Почему плотность льда меньше плотности воды кратко
Обновлено: 18.05.2024
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?
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
Вода – загадочная жидкость. Это связано с тем, что большинство ее свойств являются аномальными, т.е. отличными от других жидкостей. Причина кроется в ее особой структуре, которая обусловлена водородными связями между молекулами, изменяющимися с температурой и давлением. Этими уникальными свойствами обладает и лед. Стоит сказать, что определение плотности возможно осуществить по формуле ρ = m/V. Соответственно, данный критерий возможно установить через исследование массы вещества среды на единицу объема.
Давайте рассмотрим некоторые свойства льда и воды. Например, аномалия плотности. После таяния плотность льда увеличивается, проходя через критическую отметку в 4 градуса, и только после этого начинает уменьшаться с ростом температуры. Вместе с тем в обычных жидкостях она всегда уменьшается в процессе похолодания. Этот факт находит вполне научное объяснение. Чем выше температура, тем скорость молекул больше. Это приводит к расталкиванию их друг другом, и, соответственно, вещество становится более рыхлым. Загадка воды состоит и в том, что, несмотря на увеличение скорости молекул при повышении температуры,
Однако плотность льда меньше плотности воды сразу на десять процентов. Поэтому можно говорить о том, что этот скачок аномален не только своим знаком, но еще и величиной.
Объясняются данные загадки особенностями структуры льда. Она представляет собой сетку водородных связей, где в каждом узле их четыре штуки. Поэтому сетку называют четверной. Все углы в ней равны qT, поэтому она носит название тетраэдрической. Более того, она состоит из шестичленных колец изогнутой формы.
Особенностью структуры твердой воды является то, что упакованы молекулы рыхло в ней. Если бы они находились в тесной взаимосвязи, то плотность льда была бы равна 2,0 г/см3, а в реальности она составляет 0,92 г/см3. Из этого должен был следовать вывод, что наличие больших пространственных объемов должно привести к появлению неустойчивости. На самом деле сетка не становится менее крепкой, но она может перестраиваться. Лед - настолько крепкий материал, что еще предки современных эскимосов учились строить из него свои хижины. И по сей день жители Заполярья используют ледобетон как строительный материал. Соответственно, при повышении давления структура льда меняется. Именно в этой устойчивости состоит главное свойство водородных связей сеток между молекулами Н2О. Соответственно, каждая водяная молекула и в жидком состоянии сохраняет четыре связи водорода, но при этом углы становятся отличными от qT, это и приводит к тому, что плотность льда меньше, чем у воды.
Лучше на задачу взглянуть с другой стороны. Давайте разберемся: почему при плавлении льда плотность жидкости (воды) возрастает?
Структура кристалла льда показана на рисунке ниже.
Большие шарики - кислород, маленькие - водород. Молекула воды имеет форму изогнутой гантели. При нагревании, жесткие линии, показанные на рисунке начинают рваться - и структура распадается на гантельки. Видно, что в кристалле льда много свободного места. Когда распадается кристалический каркас, то молекулы занимают пустующее место. При охлаждении воды, картина меняется на противоположную.
просто не объяснишь. у воды структура кристалла такая, что расстояния чуть больше, чем просто у плотно сваленных в кучу молекул.
Объем может быть и больше но во льду внутри сохраняются пустоты воздуха, пузырики например. а воде разве такое увидишь
Лед – это вода, но в твёрдом состоянии, это одно из наиболее странных, соблазнительных и завораживающих веществ в природе. Он всегда полон противоречий и загадок, разгадать которые до конца пока не удалось никому. Лед на первый взгляд прозрачен, но способен сиять всеми цветами радуги. Он способен разрушить камень или утопить корабли, и в то же время умеет исчезать (таять) буквально в считанные секунды. Он принимает самые разнообразные и причудливые формы – от маленькой снежинки до ледников весом в миллионы тонн, которые являются одной из самых разрушительных сил природы. Известно более 15 структурных модификаций льда. Лед есть и в космосе, и на Земле. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать лёд и что нужно знать о нём и связанных с ним физических явлениях.
Человек перемещается по поверхности Земли или пешком, или при помощи наземного транспорта: автомобиль, автобус, трамвай, поезд и так далее. Самое удивительное, что определяющей силой, благодаря которой происходит движение в обоих случаях, является сила трения. Эта сила согласно закону Амонтона-Кулона равна произведению коэффициента трения на силу нормального давления, с которой ноги человека или колеса транспорта действуют на поверхность движения:
В зимнее время все дороги, как правило, покрыты снегом, а иногда наблюдается и гололед, что существенно уменьшает коэффициент трения, помогающий нам в движении. В частности, коэффициент трения шин автомобиля уменьшается практически в два раза. Это приводит к значительному уменьшению устойчивости автомобиля на дороге, что может привести к заносу. Поэтому в зимнее время при движении по заснеженной или покрытой льдом дороге необходимо использовать специальную зимнюю резину, а для усиления еще и шипованную. Аналогичная ситуация происходит при движении человека пешком. Поэтому для предотвращения непредвиденных падений рекомендуется использовать обувь с профильной и прорезиненной подошвой, а ходить лучше по дороге, посыпанной песком, который в несколько раз увеличивает силу трения.
С другой стороны, благодаря льду и снегу, которые имеют очень маленький коэффициент трения, существую такие виды спорта, как фигурное катание, хоккей, лыжные и конькобежные виды спорта, бобслей, сноуборд и т.д. Для того чтобы было хорошее скольжение, коньки должны иметь специальную форму и быть хорошо заточенными. Кроме того, высокое давление, которое оказывают коньки на лед, превращает поверхностный лед в воду, что существенно увеличивает скольжение. После того как коньки перестали давить на лед, образовавшаяся вода опять замерзает и превращается в лед. Чтобы увеличить скорость движения на лыжах, в зависимости от погоды и состояния снега, необходимо использовать специальные мази, увеличивающие скольжение на концах лыж и увеличивающие трение по центру для лучшего отталкивания.
Образование льда из воды может происходить совершенно необычно, если взять пластиковую бутылку с водой, охлажденной до 0 0 С, и с силой поставить ее на стол, то вода начнет превращаться в лед, причем это будет происходить буквально на наших глазах. Аналогичное явление будет происходить, если в сосуд с охлажденной до 0 0 С водой бросить кусок льда. Так можно быстро превратить достаточно холодную воду в лед.
Вода – единственное вещество, плотность которого в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Молекулы воды хотя и близко расположены, но слабо связаны друг с другом, связи между ними постоянно создаются и разрушаются. При охлаждении до 0 0 С связи быстро стабилизируются, создавая гексагональную решетку – ледяной кристалл, в котором молекулы воды находятся на большем расстоянии, чем в жидком состоянии. Поэтому плотность льда меньше, чем воды. Другие вещества этим свойством не обладают, что видно из следующей таблицы:
Читайте также: