Почему вода превращается в лед для детей. Почему вода замерзает сверху? Температурное расширение и плотность воды

Вода - архиважное вещество для любого живого существа и для всей планеты в целом. Исключительно благодаря наличию воды на нашей планете когда-то смогла зародиться жизнь и исключительно благодаря физическим и химическим свойствам воды жизнь получила возможность развиваться и распространяться. Но задумывались ли вы когда-нибудь о этих самых свойствах, задавали ли себе вопрос: "Почему вода так просто меняет свои физические состояния и что позволяет ей это делать?"

Вода - неорганическое соединение бинарного типа, т.е. образованное атомами двух разных химических элементов. В состав одной молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода.

На Земле, благодаря нормальным температуре и давлению, подавляющее большинство воды находится в жидком состоянии - около 98%, еще 1,7% приходится на ледники и приблизительно 0,001% содержится в атмосфере в газообразном состоянии. Существование сразу трех агрегатных форм в относительно узких температурных рамках (имеются ввиду климатические условия Земли) обусловлено особыми физическим строением молекул воды и связями между ними.

Переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.

При температуре от 1 до 99 градусов Цельсия молекулы воды находятся в постоянном движении, обусловленном тепловой энергией. При этом каждая молекула воды связана одновременно с четырьмя другими молекулами, эта связь постоянно стремиться к образованию определенной упорядоченной структуры, но тепловое движение этому препятствует. Всю эту сложную научную "билиберду" можно объяснить немного проще: все молекулы воды связаны между собой, но их движение относительно друг друга не дает им принять какую-то определенную структуру. Это легко можно проследить на примере, налив воды в стакан - вода моментально примет форму стакана, но сама по себе удержать эту форму не может.

Приблизительно так выглядят молекулы воды в жидком состоянии. Каждая молекула соединена с четырьмя другими, и все они находятся в постоянном движении.

При температуре 0 °С энергия молекулярных связей начинает преобладать над энергией теплового движения. В результате термическая энергия больше не препятствует образованию строго упорядоченной структуры. Расстояние между молекулами увеличивается, плотность воды, наоборот, снижается и образуется так называемая , или попросту лед . Именно благодаря образованию упорядоченной и стабильной структуры лед может держать форму.

Кристаллическая решетка воды. Красные шарики - атомы кислорода, серые - атомы водорода. Серые пунктирные линии - водородные связи.

При температуре 0 °С энергия молекулярных связей преобладает над энергией теплового движения, - формированию упорядоченной структуры больше ничего не мешает и образуется так называемая кристаллическая структура воды , или попросту лед.

При температуре 100 °С происходит разрыв молекулярных связей, в следствии чего молекулы отделяются друг от друга и вода переходит в фазу пара (газообразного состояния). Для разрыва связей необходимо большое количество энергии, т.е. тепла.

В качестве обобщения, можно сказать, что переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.

Несколько интересных фактов о фазовых состояниях воды:

Задумывались ли Вы когда-нибудь, почему вода замерзает при температуре именно 0 °С и переходит в парообразное состояние при 100 °С? Дело в том, что на основе этих значений и была построена шкала измерения температуры "по Цельсию" шведским ученым Андерсом Цельсием.

Значения 0 и 100 °С для замерзания и кипения воды соответственно справедливы только для стандартного давления (1 атмосфера или 10 Паскалей). При повышении давления температура кипения воды и плавления льда растет. Например при давлении в 6 атмосфер вода начнет кипеть только при 158 градусах Цельсия.

Помимо жидкого, газообразного и твердого состояния вода может существовать и в других фазах: перегретая жидкость, пересыщенный пар и переохлажденная жидкость.

Вода может одновременно находиться в трех агрегатных фазах при строго определенных значениях давления и температуры. Это состояние носит название "Тройная точка воды " и наблюдается при 0,01 °С и 611,657 Па.

Вконтакте

• 19307 просмотров

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете.

Известно, что фактически все вещества, имеющие природное или искусственное происхождение способны находиться в разных агрегатных состояниях и менять их в зависимости от условий окружающей среды. И хотя ученые знают более десятка фазовых состояний, некоторые из которых можно получить только в пределах лаборатории, в природе чаще всего встречается только три подобных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Вода может пребывать во всех трех этих состояниях, переходя из одного в другое в естественных условиях.

Вода, находящаяся в жидком состоянии имеет слабо связанные молекулы, которые пребывают в постоянном движении и пытаются сгруппироваться в структуру, но не могут сделать этого из-за тепла. В таком виде вода может принимать абсолютно любую форму, но не в состоянии самостоятельно ее удерживать. При нагревании молекулы начинают двигаться намного быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда постепенно вода переходит в газообразное состояние, то есть превращается в водяной пар, связи между молекулами окончательно рвутся. При воздействии же на воду низких температур движение молекул сильно замедляется, молекулярные связи становятся очень прочными и молекулы, которым больше не мешает воздействие тепла, упорядочиваются в кристаллическую структуру, имеющую шестигранную форму. Все мы видели подобные шестигранники, выпадающие на землю в виде снежинок. Процесс превращения воды в лед называется кристаллизацией или застыванием. В твердом состоянии вода надолго может сохранять любую принятую ею форму.

Процесс кристаллизации воды начинается при температуре 0 градусов по шкале Цельсия, имеющей 100 единиц. Данная измерительная система используется во многих странах Европы и в СНГ. В Америке же температуру измеряют при помощи шкалы Фаренгейта, которая обладает 180 делениями. По ней вода переходит из жидкого состояния в твердое при 32 градусах.

Однако вода не всегда замерзает при этих температурах, так очень чистую воду можно переохладить до температуры — 40 °С и она не замерзнет. Дело в том, что в очень чистой воде нет примесей, служащих основанием для построения кристаллической структуры. Примесями, к которым крепятся молекулы, могут выступать частички пыли, растворенные соли и т.д.

Особенностью воды является тот факт, что в то время как при замерзании другие вещества сжимаются, она, преобразовавшись в лед, напротив, расширяется. Происходит это потому что, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, расстояние между ее молекулами немного увеличивается. И поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он плавает на ее поверхности.

Говоря о замерзании воды, нельзя не упомянуть и тот интересный факт, что горячая вода застывает быстрее холодной, как бы парадоксально это не звучало. Данное явление было известно еще во времена Аристотеля, но ни знаменитому философу, ни его последователям так и не удалось разгадать эту тайну и о феномене забыли на долгие годы. Вновь о нем заговорили лишь в 1963 году, когда школьник из Танзании Эрасто Мпемба обратил внимание, что при приготовлении мороженого быстрее застывает лакомство сделанное из подогретого молока. Мальчик рассказал об этом своему учителю физики, но тот поднял его на смех. Лишь в 1969 году познакомившись с профессором физики Деннисом Осборном, юноша он смог найти подтверждение своей догадки, после совместно проведенных экспериментов. С тех пор выдвигалось много гипотез относительно этого феномена, например, что горячая вода замерзает быстрее за счет своего быстрого испарения, которое приводит к уменьшению объема воды и, как следствие, более быстрому застыванию. Но ни одна из них так и не смогла объяснить природу данного явления.

Цели и задачи:

Образовательные: знакомить с различными свойствами воды и льда, развивать представления о физических явлениях таяния и замораживания, формировать опыт выполнения правил техники безопасности при проведении физических экспериментов.

Воспитательные: развивать эмоционально-ценностное отношение к окружающему миру, поддерживать у детей инициативу, развивать сообразительность, пытливость, критичность, самостоятельность.

Развивающие: формировать у детей диалектическое мышление, т.е. способность видеть многообразие мира в системе взаимосвязей и взаимозависимостей; развить собственный познавательный опыт в с помощью наглядных средств; расширять перспективы развития поисково-познавательной деятельности путем включения их в мыслительные, моделирующие и преобразующие действия.

Оборудование и материалы:

Непрозрачные бутылочки с крышками;

Прозрачные стаканчики по два на команду: один наполнен водой;

Заранее замороженные кубики льда обычные (на каждого ребёнка) и подкрашенные, (Желательно, чтобы лед был не подтаявшим, и таять начинал тогда, когда дети начнут брать его в руки. Один из кубиков на столе у воспитателя должен быть подтаявшим, чтобы можно было продемонстрировать лужицу талой воды как иллюстрацию к процессу таяния);

Клеёнки на столы;

Небольшие картинки по количеству команд для определения прозрачности;

Варежки по 1 паре на команду;

Листы бумаги; блюдца для льда.

Предварительная работа:

Непосредственное знакомство с основными свойствами воды опытным путём.

Ход занятия.

Введение.

Определение направления деятельности. Дети собираются на коврике вокруг воспитателя.

Воспитатель: Ребята, сегодня нам предстоит не совсем обычная работа. Предлагаю вам сделать открытие, раскрыть тайну. Давайте для начала определим, какую тайну, тайну чего? О чём мы будем говорить? Я загадаю вам загадки. Они помогут ответить на этот вопрос.

Что в гору не выкатить,
В решете не унести,
И в руках не удержать. (Вода.)

Меня ждут, не дождутся,
А как увидят – разбегутся. (Дождь.)

Не драгоценный камень,
А весь блестит и светится. (Лёд.)

Я из воды, а с воздуха летаю.
Как пух лежу я на полях,
Как алмаз блещу при солнечных лучах. (Снег.)

Закипел наш чугунок,
Из него пошёл дымок. (Пар.)

Я и туча, и туман,
И ручей, и океан,
Я летаю и бегу,
И стеклянной быть могу. (Вода.)

Правильно. Вы разгадали первую тайну. Мы сегодня будем говорить о воде. А вы знаете, что вода – самое волшебное, самое таинственное вещество на земле? Какое волшебство связано с водой? (ответы детей). Не угадали. Попробую вам помочь. На столах стоят таинственные бутылочки. Что там? Вторая тайна. Но к столам может подойти только тот, кто подберёт противоположное слово, слово наоборот. (Поскольку в ходе занятия анализируются взаимоисключающие отношения, активизируем детский опыт оперирования противоположными отношениями. Одним из способов такой активизации может быть игра-упражнение «Наоборот».)

Слова для упражнения: холодный, горький, высокий, толстый, большой, дневной, плохой, весёлый, умный, широкий, дорогой, светлый, красивый, быстрый.

А сейчас, не открывая бутылочки, попробуйте отгадать, что внутри. (Вспоминаем, как надо трясти бутылочку, как правильно нюхать, можно ли вылить на ладошку и посмотреть? – закрепляются правила безопасности при проведении опытов.) Как вы думаете, одно и то же вещество находится в бутылочках? Почему? Даже не знаю, правильно это или нет…. Так и быть, открываем вторую тайну. Выливайте содержимое бутылочек в стаканы. Что это? (Вода и лёд.) Так что же умеет делать вода? (Превращаться в лёд.) И это её великая тайна. Какие ещё вещества вы видели, которые могут превращаться во что-то?

Часть 1. Изучаем лёд и воду.

Вот вы мне сказали, что это разное вещество. Так ли это? Проверим? Ребята, что мы знаем о воде? (Прозрачная, течёт, не имеет формы, запаха, вкуса, умеет растворять некоторые вещества, бывает холодной, тёплой, горячей.) По ходу работы на доске символами отмечаются ответы детей.

А что мы знаем про лёд? Дети перечисляют характеристики льда: твёрдый, холодный, непрозрачный, имеет форму и т.д. Характеристики льда отмечаются на доске так, чтобы характеристики одного свойства были напротив для удобства сравнивания.Например: вода прозрачная, а лед нет, лед твердый, а вода… По ходу работы идёт сравнение: – где сходство, а где – различие. Для демонстрации характеристик воды и льда мы используем прозрачные емкости с водой и льдом, проверяя каждое утверждение.Важно, чтобы прозвучала характеристика льда «скользкий». Если дети ее сами не называют, им можно помочь: «А легко ли лед удержать на ровной ладошке или двумя пальцами Смотрите, он выпрыгивает из ладошки!»

Подведём итог: вода и лед – совсем разные! Лед и вода не одно и то же, они отличаются! А вот в стихотворении говорится, что «ледышка – такая, как водичка»!

Я – холодная ледышка!
Я – такая, как водичка!
Лишь холодною зимой
Можешь ты играть со мной.

Странно! Почему автор так сказал? А действительно, бывает ли такое чудо (но не в сказке, а в жизни), что это лед и вода одновременно? (Если возникнет затруднение, предложить взять лёд в ладошку.) Необходимо дождаться ответа детей, что лед тает и превращается в воду, и что вода замерзает и превращается в лед. Получается, что когда лед тает или вода только замерзает, то мы имеем дело одновременно и со льдом, и с водой! Поздравляю! Вы раскрыли третью тайну! Самую волшебную: лёд и вода совсем разные, не похожи друг на друга, а могут превращаться друг в друга, даже одновременно могут быть. А кто сможет нам раскрыть четвёртую тайну? Что за волшебная палочка делает эти превращения? Эту тайну поможет раскрыть опыт: возьмите в ладошку льдинку. Что превращает её в воду? (тепло наших рук). А как обратно превратить воду в лёд? Вынести на мороз. Значит, волшебной палочкой в нашем превращении является температура или тепло. Если она высокая, тёплая, то в ладошке – вода. Если низкая, холодная – лёд. Хотите посмотреть, как это происходит? Выходите на коврик.

Часть 2. Игра-опыт.

Мы превратимся в капельки и тоже побываем в разных состояниях. Когда вода находится в твердом состоянии, то ее молекулы – маленькие капельки, очень плотно прижимаются друг к другу, как будто им холодно – они замерзли. Давайте мы встанем близко друг к другу и станем плотным кусочком льда.
А когда вода находится в жидком состоянии, то ее молекулы берутся за ручки и могут двигаться и менять положение. Мы тоже возьмемся за руки и попробуем походить по комнате по кругу и змейкой, как будто ручеек бежит весной.
огда температура поднимается и становится совсем жарко, то ее молекулы отпускают ручки друг друга и разлетаются – получается пар, как из чайника. И мы разомкнем наши руки и свободно побегаем, как легкие капельки пара.

Часть 3. Игры со льдом. (Могут быть проведены в свободное время, во второй половине дня, на прогулке.)
- Замораживайте воду, используя различные емкости(формочки для льда, чашку или тарелку, пластиковые стаканчики или формочки для куличей).Для разнообразия можно замораживать подкрашенную воду. А если изготовить побольше кубиков и кирпичиков из цветного льда, то можно вынести их на улицу и построить крепость.
- Цветными кубиками льда можно рисовать. Достаточно положить их на лист бумаги и подождать, когда они растают, а цветные потоки перемешаются в произвольном порядке. Затем надо высушить бумагу, и картина готова. А можно, прежде, чем поставить формочки в холодильник, воткнуть в каждую из них по зубочистке. Держась за нее, можно рисовать на бумаге цветными кубиками льда.

Заключение.

Воспитатель: «Мы с вами сегодня узнали, что лед и вода не похожи, а еще, что бывают такие чудесные моменты, когда лед и вода есть одновременно, когда лед превращается в воду, и наоборот. Записи на доске я оставлю, они помогут вам вспомнить о чудесном превращении. А вдруг вечером придут ваши родители и удивятся – что это за непонятные значки на доске? А как вы им объясните? О чем расскажете? О превращении льда в воду, и наоборот.

Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение Мпембы.

В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.

Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.

В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».

В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).

Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.

Вот как эти явления описаны в «Википедии»:

• Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
• Переохлаждённая жидкость - жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.

Всемирное и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.

Какой должна быть температура воды перед заморозкой

На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.

Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы - две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.

Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.