При каких условиях вода может находиться

Состояния воды в природе: условия перехода, необычные факты

Удивительная вода: Freepick

Известные человечеству состояния воды не ограничиваются тремя базовыми вариантами, о которых большинство слышало в школе. Как создать горячий лед или сухую воду? Возможно ли наблюдать воду сразу жидкой, твердой и газообразной? Как на эти и многие другие вопросы отвечает наука?

Три состояния воды в природе

Воду как прозрачную жидкость, у которой отсутствует запах и вкус, знают все. Но только ли такой она бывает? Прежде чем ответить на вопрос о том, каковы возможные агрегатные состояния воды, выясним, что такое агрегатное состояние.

В физике под этим понятием подразумевают состояние вещества, обусловленное определенной температурой и давлением. Науке известно:

• газообразное;
• твердое;
• жидкое состояние вещества.

При этом одно и то же вещество может менять свое состояние в зависимости от условий окружающей среды.

Экология человека: что это такое и что изучает наука

Хорошо известны три агрегатных состояния воды:

1. Твердое состояние воды (лед). В этом состоянии частички воды имеют друг с другом сильную взаимосвязь. Кубик льда хорошо сохраняет форму, он довольно прочный и твердый на ощупь.
2. Жидкое состояние. В нем частицы теряют строгую упорядоченность. Связи между ними разрушаются, а жидкость принимает форму того сосуда, в который она помещена. Однако молекулы все еще располагаются достаточно близко друг к другу.
3. Газообразное состояние воды (пар). В этом состоянии частички максимально беспорядочно двигаются, а расстояния между ними становятся очень большими.

Состояние воды прямо связано с температурой. Эта жидкость обладает уникальным свойством: свое жидкое состояние она сохраняет в широком диапазоне от 0 до 100 °С. В верхней точке начинается закипание с постепенным переходом в газообразную фазу. При снижении температуры ниже 0 °С происходит образование льда.

Интересные факты о воде для школьников

При этом в природе можно часто увидеть, как вода и лед соседствуют друг с другом, а в этом время над ними витает невидимый глазу водяной пар. Благодаря таким удивительным способностям воды происходит ее постоянный круговорот в природе.

Жидкое состояние воды: Freepick

Если рассматривать все три состояния воды, то жидкое остается одним из наиболее важных. Жидкая вода служит универсальным растворителем для множества других веществ, является основным компонентом организма человека и средой для протекания всех химических процессов.

Более того, именно у жидкой воды ученым удалось обнаружить дополнительные состояния — «обычная» и «аномальная» вода. Последняя образуется при температуре –63 °С и может находиться в одном из двух состояний:

Теплопроводность воды и льда и их особенности

• иметь низкую плотность при низком давлении;
• иметь высокую плотность при высоком давлении.

Две эти жидкости заметно различаются по свойствам, а их плотность отличается на 20%, поэтому они не могут смешиваться между собой. Как ученым удалось уловить эти состояния, ведь хорошо известно, что происходит с водой при замерзании: она переходит в твердую фазу — в лед?

Авторам исследования понадобились специальные приборы. С помощью инфракрасного лазера лед нагревали, при этом образовывалась жидкая вода с высокой плотностью, а давление сохраняли повышенным.

За этим процессом вели наблюдение рентгеновским лазером. Было замечено образование пузырьков «аномальной» воды. Появлялись они на крайне маленький промежуток времени: были видны до 3-х микросекунд.

Чем отличается парфюмерная вода от туалетной воды, духов и одеколона

Эти исследования доказали, что ученым еще далеко не все известно о воде, хотя мы и сталкиваемся с ней ежедневно и ежечасно. Ее свойства продолжают изучать и открывать новые грани.

Состояния воды: необычные факты

Твердое состояние воды (лед): Freepick

Ученым оказалось недостаточно трех агрегатных состояний воды, поэтому они изобрели целый ряд необычных вариантов и продолжают работать в этом направлении.

Лед VII (горячий лед)

Для обычного холодного льда используется обозначение «лед Ih». Когда при нормальном давлении снижается температура и вода замерзает, то атомы кислорода в ее молекулах образуют шестигранники.

Если же давление будет возрастать, то можно получить лед VII, атомы которого располагаются в виде куба. Он очень противоречив:

Тест на стихию: какая стихия подходит вам

1. Этот лед горячий, так как формируется в необычных условиях.
2. На Земле он мог бы образоваться глубоко под мантией, в области высокого давления.
3. Но там и температура очень высока, из-за чего вода сразу же испаряется.

Ученым удалось создать такой лед в лаборатории. Кроме того, он был обнаружен в алмазах, которые нашли в недрах нашей планеты.

Сухая вода

Ее получают путем смешивания обычной воды и двуокиси кремния. Несмотря на то что жидкости в ней 25%, она является сухим веществом. Сахарообразные крупинки внутри содержат воду, а сверху покрыты оксидом кремния.

Сухую воду создали в 1968 для нужд косметологии. Затем о ней забыли, а сейчас рассматривают варианты использования для поглощения углекислого газа, чтобы хранить и транспортировать химикаты.

Почему снег белый: пояснения, интересные факты

Сверхзвуковой лед

Этот лед также называют льдом XVIII. Он образуется при очень сильном повышении давления и температурных показателей — до тысяч градусов и миллионов атмосфер. В горячем плотном и черном на виде веществе узнать лед очень трудно.

Получить его экспериментально удалось совсем недавно с применением мощных лазеров, которые создавали ударные волны, мгновенно повышая температуру и давление. При этом происходило разделение атомов водорода и кислорода с параллельным образованием твердых кристаллов.

Сверхкритическая вода

Вода может стать такой из газообразного состояния. Это очень странный пар, который нельзя назвать газом. Образование такой воды происходит при 373 °С и давлении 220 бар. Снова жидкой она уже стать не может. Такая вода способна проходить сквозь твердые вещества, как газы, и быть растворителем подобно жидкости.

Почему дует ветер: пояснение, интересные факты

Аморфный лед

Этот лед получается при мгновенном охлаждении воды, когда молекулы не кристаллизуются, как следует. Получается своеобразное стекло — очень медленно движущаяся жидкость.

На нашей планете аморфный лед встречается редко, а вот на просторах Вселенной вода часто существует в этом состоянии.

Тройная точка воды

В этой точке вещество одновременно существует как твердое, жидкое и газообразное. Такое специфическое равновесие достигается путем сочетания показаний давления и температуры. Для воды они составляют 0,01 °С и 0,0060366 атмосфер.

Эта точка применяется, когда определяется температура по Кельвину, калибруются термометры и определяются тройные точки для других жидкостей. Из тройной точки воду можно перевести в любое из ее возможных агрегатных состояний.

Лимонад: рецепт в домашних условиях

Горящий лед

Это не чистая вода, а сочетание воды и метана, которое способно гореть, словно бумага. Такой лед образуется в результате естественных процессов в океанских глубинах, в зонах вечной мерзлоты, может засорить нефтепровод или газопровод.

При его формировании вначале замораживается метан, который постепенно покрывает настоящий лед. Ученые рассматривают его как чистый и экологичный источник топлива.

Таковы обычные и нестандартные состояния воды. Природа отменно поработала, чтобы создать такое чудо, но и ученые не остались в стороне. Они до сих пор работают над получением воды в уникальных состояниях.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Гидрология

Лекция. Химические и физические свойства природных вод

1. 1. ВОДА КАК ВЕЩЕСТВО, ЕЕ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА И ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ

Вода — это простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом. По своей химической природе—это оксид (окись) водорода Н₂О. В чистом виде вода — вещество бесцветное, не имеющее ни вкуса, ни запаха.

Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине.

Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два элек­трона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает от­рицательный заряд.

Оба атома водорода , лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому образует электрический диполь.

Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обусловливают большую диэлектрическую проницаемость воды— величину, показывающую, во сколько раз силы взаимодей­ствия электрических зарядов уменьшаются в воде по сравнению с силами их взаи­модействия в вакууме. Высокая диэлектрическая проницаемость воды предопределяет большую ее ионизирующую способность, т. е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обусловливает сильное растворяющее действие воды.

Переход от полностью упорядоченной рыхлой молекулярной структуры, свойственной льду, к более плотной структуре, свойственной воде в жидком состоянии, не происходит мгновенно в процессе плавления льда, а продолжается и в жидкой воде.

При повышении температуры наряду с упомянутым уплотнением «упа­ковки» молекул происходит и свойственное всем веществам увели­чение объема воды вследствие роста интенсивности теплового дви­жения молекул. В диапазоне повышения температуры от 0 до 4 °С преобладает процесс уплотнения воды, при тем­пературе выше 4°С — тепловое расширение , поэтому вода обладает «аномальным» свойством — наибольшей плотностью не при температуре плавления, а при 4°С.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов:

1 Н — «обычный» водород),

2 Н — «тяжелый» водород, или дейте­рий),

3 Н — радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или три­тий).

16 О, 17 О, 18 О. Поэтому и сама вода имеет переменный изотопный состав.

Природная вода — это смесь вод разного изотопногосостава.

Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов 1 Н и 16 О – «обычная» вода, доля других изотопных видов воды ничтожна — менее 0,27 %. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.

Одна из главных причин, приводящих к различию изотопного состава природных вод,— процесс испарения.

В результате испарения происходит некоторое обогащение воды более тяжелыми изотопами, а в результате конденсации — более легкими.

Поэтому поверхност­ные воды, формирующиеся атмосферными осадками, содержат «тяжелого» водорода ( 3 Н) и «тяжелого» кислорода ( 18 О) меньше, чем океанические воды.

Воду с изотопным составом ‘Н₂ 16 О называют «обычной» водой и обозначают просто Н₂О, остальные виды воды (кроме 3 Н₂О) на­зывают «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду 2 Н₂О (или О₂О). Вода с изотопным составом 3 Н₂О (или Т₂О) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг.

Источник

Основные агрегатные состояния вещества

О чем эта статья:

Агрегатные состояния вещества

Чтобы разобраться с тем, какими бывают агрегатные состояния, предлагаю по ходу чтения статьи заполнять таблицу.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

Лед, вода и водяной пар — это все три агрегатных состояния одного вещества. Лед — твердое состояние, вода — жидкая, пар — газообразное. Для каждого вещества существует три состояния.

Твердое состояние

Его очень легко представить — это любой предмет, который мы встречаем в жизни. В этом состоянии тело сохраняет форму и объем. Расстояние между молекулами, приблизительно равно размеру самих молекул, которые, в свою очередь, расположены очень структурированно.

Такая структура называется кристаллической решеткой — из-за четкой структуры молекулам сложно двигаться, и они просто колеблются около своих положений.

Заполняем нашу табличку

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

Жидкое состояние

В этом состоянии сохраняется объем, но не сохраняется форма. Например, если перелить молоко из кувшина в стакан, то молоко, имевшее форму кувшина, примет форму стакана. Кстати, в корове у молока тоже была другая форма.

Расстояние между молекулами в жидком состоянии чуть больше, чем в твердом, но все равно невелико. При этом частицы не собраны в кристаллическую решетку, а расположены хаотично. Молекулы почти не двигаются, но при нагревании жидкости делают это более охотно.

Вспомните, что происходит, если залить чайный пакетик холодной водой — он почти не заваривается. А вот если налить кипяточку — чай точно будет готов.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

Газообразное состояние

В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

занимают предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

С агрегатными состояниями разобрались, ура! Но до сих пор неясно, каким образом у каждого вещества их целых три, и как одно переходит в другое. Для этого узнаем, что такое фазовые переходы.

Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.

Фазовые переходы интересны тем, что все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы металлургии и микроэлектроники.

На схеме — названия всех фазовых переходов:

Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;

Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;

Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;

Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;

Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;

Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

График фазовых переходов

Если взять процесс превращения льда в воду, воды — в пар, и обратные действия, то мы получим очень информативный график.

Разбираемся по шагам. Сначала взяли лед, конечно, при отрицательной температуре, потому что при нуле лед начинает плавиться. Нагрели лед до температуры плавления (до 0 градусов).

• AB — нагревание льда

После того, как лед нагрелся до температуры плавления, он начинает плавиться. Плавление происходит при постоянной температуре тем дольше длится, чем больше масса плавящегося вещества. Еще этот процесс зависит от свойств самого вещества, но об этом немного позже.

• BC — плавление льда

Расправившись вещество уже в жидком состоянии снова начинает нагреваться, и температура увеличивается, пока не достигает температуры кипения. В данном случае нагревается вода — это значит, что ее температура кипения равна 100 градусам Цельсия.

• CD — нагревание воды

При 100 градусах вода кипит, пока не выкипит целиком. В данном случае процесс аналогично плавлению происходит при постоянной температуре. Данный процесс нельзя путать с испарением, потому что парообразование происходит при конкретной температуре, а испарение — при любой.

• DE — кипение (парообразование) воды

Далее полученный пар нагревается, но путем нагревания невозможно дойти до другого фазового перехода — можно пойти только обратно.

• EF — нагревание пара

Первый шаг в обратную сторону — охлаждение до температуры кипения.

• FG — охлаждение пара

Дойдя до температуры кипения (в данном случае 100 градусов), пар начинает переходить в жидкое состояние. Этот процесс также происходит при постоянной температуре.

• GH — конденсация пара

Сконденсировавшись, вода охлаждается, пока не начнет замерзать.

• HI — охлаждение воды

Кристаллизуется (замерзает) вода при той же температуре, что и плавится лед — 0 градусов. Кристаллизация также происходит при постоянной температуре.

• IK — кристаллизация воды

После кристаллизации лед охлаждается.

• KL — охлаждение льда

С нагреванием и охлаждением все совсем просто — мы либо передаем теплоту телу (веществу), и оно идет на увеличение температуры, либо тело отдает тепло и охлаждается.

В остальных процессах температура не меняется. Это связано с тем, что количество теплоты не всегда зависит от температуры. Формулы для всех процессов выглядят так:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

m — масса [кг]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

Плавление

Кристаллизация

Q — количество теплоты [Дж]

λ — удельная теплота плавления вещества [Дж/кг]

m — масса [кг]

Парообразование

Конденсация

Q — количество теплоты [Дж]

L — удельная теплота парообразования вещества [Дж/кг]

m — масса [кг]

Решение задач по фазовым переходам

С теорией разобрались — а теперь давайте практиковаться!

Задачка раз. Температура медного образца массой 100 г повысилась с 20 °С до 60 °С. Какое количество теплоты получил образец? Удельную теплоёмкость меди считать равной 380 Дж/(кг умножить на °С)

Сначала нужно перевести массу в килограммы:

Берем формулу количества теплоты для нагревания вещества:

Q = 380 * 0,1*(60-20) = 1520 Дж

Ответ: образец получил 1520 Дж

Задачка два. Какое количество теплоты необходимо для плавления 2,5 т стали, взятой при температуре плавления? Удельная теплота плавления стали λ=80кДж/кг. Теплопотерями пренебречь.

Сначала нужно перевести массу в килограммы и удельную теплоту в Дж/кг:

80 кДж/кг = 80000 Дж/кг

Берем формулу количества теплоты для плавления вещества:

Q = 80000*2500 = 200 000 000 Дж = 200 МДж

Ответ: для плавления 2,5 т стали необходимо 200 МДж теплоты.

Сублимация и десублимация

Мы уже рассказали про такие процессы, как сублимация и десублимация.

• Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация (возгонка);
• Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

Примерчики из жизни🤓

Про белье. Попробуйте повесить белье сушиться на улицу в мороз. Поскольку вода замерзает из-за низких температур, белье должно вернуться домой в виде большого айсберга, но этого не происходит — оно возвращается абсолютно сухим. В данном процессе произошла возгонка молекул воды (сублимация).

Про принтеры. Цветные принтеры (только не лазерные) печатают путем сублимации. Вот как это работает: частицы краски быстро переходят из твердого состояния в газообразное и оседают на бумаге — так получается цветная картинка.

Рисуночки на окнах. Если вы решите проехаться на автобусе в холодную погоду — увидете на стеклах чудесные узоры. Из-за огромной разницы температур между улицей и автобусом, мы можем наблюдать процесс десублимации в виде красивых рисунков на стеклах. Иней образуется похожим способом — резкое похолодание приводит к десублимации воздуха.

Влажность воздуха: испарение и конденсация

Такие процессы, как испарение и конденсация, становятся более логичными и простыми, если их рассмотреть на примере влажности воздуха.

Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Любое количество пара в воздух не запихнешь, поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.

Допустим, зимой при температуре -20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь. Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит, что его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.

Как влажность влияет на человека

Для человека влажность очень важна, потому что мы состоим из воды на 90%. Если окружающей среде нечего испарять, она будет испарять нас. Поэтому при низкой влажности мы чувствуем сухость во рту, а при высокой — волосы впитывают влагу, разбухают и начинают виться. На этом принципе построены некоторые гигрометры — приборы для измерения влажности. Они так и называются — волосяные гигрометры. Только внутри не человеческий волос, а конский, но принцип от этого не меняется.

При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой, но при высокой влажности пот не может испариться. При испарении пота мы теряем избыточное тепло, а в данном случае этого не происходит.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно, а при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

Влажностью можно управлять. Существуют мешочки с шариками адсорбентами, которые кладут в коробки с обувью, чтобы впитать лишнюю влагу. Чтобы окна не запотевали, можно насыпать в рамы соль, которая также впитает влагу. А если вам наоборот нужно больше влаги — берем увлажнитель воздуха (классная вещь!): он добавляет в воздух водяной пар.

Источник