Что легче вода или лед одного объема

# физика | Почему вода легче… воды?

Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.

Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.

1. При нагревании вода увеличивается в объеме

Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.

2. При охлаждении вода сжимается

Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.

Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…

3. …объем воды вновь возрастает при замерзании

Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.

Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?

4. Лед легче воды

Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.

Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.

5. Водопроводная вода содержит минералы

Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.

Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.

Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.

Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую сахарную радугу.

Источник

Что тяжелее: 1 литр воды или 1 литр льда

• Что тяжелее: 1 литр воды или 1 литр льда
• Почему вода замерзает
• Сколько килограмм в одном литре

Соотношение объема и массы воды

Литр – это единица объема для жидких веществ. Литрами допустимо измерять также сыпучие вещества с достаточно мелкой фракцией. Для прочих твердых тел используют понятие кубический метр (дециметр, сантиметр). Определение термина и понятия литра было сформулировано Генеральной конференцией по мерам и весам в 1901 году. Определение звучит следующим образом: 1 литр – это объем одного килограмма чистой пресной воды при атмосферном давлении 760 мм ртутного столба и температуре +3,98оС. При этой температуре вода достигает наибольшей плотности.

Перейдя температурный порог в +3,98оС, плотность воды снова начинает уменьшаться, и при +8оС опять достигает тех же значений, что и при нуле.

Что тяжелее?

Если в какой-либо сосуд налить, к примеру, 1 кг воды, она будет иметь объем, равный одному литру. Если вы подвергните эту воду заморозке, то при той же массе в 1 кг, вода, замерзая, будет стремиться занять больше места в сосуде. Закрытый сосуд, ограниченный емкостью 1 кв. дм (1 литр), лед разорвет. Получается, что при одинаковой массе жидкой и замороженной воды, лед будет иметь больший объем, что нарушит первоначальное условие.

Если поставить на заморозку литровую пластиковую бутылку с 1 000 мл воды (1 литр), то в процессе отвердения из нее выльется примерно 80 мл воды. А чтобы получить 1 литр льда, достаточно заморозить 920 мл воды.

Заморозить и восстановить

Сегодня все труднее встретить чистую природную воду. Особенно в условиях города, где она, прежде чем попасть в квартиру, фильтруется, хлорируется, подвергается другим видам физической и химической обработки. Чистая вода становится дефицитом, стоимость добываемой воды из артезианских скважин растет. Однако вода, оказывается, восстанавливает свою изначальную структуру и энергетику после заморозки – она очищается. Поэтому: пейте талую воду! Не зря на нее так хорошо реагируют весной все растения и с удовольствием пьют животные.

Источник

Почему лёд плавает в воде?

Тот парадоксальный факт, что лёд, т.е. твёрдая форма воды, легче самой воды, общеизвестен, хотя мы редко задумываемся о его парадоксальности. Действительно, у подавляющего большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкой. Вода – одно из редких исключений.

Причина кроется в строении атома воды и взаимодействии этих атомов между собой.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так происходит потому, что кислороду не хватает двух электронов до «совершенства» — заполнения внешней орбитали, и он «одалживает» их у атомов водорода (у которых их как раз по одному). Почему так происходит – отдельный вопрос, несколько выходящий за пределы темы нашего разговора.

Атом кислорода значительно больше атома водорода, который вообще является самым маленьким из всех (1 протон, 1 электрон). Поэтому атом кислорода очень сильно притягивает «водородные» электроны – настолько сильно, что почти «отрывает» их от «родного» атома, который в итоге почти лишается их, превращаясь в «голый» протон с зарядом +1. Кислород же, до реакции нейтральный, получает два «лишних» электрона и, соответственно, заряд -2. Получается как бы треугольничек, одна из вершин которого заряжена отрицательно, а две других – положительно. Кстати, угол у вершины этого треугольничка составляет 104 градуса (это немаловажно)

Если мы «набросаем» рядом друг с другом большое множество таких треугольничков, то увидим, что они начнут особым образом ориентироваться в пространстве: положительно заряженные «уголки» одних молекул начинают притягиваться к отрицательно заряженным «уголкам» других. В итоге каждая молекула воды стремится образовать связи с четырьмя другими: каждый атом водорода хочет «приклеиться» к атому кислорода другой молекулы, а к атому кислорода стремятся приклеиваются две молекулы водорода двух других атомов.

Это особое притяжение, возникающее между молекулами воды, называется водородной связью. Эта связь характерна тем, что она срабатывает на существенно больших расстояниях (примерно равных размеру молекулы воды), чем обычные ковалентные связи между молекулами, однако является значительно (на порядок) менее прочной.

Для того, чтобы – с учётом вышеизложенного – понять, почему же лёд легче воды, посмотрим, что будет происходить с водой при её постепенном охлаждении.

Молекулы воды (как и молекулы любой другой жидкости) находятся в постоянном движении, причём чем теплее вода, тем быстрее движутся такие молекулы. Опять же, как и в любой другой жидкости, расстояния между молекулами воды меньше их размеров. То есть, они находятся достаточно близко к друг другу для того, чтобы между ними возникали водородные связи –и они возникают. Однако, как мы уже говорили, эти связи ещё и очень непрочные – их энергия примерно равна энергии теплового движения молекул жидкости. А потому, даже возникнув, такие связи сразу рвутся просто из-за того, что двум связанным молекулам «пришло в голову» разлететься в разные стороны.

Тем не менее, какая-то часть молекул воды в каждый момент времени связана водородными связями, что определяет другие аномальные свойства этого вещества – например, очень большую теплоёмкость, а также ряд других.

Но вот мы охладили жидкость до той температуры, при которой энергия кинетического движения её молекул уже ниже энергии водородной связи. То есть, единожды «попавшись в сети» водородной связи, молекула воды уже не сможет их покинуть, а возникнувшая связь не разрывается. Начинают возникать цепочки сцепленных водородной связью молекул, которые затем объединяются между собой в группы, те – в ещё более крупные объединения. В результате образуется устойчивая структура – кристаллическая решётка. Вода замерзает и превращается в лёд.

Кстати говоря, именно из-за этого кристаллы льда имеют такую форму, какую они имеют – форму, основанную на гексагональной призме (т.е. призме, в сечении представляющей собой правильный шестиугольник). Несложно видеть, что именно такая фигура представляет собой простейший способ упаковки молекул в трёхмерную структуру с учётом того, что каждая из них должна быть связана с четырьмя другими.

Кстати, другие модификации льда, имеющие другое строение кристаллической решётки (а всего таких модификаций 18 штук!) возникают в условиях, когда атомы в решётке удерживаются не только водородными, но и обычными ковалентными связями. Правда, для этого нужны другие температуры и не встречающиеся на Земле давления — либо очень большие, либо, наоборот, слишком маленькие.

А вообще, не будь водородных связей, физические свойства воды существенно бы отличались. Так, вода вскипала бы уже -80 градусах Цельсия, а обращалсь бы в лёд при -100. Ну и, конечно, плотность льда была бы больше плотности воды, и плавать в ней он бы не мог.

К слову, вода – редкое, но не единственное вещество с подобными свойствами. Во фтористом водороде, например, водородные связи имеют даже более сильный характер, отчего теплоёмкость этого вещества даже выше, чем у воды.

Водородные связи играют роль в органической химии и биохимии – например, именно водородные связи стабилизируют спирали ДНК, а также формируют вторичные и третичные структуры многих белков. Полимерные материалы (например, нейлон) также часто обретают свои свойства именно из-за водородных связей между их молекулами.

Так что можно сказать, что самим своим существованием мы с вами обязаны такому явлению, как водородная связь!

Источник

Почему лед легче воды

Закон Архимеда

Удивительная способность льда всплывать и курсировать на поверхности воды объясняется ни чем иным, как элементарными физическими свойствами, который изучают в курсе средней и старшей школы. Доподлинно известен тот факт, что вещества при нагревании имеют свойство расширяться, как, например, ртуть в градуснике, также и вода при понижении температуры замерзает и увеличивается в объемах, образуя на поверхности водоемов корку льда.

Увеличение объема замерзшей воды нередко играет злую шутку с теми, кто забывает емкости с жидкостью на морозе. Вода буквально разрывает тару.

Мнение о том, что во вновь образованной толще льда появляются микроскопические поры, заполненные воздухом, не является ошибочным, но и не может объяснить факт всплывания должным образом. В соответствии с принципами, выведенными и сформулированными древнегреческим ученым, получившими впоследствии название закон Архимеда, тела, которые погружаются в жидкость, выталкиваются из нее с силой, которая равна весовым характеристикам жидкости, вытесняемой данным телом.

Физика воды

Доподлинно известно, что лед примерно на одну десятую легче воды, именно поэтому гигантские айсберги погружены в океан примерно на девять десятых своего общего объема и видны лишь на небольшую долю. Данные весовые различия объясняются свойствами кристаллической решетки, которая у воды, как известно, не обладает упорядоченной структурой и характеризуется постоянным перемещением и столкновением молекул. Это и объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом, молекулы которого под воздействием низких температур показывают низкую подвижность и небольшую энергетическую составляющую и соответственно меньшую плотность.

Известно также, что максимальную плотность и вес вода имеет при температуре, равной 4оС, дальнейшее понижение ведет к расширению и снижению показателя плотности, что и объясняет свойства льда. Именно поэтому в водоемах тяжелая четырехградусная вода опускается на дно, давая возможность более прохладной подняться и превратиться в не тонущий лед.

Лед имеет специфические свойства, к примеру, он устойчив к инородным элементам, имеет низкую реактивную способность, отличается подвижностью атомов водорода, а потому имеет низкий предел текучести.

Источник

Плотность воды и льда. Что больше и почему?

Ещё со школьной скамьи все знают о том, что лёд не тонет в воде. Но в чём же причина, ведь, по логике, он должен быть тяжелее, чем вода. Всё дело в том, что на самом деле плотность льда меньше, чем плотность воды. Как такое возможно? Попробуем разобраться.

Почему плотность льда меньше плотности воды?

Почему вода в своём твёрдом состоянии (лёд) легче, чем вода в жидком состоянии? Ведь должно быть наоборот: при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность вещества должна увеличиться, а объём при этом уменьшиться. Это известно всем из школьного курса физики. Исключение составляет обычная вода. Когда она замерзает и переходит в состояние льда, то плотность её при этом уменьшается. А причина – в так называемых водородных связях. Кристаллическая решётка льда похожа на соты, в каждом из шести углов расположены молекулы воды, соединённые водородными связями. Расстояние между молекулами воды в твёрдом состоянии больше, чем в жидком, где они перемещались свободно и могли сближаться.

Что больше, плотность льда или воды: исключение из правил

Итак, мы выяснили, почему плотность льда меньше плотности воды. Но существует ещё одна интересная закономерность. Если воду охлаждать не сразу, а постепенно, то вплоть до температуры +4оС вещество действительно становится плотнее. То есть, на этом этапе никаких отклонений от нормы мы не наблюдаем. А пройдя эту отметку, вода становится легче и, в конце концов, образуется лёд, плотность которого меньше, чем плотность воды. Впервые на это необычное свойство обратил внимание ещё Галилео Галилей.

Причём после того, как температура воды становится ниже отметки +4оС, плотность падает скачкообразно – сразу на 8%. Насколько же различаются плотность воды и льда? Если принять плотность воды за единицу, то плотность льда будет составлять 0,91.

Что нужно знать?

После замерзания объём воды увеличивается на 9%. Именно это становится причиной того, что замёрзшая в трубах вода «рвёт» их.

Но если на коммунальном хозяйстве такие свойства воды сказываются крайне негативно, то обитателям водоёмов они спасают жизнь. Даже в самые холодные зимы озёра и пруды не промерзают до дна. Нижние слои воды охлаждаются до 4о, а верхние слои превращаются в лёд. Плотность льда меньше плотности воды, поэтому он не опускается на дно, позволяя водяным жителям перезимовать. Кроме того, в толще льда ещё и остаются воздушные пузырьки, они делают плотность льда ещё меньше, как и сам вес ледяной пластины.

Наглядно продемонстрировать, например, ребёнку, что вода расширяется при замерзании можно при помощи простого опыта. Достаточно налить воды в пластиковый стаканчик и оставить его на морозе. Через несколько часов можно наблюдать результат: стаканчик будет разорван или деформирован.

Ещё один интересный опыт, который понравится детям: возьмите пластиковую трубочку для коктейля, плотно залепите пластилином, и залейте туда воду, отметив маркером уровень. Поставьте трубочку в морозилку. Когда вода замёрзнет, будет видно, что уровень находится выше, чем первоначальный.

Плотность морской воды

Как ведёт себя пресная вода при замерзании, мы разобрались. А вот с морской водой всё немного по-другому. Дело в том, что она представляет собой фактически раствор солей (35 г слой содержится в 1 литре морской воды). Максимума своей плотности она достигает при температуре -3,5оС, но замерзает уже при -1,9 °C.

Самая чистая вода

Уникальные свойства льда не ограничиваются его молекулярной структурой. Достаточно распространено мнение о пользе для здоровья именно талой воды. Однако учёные с сомнением относятся к «чудодейственным» свойствам такой воды. Ведь во время таяния льда его кристаллическая структура практически сразу разрушается, а значит, межмолекулярные связи становятся таким же, как и у обычной воды.

Если вы заботитесь о своём здоровье, то лучше установить качественную систему очистки водопроводной воды. А перед этим сдать воду на анализ. Лаборатория «УкрХимАнализ» проведёт анализ водопроводной воды по ключевым показателям (выбирайте пакет «Базовый», «Расширенный» или «Максимальный») и даст необходимые рекомендации, как улучшить её качество.

Источник