1. Введение
Плотность чистой воды составляет 1000 кг/м³. Плотность воды зависит от её температуры. Всем известно, что при повышении температуры вещества увеличивают свой объем и понижают плотность. Вода обладает точно таким же свойством, но в интервале от 0 до 4°С с возрастанием температуры объем воды не повышается, а, наоборот, уменьшается.
Вода, при замерзании, внезапно увеличивается в объеме на 11%, так же внезапно и уменьшается при таянии. Это увеличение объема играет огромную роль, как в природе, так и в жизни людей. При замерзании воды и ее дальнейшем увеличении объема, происходит расширение, в результате чего возникает сильное давление. Именно поэтому замерзающая вода обладает разрушительной силой в замкнутых пустотах, трещинах гор.
С появлением примесей в составе воды наблюдается изменение его температур замерзания и кипения. Температура кипения растворов повышается, а температура замерзания понижается по сравнению с температурами, характеризующими чистые растворители.
Капиллярность воды играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы и доставляет корням растений растворы питательных веществ.
Уникальность строения воды обуславливает универсальность её как растворителя. В природных водах можно найти практически всю систему Менделеева. Разумеется, физические свойства загрязненной воды меняются, что влечет за собой множество разнообразных проблем.
В своей работе я исследовала, как влияют примеси на температуру кипения воды.
Цель работы:изучить влияние наличия примесей на температуру кипения воды.
Задачи:
Изучить научную литературу по интересующей меня теме.
Изучить физические свойства воды.
Проанализировать состав природных примесей воды, их концентрацию в воде.
Провести практическое исследование влияния примесей на температуру кипения воды.
2. Теоретическая часть
Кипение, как вы знаете - это процесс парообразования по всему объему жидкости. Если наблюдать за этим явлением на примере пресной воды, то мы видим, что в процессе кипения на стенках сосуда и на его дне образуются многочисленные пузырьки воздуха - центры парообразования. При нагревании жидкости происходит ее испарение в полость пузырьков воздуха: давление увеличивается, объем растет. Архимедова сила при определенном объеме пузырька способна оторвать от дна, и он всплывает вверх. Если жидкость недостаточно прогрета по всему объему за счет конвективных потоков, то пузырек с паром попадает в менее нагретые слои и пар в нем конденсируется: пузырек захлопывается, при этом теплота, выделяющаяся при конденсации, ускоряет прогревание жидкости по всему объему. Слышен шум – предвестник кипения. Когда давление насыщенного пара станет равным атмосферному давлению, пузырек поднимается на поверхность и лопается, выпуская пар – жидкость кипит. Признак кипения: интенсивное бурление жидкости, постоянство температуры. На практике всегда наблюдается колебания температуры внутри жидкости. Чем ровнее кипит жидкость, тем меньше эти колебания. Для измерения температуры кипения термометр помещают в пары кипящей жидкости, а не в саму жидкость. Процесс кипения идет с поглощением тепла, зависящим от вида жидкости и выпариваемой массы:
Q = mL,
где L – удельная теплота парообразования, Дж/кг,
m – масса вещества, кг
Давление внутри пузырька с паром складывается из давления насыщенных паров, гидростатического и давления искривленной поверхности. Если последними факторами можно пренебречь, то условием для кипения будет равенство давления насыщенного пара и атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения повышается в среднем на 1°С при изменении давления на 26 мм рт ст. Если жидкость неоднородная, то давление в пузырьках воздуха складывается из давлений насыщенного пара каждого компонента.
р1 + р2 = ратм
Доля каждого парциального давления зависит от температуры и количества вещества. Поэтому температура кипения неоднородной жидкости отличается от температуры кипения чистой жидкости. Нелетучие примеси повышают температуру кипения.
Для кипения жидкости необходимы несколько условий:
наличие центров парообразования;
наличие постоянного подведение тепла;
определенное значение давления насыщенного пара.
Из теории мы знаем, что температура кипения различных жидкостей зависит от внешних факторов (атмосферного давления), концентрации растворов, количества примесей.
При появлении в воде примесей меняется не только плотность воды, но температура кипения и температура кристаллизации воды.
Согласно второму закону Рауля:
Повышение температуры кипения разбавленного раствора нелетучего вещества прямо пропорционально моляльной концентрации раствора и не зависит от природы растворенного вещества.
Проще говоря, чем больше масса растворённой соли, тем сильнее ПОВЫШАЕТСЯ температура кипения раствора.
И она повышается ВСЕГДА, чтобы ни растворили.
Что же такое моляльная концентрация раствора?
Напомню, что моляльность раствора показывает количество (число моль) растворенного вещества в 1 кг растворителя. Моляльную концентрацию выражают в моль/кг.
Формула для ее определения такова: Cm = υ/m ,
где υ – количество вещества растворенного, (моль);
m – масса растворителя, (кг)
3. Практическая часть
Опыт №1. Наблюдение за нагреванием и кипением чистой (дистиллированной) воды
Опыт с кипением чистой воды за время работы проводился 5 раз. В первых трех опытах раз вода закипела при 98,3⁰С, а последних двух- при 99,3⁰С и 99⁰С(разница во времени при проведении эксперимента составила 3ч). Это произошло из-за изменения атмосферного давления: чем оно ниже, тем ниже температура кипения. Основным условием кипения является равенство давления насыщенного пара в пузырьках и атмосферного давления. На самом деле, на пузырек с паром также действует гидростатическое давление столба жидкости, но в обычных условиях им можно пренебречь, так как оно мало по сравнению с атмосферным давлением.
Результаты:
№ |
Атм давление, мм рт ст |
Темп кипения, 0С |
746 |
98,3 |
|
748 |
98,3 |
|
752 |
99,3 |
|
750 |
99 |
|
754 |
100,2 |
Далее был поставлен вопрос: а какова температура кипения водных растворов и воды с примесями.
Первый опыт: кипение воды с добавлением соли. Оказалось, что соль повышает температуру кипения. На графике показана зависимость температуры кипения от количества примесей. Как видно, максимальная температура кипения, которую имела вода с примесями, составляет 110⁰С, Температура кипения воды зависит от концентрации. Повышение температуры кипения происходит потому, что в пузырьке воздуха содержится не только водяной пар, но и пары поваренной соли. А значит, пар становится насыщенным при более высокой температуре.
Опыт №2. Наблюдение за нагреванием и кипением соленой воды
Температура кипения соленой воды превышает температуру кипения пресной воды. Как следствие соленая вода закипает позднее пресной. В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.
В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данный процесс имеет название «гидратация». Гидратация (от греч. Ὕδωρ — вода) — присоединение молекул воды к молекулам, атомам или ионам. Это процесс окружения растворенных частиц молекулами воды. Гидратация электролитов в растворах является главной причиной их диссоциации на ионы, обусловливает устойчивость ионов в растворах и препятствует обратному соединению ионов в молекулы. Может осуществляться без разрушения или с разрушением молекул воды. Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации. По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды. Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура.
Результаты:
№ |
Атм. давление мм рт ст |
количество вещества растворенного,υ, моль |
масса растворителя, m, г |
Моляльность р-ра Cm = υ/m , моль/г |
температура кипения воды с солью |
1 |
752 |
0,12 |
100 |
0,0012 |
101,3 °С |
2 |
752 |
0,24 |
100 |
0,0024 |
101,6 °С |
3 |
752 |
0,36 |
100 |
0,0036 |
101,7 °С |
Вывод:
Согласно второму закону Рауля:
Повышение температуры кипения разбавленного раствора нелетучего вещества прямо пропорционально моляльной концентрации раствора соли.
Сравнила
3) температуру кипения воды с сахаром и воды с таким же количеством соли.
№ |
температура кипения воды с сахаром |
температура кипения воды с таким же количеством соли |
1 |
101,7 °С |
102,9 °С |
2 |
101,6 °С |
102,8 °С |
3 |
101,7 °С |
102,84°С |
Мы взяли для стакана с одинаковыми объемами воды и добавили в один стакан 10г соли, а в другой стакан 10г сахара . Хорошо растворили и стали нагревать до кипения. Когда жидкость в первой и втором стакане закипела, сняли показания температуры кипения. Из таблицы видно, что температура кипения воды с сахаром в среднем составила 101,67°С , а температура кипения воды с солью в среднем 102,85°С.
Мы выяснили, что температура кипения воды с солью превышает температуру кипения воды с сахаром. Соленый чай закипел позднее сладкого чая.
Объясним это. В соленой воде присутствуют ионы Na+ и Cl-, которые занимают определенную область между молекулами воды.
В соленой воде молекулы воды присоединяются к ионам соли – данные процесс имеет название «гидратация». Связь между молекулами воды значительно слабее связи, образовавшейся в процессе гидратации.
На закипание воды с растворенной солью потребуется больше энергии, (и мы убедились, что теп закипания час с солью выше). По мере увеличения температуры молекулы в соленой воде начинаются двигаться быстрее, но при этом их становится меньше, ввиду чего они сталкиваются реже. В результате образуется меньше пара, давление которого ниже, нежели у пара пресной воды. Для того чтобы в соленой воде давление стало выше атмосферного и начался процесс кипения, необходима более высокая температура.
Вода с сахаром - не электролит, не диссоциирует (не требуется дополнительная энергия).
Температура кипения жидкости зависит от атмосферного давления, поэтому опыт проводился с учетом этого. Атмосферное давление за время эксперимента не изменилось и составило 754 мм рт ст
Вывод:
Температура кипения воды с сахаром ниже, чем температура кипения воды с таким же количеством соли, т.к. моляльная концентрация раствора 1 (воды с сахаром) меньше, чем моляльная концентрация раствора 2 (с таким же количеством соли). Что и подтверждается II-м законом Рауля.
№ |
Моляльность р-ра с сахаром Cm = υ/m , моль/г 0,00029 |
Моляльность р-ра с солью Cm = υ/m , моль/г 0,0017 |
количество вещества растворенного, υ, моль |
10г |
10г |
масса растворителя, m, г |
100г |
100г |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Следовательно, объяснить изменения температуры кипения воды можно только на основании химических связей: разрыв связи воды
Н2О = Н* + ОН*
Соединение Н* с органическим веществом и понижает температуру кипения водных растворов, что и подтверждается вторым законом Рауля.
ЛИТЕРАТУРА
А.В.Перышкин «Физика-8», М. Дрофа, 2006г.
А.А.Равдель, А.М.Пономарева Краткий справочник физико-химических величин. Ленинград, «Химия», 1983г.
Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия,1968г.
А.С.Енохович Справочник по физике.М.Просвещение,1978г.
www. wikiznanie ru/ru «Кипение»