Что нужно принести
Продолжаем работать тем же инструментом — водородной связью. Сегодня она объясняет три вещи, совсем не похожие друг на друга, и в этом интерес урока.
Объяснение
Читать объяснение
Лёд плавает, и это ненормально
Почти все вещества при затвердевании сжимаются: частицы располагаются плотнее, и твёрдое вещество оказывается плотнее жидкости. Поэтому твёрдое вещество обычно тонет в собственной жидкости.
| Состояние | Температура | Плотность |
|---|---|---|
| Лёд | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | $0{,}92\ \mathrm{g/cm^3}$ |
| Жидкая вода | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | $1{,}00\ \mathrm{g/cm^3}$ |
| Жидкая вода | $4\ \mathrm{^\circ C}$ | максимальная плотность |
Лёд менее плотный, чем вода, поэтому он плавает. Объяснение снова в водородных связях: при замерзании каждая молекула занимает положение, в котором может образовать сразу четыре связи, и эта сетка оказывается более рыхлой, чем беспорядочная упаковка жидкости. Пустого пространства больше, поэтому то же количество молекул занимает больший объём.
Подсказка: жидкая вода достигает максимальной плотности при $4\ \mathrm{^\circ C}$, а не при $0$. Между $4$ и $0$ уже начинает складываться рыхлая сетка.
Подумай, прежде чем открыть: где в замерзающем зимой озере сначала образуется лёд и что это значит для рыб?
Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим
Он образуется сверху и остаётся сверху, потому что плавает. Этот слой льда изолирует воду под ним, которая остаётся жидкой и близкой к $4\ \mathrm{^\circ C}$. Рыбы выживают там.
Если бы лёд был плотнее, как почти все твёрдые вещества, он бы тонул; на поверхности образовывался бы новый лёд, тоже тонул бы, и в итоге озеро промёрзло бы целиком снизу вверх. Жизнь в озёрах холодного климата зависит от этой аномалии.
Поверхностное натяжение: «кожа» воды
Молекула в толще жидкости окружена соседями, которые притягивают её одинаково во всех направлениях. Молекула на поверхности — нет: сверху у неё никого нет, поэтому все силы притяжения тянут её внутрь и в стороны.
В результате поверхность ведёт себя как натянутая плёнка. Это и есть поверхностное натяжение.
- Поэтому вода образует круглые капли, а не растекается: шар — форма с наименьшей поверхностью при том же объёме.
- Поэтому осторожно положенная скрепка не тонет, хотя металл намного плотнее: она держится не за счёт выталкивающей силы, а лежит на этой плёнке.
- Поэтому есть насекомые, которые ходят по воде.
У воды самое высокое поверхностное натяжение среди обычных жидкостей, кроме ртути. Причина, опять же, — водородная связь.
Подсказка: моющее средство разрушает эту плёнку. Мы используем это на уроке 17, и именно поэтому моющее средство очищает.
Универсальный растворитель
Вода растворяет больше веществ, чем любая другая жидкость. Она растворяет не все вещества, но прозвище пошло отсюда.
Механизм: соль, $\mathrm{NaCl}$, — это кристалл из сцепленных друг с другом ионов $\mathrm{Na^+}$ и $\mathrm{Cl^-}$. Когда она попадает в воду, отрицательная сторона молекул воды окружает ионы $\mathrm{Na^+}$, а положительная — ионы $\mathrm{Cl^-}$. Окружённый со всех сторон, каждый ион отрывается от кристалла и уплывает.
$$\mathrm{NaCl_{(s)}} \longrightarrow \mathrm{Na^+_{(ac)}} + \mathrm{Cl^-_{(ac)}}$$
Отсюда правило: подобное растворяется в подобном. Вода, будучи полярной, хорошо растворяет полярные или заряженные вещества: соли, сахар, спирт. Плохо растворяет масло, которое неполярно, поэтому они остаются двумя отдельными слоями.
Проводить электричество
Чистая дистиллированная вода почти не проводит ток. Водопроводная вода проводит, а морская — гораздо лучше.
Разница не в воде, а в том, что в ней растворено. Для тока нужны заряженные частицы, способные двигаться, — это ионы. Если растворённых ионов нет, переносить заряд некому.
Именно поэтому опасно трогать электроприбор мокрыми руками: вода на тебе не дистиллированная, в ней есть соли.
Температуры и критическая точка
| Величина | Значение | Что это значит |
|---|---|---|
| Температура плавления | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | Температура, при которой лёд становится жидкостью. |
| Температура кипения | $100\ \mathrm{^\circ C}$ | Температура, при которой жидкость кипит. Очень высокая для такой маленькой молекулы. |
| Критическая точка | $374\ \mathrm{^\circ C}$ и около $218$ атмосфер | Выше неё жидкость и газ уже не различаются: это одна фаза. |
Первые два значения зависят от давления. Поэтому в горах вода кипит ниже $100\ \mathrm{^\circ C}$ и еда дольше варится; и поэтому скороварка готовит быстрее: внутри давление выше, значит, вода кипит при более высокой температуре.
Критическая точка — это предел, за которым различие между жидкостью и газом теряет смысл. Выше этой температуры и этого давления, как бы сильно ты ни сжимал, жидкости с поверхностью не получится: фаза одна.
Анимация
Описание анимации
Анимация начинается со стакана воды с плавающим кубиком льда, отмечена ватерлиния, и подпись говорит, что почти все твёрдые вещества тонут в собственной жидкости, а это — нет.
Затем мы заглядываем внутрь жидкости: шестнадцать молекул воды в беспорядке, ориентированных случайно и плотно прижатых друг к другу. Подпись: «жидкость: беспорядочная и плотная».
Рядом появляется твёрдое тело: те же молекулы, расположенные в правильную сетку и соединённые пунктирными линиями — водородными связями. Упорядочиваясь, они оказываются дальше друг от друга; отмечено, что каждая молекула сцепляется с четырьмя соседями и что это оставляет пустое пространство. Подпись: «твёрдое тело: упорядоченное и более рыхлое».
Далее сравниваются объёмы: два квадрата с одинаковым содержимым, но разного размера, квадрат льда больше, а под ними написаны плотности: 1,00 грамма на кубический сантиметр для жидкой воды при 0 °C и 0,92 для льда. Подпись делает вывод: то же количество молекул занимает больше места, поэтому плотность меньше.
В конце показано озеро в разрезе: слой льда сверху и жидкая вода под ним, с рыбой. Подписи объясняют, что лёд образуется сверху и остаётся сверху, что под ним вода сохраняет около 4 °C и что, если бы было наоборот, озеро промёрзло бы снизу вверх.
Источники анимации: плотности из таблиц физических констант. Схема, не в реальном масштабе. Цвет обозначает элемент; это не свойство частицы.
Листы для скачивания (на испанском)
Проводимость, кипение, критическая точка
Задания
1. Три опыта на столе
Для каждого запиши, что ты наблюдаешь, и объясни, почему это происходит, назвав соответствующее свойство.
- Наполни стакан до краёв и продолжай добавлять воду по капле. Посчитай, сколько лишних капель помещается, прежде чем вода перельётся, и опиши форму поверхности.
- Осторожно положи скрепку плашмя на воду. Потом добавь в стакан каплю моющего средства и посмотри, что произойдёт.
- Положи кубик льда в стакан с водой и отметь маркером, докуда он доходит. Оцени, какая доля кубика остаётся над поверхностью.
2. Два стакана, два результата
В один стакан с водой ты кладёшь ложку соли, в другой — ложку масла.
- Опиши, что происходит в каждом.
- Объясни разницу, используя полярность каждого вещества и правило «подобное растворяется в подобном».
- После растворения соли вода проводила бы электричество лучше или хуже, чем раньше? Почему?
3. Если бы лёд тонул
Напиши ответ, разделённый на три части.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…