо знакомых для каждого примерах.
Возьмём очень крепкий металлический, лучше всего стальной цилиндр (рис. 5), насыплем на дно его немного дроби, наполним водой, укрепим крышку болтами и станем поворачивать винт. Так как вода сжимается очень мало, то долго крутить винт не придётся. Уже после нескольких оборотов давление внутри цилиндра поднимается до сотен атмосфер. Если теперь цилиндр охладить даже на 2-3 градуса ниже нуля, то вода в нём не замёрзнет. Но как в этом убедиться? Если открыть цилиндр, то при такой температуре и атмосферном давлении вода моментально превратится в лёд, и мы не будем знать, была ли она жидкой или твёрдой, когда находилась под давлением. Здесь нам помогут насыпанные дробинки. Когда цилиндр остужен, перевернём его вверх дном. Если вода замёрзла, дробь будет лежать на дне, если не замёрзла, дробь соберётся у крышки. Открутим винт. Давление упадёт, и вода обязательно замёрзнет. Сняв крышку, мы убеждаемся, что вся дробь собралась около крышки. Значит, действительно вода, находящаяся под давлением, не замерзала при температуре ниже нуля.
Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.
Если бы мы стали строить свои рассуждения на основании наблюдений над множеством других веществ, то должны были бы прийти к обратному выводу. Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объёме. Давление вызывает уменьшение объёма и этим облегчает переход жидкости в твёрдое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объёме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расширению воды, понижает температуру её замерзания.
Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже нуля градусов, и тем не менее вода на этих глубинах не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около ста атмосфер.
Будь вода нормальной жидкостью, мы вряд ли бы испытывали удовольствие от катанья на коньках по льду. Это было бы то же самое, что и катанье по совершенно гладкому стеклу. Коньки не скользят по стеклу. Совсем другое дело на льду. Кататься на коньках по льду очень легко. Почему? Под тяжестью нашего тела тонкое лезвие конька производит на лёд довольно сильное давление, и лёд под коньком тает; образуется тонкая плёнка воды, которая служит превосходной смазкой.