Почему плавают льды. Почему лёд не тонет в воде? — Other. Различие в замерзании воска и воды

Почему лед плавает в воде? Почему вода способна растворять так много различных веществ? Почему полотенце способно впитывать воду снизу вверх, вопреки законам тяготения? Если предположить, что вода пришла к нам из иного мира, эти и прочие загадки, окружающие воду, покажутся менее сложными для понимания.

Если бы вода вела себя как все другие вещества на земле, не было бы нас с вами.

Вода — это нечто настолько простое, что мы редко думаем о ней. Однако, нет ничего более загадочного, чем простая вода. Самая большая загадка воды: почему лед плавает. Любое другое вещество, переходя из жидкого состояния в твердое, становится более тяжелым, поскольку плотность вещества возрастает.

Вода, переходя из жидкого состояния в твердое, напротив, становиться более легкой.

В структуре льда частички воды располагаются очень упорядоченно, с большим количеством свободного пространства между частичками. Объем льда больше объема воды, из которого он образовался. Объем больше, плотность меньше — лед легче воды, поэтому в воде он не тонет. Огромные глыбы льда, айсберги — не тонут в воде.

• Когда лед снова превращается в воду, частички становятся в сотни тысяч раз более активными, а свободное пространство заполняется.

Жидкая форма воды более плотная и тяжелая, чем твердая форма. Самой тяжелой вода становится при температуре + 4°С. По мере повышения температуры, частички воды становятся более активными, что приводит к уменьшению ее плотности.

Какой бы холодной зима не стояла над водоемом, температура воды у дна постоянная: +4°С. Все, что живет на дне, может пережить длинные зимы подо льдом. Лед легче воды. Своим панцирем на поверхности воды, он защищает дно водоема от промерзания.

В океане дрейфуют полярные ледяные глыбы и айсберги, и даже в напитках лед никогда не опускается на дно. Можно сделать вывод, что лед не тонет в воде. Почему? Если подумать об этом, то этот вопрос может показаться немного странным, потому что лед твердый и — интуитивно — должен быть тяжелее жидкости. Хотя это утверждение справедливо для большинства веществ, вода является исключением из правила. Воду и лед отличают водородные связи, которые в твердом состоянии делают лед легче, чем когда он находится в жидком состоянии.

Вопрос научный: почему лед не тонет в воде

Представим, что мы находимся на уроке под названием «Окружающий мир» в 3 классе. «Почему лед не тонет в воде?», — спрашивает учительница у детей. И малыши, не имея глубоких познаний в физике, начинают рассуждать. «Возможно, это магия?» — заявляет один из детей.

Действительно, лед крайне необычен. Практически нет никаких других естественных веществ, которые в твердом состоянии могли бы плавать на поверхности жидкости. Это одно из свойств, которое делает воду таким необычным веществом и, если признаться, именно оно изменяет пути эволюции планет.

Существуют некоторые планеты, которые содержат огромное количество таких жидких углеводородов, как, например, аммиак — тем не менее, при замерзании этот материал опускается на дно. Причина того, почему лед не тонет в воде, заключается в том, что при замерзании вода расширяется, и вместе с этим понижается ее плотность. Интересно, расширение льда может разбить камни — настолько необычен процесс оледенения воды.

Говоря научным языком, в процессе замерзания устанавливаются быстрые циклы выветривания и определенные химические вещества, выделяемые на поверхности способны растворять минералы. В целом, с замерзанием воды связаны такие процессы и возможности, которых физические свойства других жидкостей не предполагают.

Плотность льда и воды

Таким образом, ответ на вопрос о том, почему лед не тонет в воде, а плавает на поверхности, заключается в том, что он имеет более низкую плотность, чем жидкость — но это ответ первого уровня. Для лучшего понимания нужно знать, почему у льда низкая плотность, почему вещи всплывают в первую очередь, как плотность приводит к плаванию.

Вспомним греческого гения Архимеда, который выяснил, что после погружения определенного предмета в воду объем воды увеличивается на число, равное объему погружаемого объекта. Другими словами, если вы положите глубокое блюдо на поверхность воды, а затем поместите в него тяжелый предмет, то объем воды, который нальется в блюдо, будет точно равен объему объекта. Не имеет значения, объект погружается полностью или частично.

Свойства воды

Вода — это удивительное вещество, которое в основном питает жизнь на земле, ведь каждый живой организм нуждается в ней. Одним из наиболее важных свойств воды является то, что она обладает наивысшей плотностью при температуре 4 °C. Так, горячая вода или лед являются менее плотными, чем холодная вода. Менее плотные вещества плавают поверх более плотных веществ.

Например, во время приготовления салата, можно заметить, что масло находится на поверхности уксуса — это можно объяснить тем, что оно обладает меньшей плотностью. Этот же закон действителен и для объяснения того, почему в воде лед не тонет, а в бензине и керосине — тонет. Просто эти два вещества обладают меньшей, чем у льда, плотностью. Так, если вы запустите в бассейн надувной мячик, он будет плавать на поверхности, если же вы бросите в воду камень — он опустится на дно.

Какие изменения происходят с водой при замерзании

Причина того, почему лед не тонет в воде, связана с водородными связями, которые изменяются при замерзании воды. Как известно, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Они прикреплены ковалентными связями, которые невероятно сильны. Однако другой тип связи, который образуется между различными молекулами, называемый водородной связью, слабее. Эти связи образуются потому, что положительно заряженные атомы водорода притягиваются отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды.

Когда вода теплая, молекулы очень активны, много перемещаются, быстро образуют и разлагают связи с другими молекулами воды. У них есть энергия, чтобы приближаться друг к другу и двигаться быстро. Итак, почему лед не тонет в воде? Химия скрывает ответ.

Физико-химия льда

По мере того, как температура воды опускается ниже 4 °C, кинетическая энергия жидкости уменьшается, поэтому молекулы больше не перемещаются. У них нет энергии для перемещения и такого же легкого, как при высокой температуре, разрыва и формирования связей. Вместо этого они образуют больше водородных связей с другими молекулами воды с образованием гексагональных структур решетки.

Они образуют эти структуры, чтобы поддерживать отрицательно заряженные молекулы кислорода друг от друга. В середине шестиугольников, образуемых в результате деятельности молекул, много пустоты.

Лед тонет в воде — причины

Лед фактически на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Поэтому лед занимает больше места, чем вода. Практически это имеет смысл, потому что лед расширяется. Вот почему не рекомендуют замораживать стеклянную бутылку воды — замороженная вода может создавать большие трещины даже в бетоне. Если у вас есть литровая бутылка льда и литровая бутылка воды, тогда бутылка с ледяной водой будет легче. Молекулы находятся дальше друг от друга в этой точке, чем когда вещество находится в жидком состоянии. Вот почему лед не тонет в воде.

Когда лед тает, стабильная кристаллическая структура разрушается и становится плотнее. Когда вода прогревается до 4 °C, она получает энергию, и молекулы движутся быстрее и дальше. Именно по этой причине горячая вода занимает больше места, чем холодная вода, и плавает поверх холодной воды — она обладает меньшей плотностью. Вспомните, когда вы находитесь на озере, во время купания верхний слой воды всегда приятный и теплый, однако когда вы опускаете свои ноги глубже, ощущаете холод нижнего слоя.

Значение процесса замерзания воды в функционировании планеты

Несмотря на то что вопрос «Почему лед не тонет в воде?» для 3 класса, очень важно понимать, почему этот процесс происходит и какое имеет значение для планеты. Так, плавучесть льда имеет важные последствия для жизни на Земле. Озера замерзают зимой в холодных местах — это позволяет рыбе и другим водным животным выживать под ледяным покрывалом. Если бы замерзло дно, то высока вероятность того, что все озеро могло бы быть заморожено.

В таких условиях в живых не осталось бы ни единого организма.

Если бы плотность льда была выше плотности воды, то в океанах лед бы опустился, и ледяные шапки, которые в таком случае находились бы на дне, не позволили бы кому-либо там жить. На дне океана было бы полно льда — и во что бы это все превратилось? Кроме всего прочего, полярный лед важен, поскольку он отражает свет и предохраняет планету Земля от чрезмерного перегревания.

Каждый из нас наблюдал, как весной на речке плавают ледяные пластины. Но почему же они не тонут ? Что удерживает их на водной глади?

Складывается впечатление, что несмотря на их вес, что-то просто не даёт им опуститься вниз. Суть этого загадочного явления и собираюсь раскрыть.

Почему же лёд не тонет

Всё дело в том, что вода - очень необычные вещество . Она обладает удивительными свойствами, которые мы порой просто не замечаем.

Как известно, почти все вещи в мире расширяются при нагревании и сужаются при охлаждении. Это правило распространяется и на воду, но с одним интересным замечанием: при охлаждении от +4°С до 0°С вода начинает расширяться . Этим и объясняется низкая плотность ледяных масс. Расширенная от явления выше вода становится легче той, в которой находится , и начинает дрейфовать на её поверхности.

Чем опасен такой лёд

Описанное выше явление часто встречается в природе и быту. Но если начать забывать о нём, то оно может стать источником многих проблем. Например:

• зимой от замёрзшей воды могут лопнуть водопроводные трубы ;

• эта же вода, замерзая в горных трещинах, способствует разрушению пород , вызывая горные обвалы;
• нельзя забывать сливать воду с автомобильного радиатора , чтобы избежать вышеописанных ситуаций.

Но есть и положительные моменты. Ведь если бы вода не обладала такими удивительными свойствами, то не было бы такого вида спорта, как катание на коньках . Под тяжестью тела человека лезвие у конька так сильно давит на лёд, что тот просто тает, создавая водяную плёнку, идеальную для скольжения.

Вода в океанических глубинах

Ещё одним интересным моментом является то, что даже несмотря на нулевую температуру в океанических (или морских) глубинах, вода там не замерзает , не становится ледяной глыбой. Почему это происходит? Тут всё дело в давлении , которое оказывают верхние водные слои.

Вообще, давление способствует затвердеванию различных жидкостей. Оно вызывает сокращение объёма тела, значительно облегчая её переход в твёрдое состояние. Но вода при замерзании не уменьшается в объёмах, а наоборот, увеличивается. И поэтому давление, препятствуя водному расширению, снижает температуру её замерзания .

Это всё, что я могу рассказать об этом интересном явлении. Надеюсь, вы узнали для себя что-нибудь новое. Удачи в путешествиях!

Все знают, что лёд - это замёрзшая вода, правильнее сказать, пребывающая в твёрдом агрегатном состоянии. Но почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности?

Вода - необычное вещество, обладающее редкими, даже аномальными свойствами. В природе большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39 ºС, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.

Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно +4 ºС до 0 ºС она расширяется. Вот почему зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замёрзла и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.

Расширение воды

Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (т. е. её твёрдой формы) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный объём льда весит меньше, чем тот же объём воды. Сказанное отражает формула m = ρV, где V - объём тела, m - масса тела, ρ - плотность вещества. Между плотностью и объёмом существует обратно пропорциональная зависимость (V = m/ρ), т. е. при увеличении объёма (при охлаждении воды) одна и та же масса будет иметь меньшую плотность. Данное свойство воды приводит к формированию льда на поверхности водоёмов - прудов и озёр.

Предположим, что плотность воды равна 1. Тогда лёд будет иметь плотность равную 0,91. Благодаря этой цифре мы можем узнать толщину льдины, которая плывет по воде. Например, если льдина имеет высоту над водой 2 см, то можно сделать вывод, что её подводный слой в 9 раз толще (т. е. 18 см), а толщина всей льдины - 20 см.

В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют огромные размеры. Самым крупным из известных человеку считается айсберг с площадью поверхности 31 000 кв. километров, который был обнаружен в 1956 году в Тихом океане.

Каким образом вода в твёрдом состоянии увеличивает свой объём? За счёт изменения своей структуры. Ученые доказали, что лёд имеет ажурное строение с полостями и пустотами, которые при плавлении заполняются молекулами воды.

Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.

Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже 0 ºС, и тем не менее она не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около 100 атмосфер.

Сравнение плотности воды и льда

Может ли плотность воды быть меньше плотности льда и означает ли это, что он утонет в ней? Ответ на данный вопрос утвердительный, что легко доказать следующим экспериментом.

Возьмём из морозильной камеры, где температура равна -5 ºС, кусок льда величиной в треть стакана или немного больше. Опустим его в ведро с водой температурой +20 ºС. Что мы наблюдаем? Лёд быстро погружается и тонет, постепенно начиная таять. Это происходит потому, что вода температурой +20 ºС имеет меньшую плотность по сравнению со льдом температурой -5 ºС.

Существуют модификации льда (при высоких температурах и давлениях), которые ввиду большей плотности будут в воде тонуть. Речь идёт о так называемом «тяжёлом» льде - дейтериевом и тритиевом (насыщенном тяжёлым и сверхтяжёлым водородом). Несмотря на наличие таких же пустот, как в протиевом льде, он утонет в воде. В противовес «тяжёлому» льду, протиевый лишён тяжёлых изотопов водорода и содержит 16 миллиграммов кальция на литр жидкости. Процесс его приготовления предполагает очищение от вредных примесей на 80%, благодаря чему протиевая вода считается наиболее оптимальной для жизнедеятельности человека.

Значение в природе

Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.

Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается. Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей.

Таким образом, +4 ºС - температура максимальной плотности воды - это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.

Применение в быту

Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.

А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках - большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.

Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.

Различие в замерзании воска и воды

Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.

Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.

Вода с примесью соли

Добавление поваренной соли к воде снижает точку её замерзания. Именно по этой причине зимой дороги посыпают солью. Солёная вода замерзает при температуре -8 °С и ниже, поэтому пока температура не упадёт как минимум до этой точки, замерзания не происходит.

Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лёд тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая её. При этом поглощается столько тепла, что температура может упасть ниже -15 °С.

Универсальный растворитель

Чистая вода (молекулярная формула H 2 0) не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Молекула воды состоит из водорода и кислорода. При попадании в воду других веществ (растворимых и нерастворимых в воде) происходит её загрязнение, поэтому в природе нет абсолютно чистой воды. Все вещества, которые встречаются в природе, в разной степени могут растворяться в воде. Это определяется их уникальными свойствами - растворимостью в воде. Поэтому вода считается «универсальным растворителем».

Гарант стабильной температуры воздуха

Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоёмкости, но, тем не менее, процесс остывания происходит намного медленнее. Это даёт возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям. Высвобождение тепла происходит в зимний период, благодаря чему нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря – это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории Земли.

Поверхностное натяжение

Вывод

Тот факт, что лёд не тонет, а плавает на поверхности, объясняется его меньшей плотностью по сравнению с водой (удельная плотность воды 1000 кг/м³, льда - около 917 кг/м³). Данный тезис справедлив не только в отношении льда, но и любого другого физического тела. Например, плотность бумажного кораблика или осеннего листка намного ниже плотности воды, что и обеспечивает их плавучесть.

Тем не менее, свойство воды иметь в твёрдом состоянии меньшую плотность является большой редкостью в природе, исключением из общего правила. Аналогичными свойствами обладают лишь металл и чугун (сплав металла железа и неметалла углерода).

Лед и вода.
Известно, что кусок льда, помещенный в стакан с водой, не тонет. Это происходит потому, что на лед со стороны воды действует выталкивающая сила.

Рис. 4.1. Лёд в воде.

Как видно из рис. 4.1, выталкивающая сила является результирующей сил давления воды, действующих на поверхность погруженной под воду части льда (на рис. 4.1 заштрихованная область). Лед плавает на воде, так как сила тяжести, тянущая его ко дну, уравновешивается выталкивающей силой.
Представим себе, что льда в стакане нет, а заштрихованная на рисунке область заполнена водой. Здесь между водой, находящейся в пределах этой области и вне ее, не будет границы раздела. Однако и в этом случае выталкивающая сила и сила тяжести, действующие на воду, заключенную в заштрихованной области, уравновешивают друг друга. Так как в обоих рассмотренных выше случаях выталкивающая сила остается неизменной, то это значит, что сила тяжести, действующая на кусок льда и па воду в пределах вышеуказанной области, одинакова. Другими словами, они имеют равный вес. Правильно также и то, что масса льда равна массе воды в заштрихованной области.
Растаяв, лед превратится в воду той же массы и заполнит объем, равный объему заштрихованной области. Поэтому уровень воды в стакане с водой и куском льда после того, как лед растает, не изменится.
Жидкое и твердое состояния.
Теперь мы знаем, что объем куска льда больше объема, занимаемого водой равной массы. Отношение массы вещества к занимаемому им объему называют плотностью данного вещества. Следовательно, плотность льда меньше плотности воды. Их численные значения, измеренные при 0 °С, составляют: для воды - 0,9998, для льда - 0,917 г/см3. Не только лед, но и другие твердые тела при нагревании достигают определенной температуры, при которой начинается их переход в жидкое состояние. В случае плавления чистого вещества его температура при нагревании не начнет повышаться, пока вся его масса не перейдет в жидкое состояние. Эта температура называется точкой плавления данного вещества. После того как плавление закончилось, нагревание будет приводить к дальнейшему повышению температуры жидкости. Если жидкость охладить, понижая температуру до точки плавления, начнется переход ее в твердое состояние.
Для большинства веществ, в отличие от случая со льдом и водой, плотность в твердом состоянии выше, чем в жидком. Например, аргон, обычно находящийся в газообразном состоянии, при температуре-189,2 °С затвердевает; плотность твердого аргона 1,809 г/см3 (в жидком состоянии плотность аргона 1,38 г/см3). Итак, если сравнивать плотность вещества в твердом состоянии при температуре, близкой к точке плавления, с плотностью его в жидком состоянии, то окажется, что в случае аргона она уменьшается на 14,4%, а в случае натрия - на 2,5%.
Изменение плотности вещества при переходе через точку плавления для металлов обычно невелико, за исключением алюминия и золота (соответственно 0 и 5,3 %). Для всех этих веществ, п отличие от воды, процесс затвердевания начинается не па поверхности, а иа дне.
Существуют, однако, металлы, плотность которых при переходе в твердое состояние уменьшается. К ним относятся сурьма, висмут, галлий, для которых это уменьшение составляет, соответственно, 0,95, 3,35 и 3,2 %. Галлий, температура плавления которого равна -29,8 °С, вместе со ртутью и цезием относится к классу легкоплавких металлов.
Различие между твердым и жидким состояниями вещества.
В твердом состоянии, в отличие от жидкого, молекулы, из которых состоит вещество, расположены упорядоченно.

Рис. 4.2. Различие между жидким и твердым состояниями вещества

На рис. 4.2(справа) приведен пример плотной упаковки молекул (условно изображены кружочками), характерной для вещества в твердом состоянии. Рядом приведена неупорядоченная структура, характерная для жидкости. В жидком состоянии молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, обладают большей свободой перемещения, и, как следствие, вещество в жидком состоянии легко изменяет свою форму, то есть обладает таким свойством, как текучесть.
Для текучих веществ, как уже отмечалось выше, характерно беспорядочное расположение молекул, однако не все вещества, имеющие такую структуру, способны течь. Примером является стекло, молекулы которого располагаются беспорядочно, однако текучестью оно не обладает.
Кристаллическими называются вещества, молекулы которых располагаются упорядоченно. В природе существуют вещества, кристаллы которых имеют характерный для них вид. К их числу относятся кварц и лед. Твердые металлы, такие как железо и свинец, в природе в виде больших кристаллов не встречаются. Однако, изучая их поверхность под микроскопом, можно различить скопления небольших кристалликов, как это видно на фотографии (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Микрофотография поверхности железа.

Существуют специальные методы, позволяющие получать большие кристаллы металлических веществ.
Каких бы размеров ни были кристаллы, общим для них является упорядоченное расположение молекул. Для них характерно также существование совершенно определенной точки плавления. Это значит, что температура плавящегося тела при нагревании не увеличивается до тех пор, пока оно полностью не расплавится. У стекла, в отлично от кристаллических веществ, нет определенной температуры плавления: при нагревании оно постепенно размягчается и превращается в обычную жидкость. Таким образом, точка плавления соответствует температуре, при которой разрушается упорядоченное расположение молекул и кристаллическая структура переходит в неупорядоченную. В заключение отметим еще одно интересное свойство стекла, объясняющееся отсутствием у него кристаллической структуры: приложив к нему долговременное растягивающее усилие, например па срок, равняющийся 10 годам, мы убедимся, что стекло течет подобно обыкновенной жидкости.
Упаковка молекул.
Используя рентгеновское излучение и электронный пучок, можно изучать, каким образом располагаются молекулы в кристалле. У рентгеновского излучения длина волны намного меньше, чем у видимого света, поэтому оно может дифрагировать на геометрически правильной кристаллической структуре атомов или молекул. Зарегистрировав на фотопластинке дифракционную картину (рис. 4.4), можно установить расположение атомов в кристалле. Используя этот же метод для жидкостей, можно убедиться, что молекулы в пей расположены неупорядоченно.

Рис. 4.4. Дифракция рентгеновских лучей на периодической структуре.
Рис. 4.5. Два способа плотной упаковки шариков.

Молекулы твердого тела, находящегося в кристаллическом состоянии, располагаются довольно сложно относительно друг друга. Сравнительно просто выглядит структура веществ, состоящих из атомов или молекул одного вида, как, например, кристалл аргона, представленный на рис. 4.5(слева), где шариками условно обозначены атомы. Плотно заполнить определенный объем пространства шариками можно различными способами. Такая плотная упаковка возможна благодаря наличию сил межмолекулярного притяжения, которые стремятся расположить молекулы так, чтобы занимаемый ими объем был минимальным. Однако в действительности структура на рис. 4.5 (справа) не встречается; дать объяснение этому факту непросто.
Так как представить себе различные способы размещения шариков в пространстве довольно трудно, рассмотрим, каким образом можно плотно расположить монеты на плоскости.

Рис. 4.6. Упорядоченное расположение монет на плоскости.

На рис. 4.6 представлены два таких способа: при первом - каждая молекула соприкасается с четырьмя соседними, центры которых являются вершинами квадрата со стороной d, где d - диаметр монеты; при втором - каждая монета соприкасается с шестью соседними. Пунктирными линиями на рисунке ограничена площадь, занимаемая одной монетой. В первом случае
она равна d 2 , а повтором эта площадь меньше и равна √3d 2 /2 .
Второй способ размещения монет существенно уменьшает зазор между ними.
Молекула внутри кристалла. Цель исследования кристаллов - установить, как расположены в них молекулы. Кристаллы таких металлов, как золото, серебро, медь устроены подобно кристаллам аргона. В случае металлов следует говорить об упорядоченном расположении ионов, а не молекул. Атом меди, например, теряя один электрон, превращается в отрицательно заряженный ион меди. Электроны же совершают свободное движение между ионами. Если ионы условно представить в виде шариков, получим структуру, характеризующуюся плотной упаковкой. Кристаллы таких металлов, как натрий и калий по структуре от меди несколько отличаются. Молекулы СО 2 и органических соединений, состоящие из разных атомов, нельзя представить в виде шариков. Переходя в твердое состояние, они образуют чрезвычайно сложную кристаллическую структуру.

Рис. 4.7. Кристалл "сухого льда" (большие крупные шарики - атомы углерода)

На рис. 4.7 представлены кристаллы твердого СО2, называемые сухим льдом. Алмаз, не являющийся химическим соединением, тоже имеет особую структуру, так как между атомами углерода образуются химические связи.
Плотность жидкости. При переходе в жидкое состояние молекулярная структура вещества становится неупорядоченной. Этот процесс может сопровождаться как уменьшением, так и увеличением объема, занимаемого данным веществом в пространстве.


Рис. 4.8. Модели из кирпичей, соответствующие структуре воды и твердого тела.

В качестве иллюстрации рассмотрим представленное на рис. 4.8 строение из кирпича. Пусть каждый кирпич соответствует одной молекуле. Кирпичное строение, разрушенное землетрясением, превращается в груду кирпича, размеры которой меньше, чем были у здания. Однако, если все кирпичи аккуратно сложить один к одному, объем занимаемого ими пространства станет еще меньшим. Подобная взаимосвязь существует между плотностью вещества в твердом и жидком состояниях. Кристаллам меди и аргона можно поставить в соответствие изображенную плотную упаковку кирпичей. Жидкое состояние в них соответствует груде кирпичей. Переход из твердого состояния в жидкое в этих условиях сопровождается уменьшением плотности.
В то же время переход от кристаллической структуры с большими межмолекулярными расстояниями (которой соответствует здание из кирпича) к жидкому состоянию сопровождается увеличением плотности. Однако в действительности многие кристаллы при переходе в жидкое состояние сохраняют большие межмолекулярные расстояния.
Для сурьмы, висмута, галлия и других металлов, в отличие от натрия п меди, не характерна плотная упаковка. Из-за больших межатомных расстояний при переходе в жидкую фазу их плотность возрастает.

Структура льда.
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных по разные стороны от него. В отличие от молекулы углекислого газа, у которой атом углерода и два атома кислорода располагаются вдоль одной прямой, у молекулы воды линии, соединяющие атом кислорода с каждым из атомов водорода, образуют между собой угол 104,5°. Поэтому между молекулами воды существуют силы взаимодействия, имеющие электрическую природу. Кроме того, благодаря особым свойствам атома водорода, при кристаллизации вода образует структуру, в которой каждая молекула связана с четырьмя соседними. Упрощенно эта структура представлена на рис. 4.9. Большими шариками обозначены атомы кислорода, маленькими черными - атомы водорода.

Рис. 4.9. Кристаллическая структура льда.

В этой структуре реализуются большие межмолекулярные расстояния. Поэтому, когда лед плавится и структура разрушается, объем, приходящийся на одну молекулу, уменьшается. Это приводит к тому, что плотность воды выше плотности льда и лед может плавать па воде.

Исследование 1
ПОЧЕМУ ПЛОТНОСТЬ ВОДЫ САМАЯ ВЫСОКАЯ ПРИ 4 °С?

Водородная связь и тепловое расширение. Растаяв, лед превращается в воду, плотность которой выше, чем у льда. При дальнейшем повышении температуры воды се плотность увеличивается до тех пор, пока температура не достигнет 4 °С. Если при 0°С плотность воды равна 0,99984 г/см3, то при 4 °С она составляет 0,99997 г/см3. Дальнейшее повышение температуры вызывает уменьшение плотности и при 8°С она опять будет иметь то же значение, что и при 0 °С.

Рис. 4.10. Кристаллическая структура льда (большие шарики - атомы кислорода).

Это явление связано с наличием у льда кристаллической структуры. Со всеми подробностями она приведена на рис. 4.10, где для наглядности атомы изображены в виде шариков, а химические связи обозначены сплошными линиями. Особенностью структуры является то, что атом водорода находится всегда между двумя атомами кислорода, располагаясь ближе к одному из них. Таким образом, атом водорода способствует возникновению силы сцепления между двумя соседними молекулами воды. Эта сила сцепления называется водородной связью. Так как водородные связи возникают только в определенных направлениях, расположение молекул воды в куске льда близко к тетраэдрическому. Когда лед, растаяв, превращается в воду, значительная часть водородных связей не разрушается, благодаря чему сохраняется структура, близкая к тетраэдрической с характерными для нее большими межмолекулярными расстояниями. С повышением температуры растет скорость поступательного и вращательного движения молекул, в результате чего рвутся водородные связи, межмолекулярное расстояние уменьшается и увеличивается плотность воды.
Однако параллельно этому процессу при повышении температуры происходит тепловое расширение воды, которое вызывает уменьшение ее плотности. Влияние этих двух факторов приводит к тому, что максимальная плотность воды достигается при 4 °С. При температуре выше 4°С фактор, связанный с тепловым расширением, начинает преобладать и плотность опять уменьшается.

Исследование 2
ЛЕД ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ИЛИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ

Разновидности льда. Так как при кристаллизации воды межмолекулярные расстояния увеличиваются, плотность льда меньше, чем плотность воды. Если кусок льда подвергнуть действию высокого давления, то можно ожидать, что межмолекулярное расстояние уменьшится. Действительно, подвергнув лед при 0°С действию давления 14 кбар (1 кбар = 987 атм), получаем лед с другой кристаллической структурой, плотность которого 1,38 г/см3. Если находящуюся под таким давлением воду охлаждать при определенной температуре, она начнет
кристаллизоваться. Так как плотность такого льда выше, чем у воды, кристаллики не могут удержаться на ее поверхности и опускаются на дно. Таким образом, вода в сосуде кристаллизуется, начиная со дна. Такая разновидность льда получила название лед VI; обычный лед - лед I.
При давлении 25 кбар и температуре 100 °С вода затвердевает, превращаясь в лед VII с плотностью, равной 1,57 г/см3.

Рис. 4.11. Диаграмма состояний воды.

Изменяя температуру и давление, можно получить 13 разновидностей льда. Области изменения параметров показаны на диаграмме состояний (рис. 4.11). По этой диаграмме можно определить, какая разновидность льда соответствует заданным температуре и давлению. Сплошные линии соответствуют таким температурам и давлениям, при которых сосуществуют две различные структуры льда. Наибольшую плотность 1,83 г/см3 среди всех разновидностей льда имеет лед VIII.
При сравнительно низком давлении, 3 кбар, существует лед II, плотность которого тоже выше, чем у воды, и составляет 1,15 г/см3. Интересно отметить, что при температуре-120 °С кристаллическая структура исчезает и лед переходит в стекло-образное состояние.
Что касается воды и льда I, то из диаграммы видно, что по мере увеличения давления температура плавления падает. Так сак плотность воды выше, чем у льда, переход «лед - вода» сопровождается уменьшением объема, а приложенное извне давление только ускоряет этот процесс. У льда III, плотность которого выше, чем у воды, ситуация прямо противоположная - его температура плавления растет по мере повышения давления.