§ 13. Незвичайні властивості води. Атмосфера

Вода - одна з найпоширеніших і найстій-кіших сполук водню і кисню. Вона входить до складу комет, планет Сонячної системи та їх супутників. З усіх планет Сонячної системи Земля найбагатша на воду, більша частина поверхні нашої планети вкрита водою (мол. 13.1).

Вода відіграє особливу роль у живій і неживій природі завдяки своїм унікальним властивостям. Тіло людини майже на 70% складається з води. Цілі наукові інститути в різних країнах світу вивчають властивості води.

Ми вже звертали вашу увагу на незвичайну будову молекули води (перший параграф). Два атоми Гідрогену в ній несиметрично зміщені в один бік. Атом Оксигену відтягує електрони, які належать Гідрогену, до себе, і набуває негативного заряду, а Гідроген, відповідно - позитивного. Молекула води є диполем, тобто має два електричних полюси, оскільки на протилежних її кінцях знаходяться різнойменні заряди (мол. 13.2). Ще кажуть, що молекула води поляризована.

Завдяки поляризованості молекули води сильно взаємодіють між собою через атоми Гідрогену і Оксигену (мол. 13.3). З цієї ж причини вони добре взаємодіють з деякими іншими молекулами (азот, фтор). При цьому кут H - O - H може змінюватися від 105 до 180°. Вода може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Річки, озера, моря й океани складаються з води, хмари - з краплинок води і кристаликів льоду, полярні пояси планети покриті шаром льоду.

При температурі, нижчій за 4°С, коефіцієнт об'ємного розширення води від'ємний. Це означає, що вона при охолодженні від 4°С

до нуля - розширюється. При перетворенні в лід її об'єм також збільшується. Це видно по густині: густина води 1 г/см₃, а льоду - 0,9 г/см³. Тому у водоймах при охолодженні води нижче за 4°С холодна вода піднімається до поверхні за рахунок конвекції, а тепла - опускається вниз. Це дозволяє рибам вижити взимку. Замерзати вода також починає з поверхні, і лід, який має густину меншу ніж вода, плаває в ній. Лід і вода погано проводять тепло, і тому річки, ставки й озера рідко промерзають на велику глибину.

Теплоємність води майже вдвічі більша, ніж у льоду або пари, і в інтервалі O-IOO⁰C майже не залежить від температури. Завдяки великій теплоємності вода і лід сповільнюють зміни температури в природі і цим стабілізують клімат. Цукор і сіль легко розчиняються у воді, тому що поляризованість молекул робить воду добрим розчинником, про це ми добре знаємо з власного досвіду.

Структура води

Молекули у воді утворюють на невеликих відстанях структуру, що схожа на кристалічну ґратку зі своєрідною «елементарною коміркою» (мал. 13.4). Вказана структура води була встановлена ще в 1933 р. Вона добре пояснює особливі властивості води. Наприклад, збільшення густини води в інтервалі 0-4°С пояснюється збільшенням довжини сторін елементарної комірки при підвищенні температури. При цьому всередину комірки може поміститися ще одна молекула. Це зумовлює більш щільну упаковку атомів у ґратці і зростання густини води. Після 4°С подальше збільшення сторони комірки приводить уже до зменшення густини.

Лід

У фантастичному бестселері Курта Воннегута «Колиска для кішки» головний герой винайшов нову модифікацію льоду - лід-9. Ця речовина, якщо її вкинути у воду, викликала її кристалізацію при температурах, вищих за нуль. Речовина потрапила у воду, всі річки, моря й океани замерзли, що викликало масу нещасть. Під час написання роману було відомо тільки вісім різновидів льоду, а лід-9 письменник вигадав. Нині науці відомо близько двадцяти модифікацій кристалічної ґратки льоду. Однак такого різновиду, який зберігає кристалічну форму при додатних температурах і нормальному тиску, все ще не знайшли.

Звичайний, добре знайомий нам лід—I h (модифікація I h) існує при нормальному атмосферному тиску при температурах 0°С і нижче. Це молекулярний кристал із гексагональною (молекули утворюють шестикутники) кристалічною

ґраткою (мал. 13.5). Густина цього льоду при 0°С дорівнює 0,917 г/см³. Решта модифікацій льоду мають густину більшу за одиницю.

Лід-1с має кубічну ґратку, густину 0,94 г/ см³, стабільний при температурі -93°С і нормальному тиску. Лід—2: густина 1,18 г/см³, стабільний при температурі -33°С і тиску 2,1 атм. Лід—3: густина 1,15 г/см³, стабільний при -22°С і тиску 2 атм. Ці різновиди льоду були відомі до 1935 р.

В 1953 р. було отримано лід-7 при тиску 25 000 атм (1,65 г/см³, + 25°С, ґратка кубічна) і ще три модифікації при тисках 3500 атм, 6400 атм і 22 000 атм. Лід-5 стабільний при 8 000 атм і температурі -Л°С, лід-6 - при 8 000 атм і температурі +15°С. Існує також «гарячий лід», який стабільний при температурі + 80°С і тиску 22 000 атм. Крім того, існує ще аморфний лід.

Різноманітність модифікацій кристалічних ґраток льоду частково пояснюється існуванням не тільки трансляційної (правильна ґратка), а й орієнтаційної (певних напрямів орієнтації молекул у просторі, адже вони не симетричні) симетрії кристалів.

ДОСЛІД 13.1

Наберіть у непотрібні скляну і пластикову ампули (чи невеликі пляшки) води і помістіть їх у морозильну камеру холодильника, попередньо помістивши в картонну коробочку. Скляна ампула трісне, а пластикова - ні. Акуратно приберіть уламки скла. Поясніть дослід.

ЦІКАВО ЗНАТИ

•    «Холодний вибух»: на морозі в скелі, яку треба зруйнувати, свердлять отвір і заливають у нього воду. Коли вода замерзає, вона розширюється, і скеля дає тріщину. Цим ефектом пояснюється також поступове руйнування гірських порід.

•    Навіть у газоподібному стані молекули води можуть утворювати невеликі групи з декількох молекул - кластери.

ДОСЛІД Ί3.2

Виготуйте в морозильній камері холодильника льодяний брусок діаметром 2,5 см і довжиною 15 см. Потім установіть цей брусок горизонтально на двох дерев'яних підставках (мал.

13.6). Надіньте на брусок петлю з тонкого дроту (без ізоляції) і підвісьте на ньому вантаж масою близько 0,5 кг (можна і більше). Через деякий час ви побачите

дивний результат: вантаж з петлею переріже брусок і впаде на стіл, а льодяний брусок залишиться цілим. Проведіть такий самий дослід, взявши замість дроту риболовну волосінь - нічого не вийде, тобто вона не переріже лід. Поясніть досліди.

ДОСЛІД Ί3.3

Погана теплопровідність води може бути продемонстрована на простому досліді. У пробірку наливають воду, на дно кидають і фіксують (подумайте як) кубик льоду. Потім, нахиливши, закріплюють її і верхню частину пробірки нагрівають на спиртівці. Вода в цьому місці може довго кипіти, а лід не танутиме. Який другий чинник дозволяє льодові довго не танути?

Водяна пара

Ми спостерігаємо воду у трьох агрегатних станах: твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Ріки, озера, моря і океани складаються з води, хмари складаються з крапельок води, водяної пари і кристаликів льоду. Полярні області планети покриті шаром льоду. Водяна пара в атмосфері перевищує за масою ресурси всіх рік та озер. На великих висотах холодно і водяна пара, яка туди піднялася, скраплюється, утворюючи хмари (мал. 13.7). У хмарах темного кольору крапельки води мають більший розмір.

ДОСЛІД 13.4

Якщо у сильний мороз виплеснути окріп з каструлі на вулицю, то він не долетить до землі, а утворить туман і невеликий снігопад.

ТВОРЧІЗАВДАННЯ

13.1.    а)Поясніть утворення білого сліду за реактивним літаком, б) Чому цей слід не утворюється, коли літак летить низько? в) Чому цей слід складається іноді з двох і більше полос?

13.2.    Іноді стверджують, що ковзани так легко ковзають по льоду, бо поверхня льоду починає плавитися під великим тиском гострих лез. На основі матеріалу цього параграфу це твердження можна легко спростувати. Висуньте принаймні дві власні гіпотези, які пояснюють слизькість льо-ДУ·

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Завдяки поляризованості молекул води, вони взаємодіють між собою через атоми Гідрогену і Оксигену, утворюючи структури ближнього порядку.

При температурі, нижчій за A⁰C₁коефіцієнт об'ємного розширення води від'ємний.

Нині науці відомо близько двадцяти модифікацій кристалічної ґратки льоду.

Водяна пара в атмосфері перевищує за масою ресурси всіх рік та озер.

ВПРАВА №13

1.    Чому не можна допускати заморожування водопроводу і систем опалення?

2.    Як впливає будова молекули води на її властивості?

3.    Чому вода відіграє таку важливу роль у живій природі?

4.    Чому лід плаває на поверхні води?

5.    Через що клімат біля морів та океану не зазнає різких змін?

6.    Як впливають особливості води та льоду на живі організми?

7.    Якщо у прикладі льоду-7 вважати, що температура плавлення рівномірно збільшується з ростом тиску, то на скільки потрібно збільшити тиск, щоб температура плавлення льоду зросла на ГС?

8.    Чому взимку запотівають вікна в пасажирському транспорті?

9.    Чому запотівають окуляри, якщо в морозну погоду зайти з вулиці в квартиру?

10.    Звідки починає замерзати вода в ставку: з поверхні чи від дна?

11.    Якщо металічні труби, наповнені водою, тріскають на морозі, то чому не руйнуються волокна дерев за тих самих умов?

12.    Чому при сильних морозах змагання на лижах і ковзанах відміняють?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка