Ігри льодом з Фізика «Будь-яка всячина»
Нарешті прийшла зима. Настали холоди, вода замерзла і перетворилася на лід. Комусь він дає прекрасну та довгоочікувану грати можливість у хокей або просто кататися на ковзанах. Хтось із тривогою думає про слизький тротуар і зледенілі сходинки. Живучи в північній країні, ми сприймаємо лід щось як звичайне, так само звичне повітря як і вода. Кожен знає, що на лід перетворюється вода, замерзаючи при нулі градусів, і що лід не тоне. Вважається навіть, що лід є однією з найпростіших речовин, увагу на яку звертати не варто. Це, однак, далеко не так: лід цікава дуже речовина, її властивості цікаві і часом несподівані.
При якій замерзає температурі вода
На це запитання будь-хто, не замислюючись, відповість: при нулі градусів. Проведемо досвід невеликий і подивимося, чи це завжди так.
Для досвіду склянка знадобиться із тонкого пластику. Скляний посуд не годиться: при замерзанні розширюється вода майже на 10% (саме тому лід плаває) і розриває крихкий матеріал. Склянку ретельно потрібно промити і, не витираючи, висушити, дном повернувши догори, усередину щоб не потрапив пил.
Воду дуже використовуйте чисту, добре прокип'ячену (а ще краще дистильовану вона продається в аптеках). Склянку з водою в морозний день при -2 -5 ° С поставте за вікно, шматочком прикривши чистого скла і захистивши від прямих сонячних променів. Через годину кілька вміст охолоне склянки нижче нуля, але залишиться рідким (якщо, звичайно, рекомендації всі були виконані акуратно).
Обережно склянку відкрийте і киньте у воду шматочок маленької криги, снігу щіпку або просто пилу. На ваших вода очах миттєво змерзне, проростаючи по всьому об'єму довгими кристалами.
Така поведінка дивна водаОсобливостями пояснюється процес кристалізації. Перетворення рідини в кристал відбувається в першу чергу на домішках і неоднорідностях частинках пилу, бульбашках повітря, подряпинах на стінках судини. Чиста центрів вода кристалізації практично позбавлена, тому вона може переохолоджуватися, і досить сильно, залишаючись рідкою. У лабораторних умовах води, щоправда, в дуже малих обсягах, довести вдавалося до -70°С.
Подібні явища можна спостерігати і в природі. Багато давно мандрівники відзначали, що глибокої восени чисті дуже річки і струмки замерзати починають з дна. Крізь чистий шар води добре видно, що водорості і корчі на дні пухкої обростають крижаною шубою. У якийсь цей момент донний лід спливає, і поверхня миттєво води виявляється крижаною скованою кіркою.
До подібних повідомлень завжди ставилися досить скептично. Температура верхніх шарів води нижче, ніж глибинних, і замерзання начебто починатися повинно з поверхні. Проте вода чиста замерзає неохоче, і лід у першу чергу утворюється черга там, є де завись мулу і тверда поверхня, біля дна.
Нижче за течією від водоспадів і водоскидів часто гребель з'являється губчаста маса внутрішньоводного льоду, що виростає у спіненій воді. Піднімаючись на поверхню, часом вона забиває все русло, так утворюючи звані зажори, які можуть навіть запрудити річку. Відомий випадок, коли добре охолодженою в морозильнику пляшки нарзану, спекотним відкритою літнім днем, перетворилося миттєво на шматок льоду.
Чому лід плаває
Отже, вода охолола, почала замерзати, і на її поверхні попливли крижини. Але щільність речовин із зниженням зазвичай температури зростає, а вода закономірності цієї не підкоряється. Чому ж лід виявляється легшим за воду?
Багато хто вважає, що в товщі залишаються льоду численні пори та проміжки, заповнені повітрям. Бульбашки дійсно повітря нерідко вмерзають у лід, і така губка значно стає легше води. Але навіть лід мікроскопічних без пір і тріщин щільність має 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода за тієї ж температури 0,9984 г/см 3 . Справа, отже, лише в особливостях льоду структури та води.
У води такої немає впорядкованої структури, розташування її молекул постійно змінюється. Але в будь-який момент молекулу оточують води від 4 до 5 «сусідок», що так їхнє середнє число рівним виявляється 4,4. Це означає, що молекули води в рідині розташовуються вже, ніж в кристалі, щільніше вода льоду. Відносні величин зміни координаційного числа (10%) та щільності (9%) добре дуже збігаються за величиною.
Коли лід тане, холодні молекули малої, що звільнилися, мають енергію і низьку рухливість. Спочатку зберігають вони структуру кристалічних ґрат, і щільність води залишається низькою. Поступово порядок регулярних молекул розмивається, групуються вони вже, і щільність води зростає. При температурі 4°С досягає вона максимуму (0,999973 г/см 3 ) , а потім падати починає через рух теплового молекул, стає яке все активніше в міру нагріву.
Подібним чином поводяться і деякі метали, наприклад чавун. Це дозволяє використовувати його матеріал як для художнього лиття. При застиганні розширюється чавун і заповнює всі, навіть найтонші деталі форми. Чавунні мереживні ґрати та настільні скульптури за моделями художників відомих здавна відливали в уральському місті Каслі.
Що відбувається при кристалізації
Подивимося тепер, що відбувається при замерзанні води та утворення кристалів льоду. Усклянку (все той же, пластмасовий) з водою трохи налийте чорнило, фарби акварельної або чайної заварки. Укутайте верхню частину теплоізоляції шаром (вовняною тканиною, поролоном), шар щоб льоду наростав від дна склянки до поверхні води, і виставте на мороз. Можна припускати, через що кілька годин у склянці шматок виявиться забарвленого льоду. Були поради навіть ці крижинки кольорові розвішувати на вуличних ялинках. Різнобарвного льоду, однак, отримати так не вдасться.
Кристал вирости прагне якнайбільше правильним – це “вигідно” з погляду внутрішньої енергії. А будь-які спотворюють домішки форму ґрат. Тому кристал зростаючий витісняє сторонні будь-які атоми і молекули, намагаючись будувати ідеальні грати, це поки можливо. І тільки домішкам, коли подітися вже нікуди, він починає вбудовувати їх у свою структуру або залишає у вигляді капсул з концентрованою рідиною. Тому морський лід прісний, а навіть найбрудніші калюжі прозорим покриваються і чистим льодом.
На Дону та Кубані, здавна де вирощували виноград і робили сухі вина, готують узимку міцні напої «виморозки». Для цього природного продукт бродіння міцністю вино 10-12 градусів виставляють на мороз. У розчині в першу чергу замерзає вода, і залишається концентрований більш розчин спирту. Його зливають і повторюють операцію доти, доки не досягнуть потрібної фортеці. Чим концентрація вища спирту в розчині, нижча тим температура його замерзання: