Влияние наличия примесей на температуру кипения воды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Щербакова А.И. 1

---

1МБОУ Школа № 129 г.о.Самары

Абрамова М.В. 1

---

1МБОУ Школа № 129 г.о.Самары

Работа в формате PDF

458.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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

Как происходит процесс кипения воды?

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 = р_атм

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.

Зависимость температуры кипения воды

(без примесей) от атмосферного давления

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: C_m = 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:

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:

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.

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.

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»