Лед: обычный и необычный
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:
Источник
5 аномальных фактов о воде
Несмотря на простую химическую формулу, вода — вещество с очень необычными свойствами. Она таит в себе множество загадок, которые порой не под силу разгадать даже ученым.
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую — холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо.
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O, становится H1.5O!
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.
Источник
Аномальная плотность льда и воды
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, 
понижение ее плотности происходит только при высоких температурах.
Вторая загадка заключается в вопросах: «Почему лед может плавать на поверхности воды?», «Почему она в реках не замерзает до дна?» Дело в том, что плотность льда оказывается ниже, чем у воды. А в процессе плавления любой другой жидкости ее плотность оказывается меньшей, нежели у кристалла. Это связано с тем, что в последнем молекулы обладают некой периодичностью и расположены регулярно. Это характерно для кристаллов любых веществ. Однако, кроме этого, у них молекулы «упакованы» достаточно плотно. В процессе плавления кристалла регулярность исчезает, что возможно только при менее плотной связи молекул. Соответственно, плотность вещества уменьшается в процессе плавления. Но меняется этот критерий совсем немного, например, при плавке металлов он понижается в среднем всего на 3 процента. 
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.
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
