XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удивительные свойства воды при переходе из жидкого в твердое состояние, лед
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Данная работа посвящена теме по изучению процесса перехода воды из жидкого состояния в твердое, а именно в лед, и изучению его свойств.
В природе нет более распространенного вещества, чем вода и лед. 71 % поверхности Земли покрыто водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Так, ледниковый покров занимает около 75% площади Гренландии и почти всю Антарктиду. Вода – это самое необходимое вещество для всего живого. Вода и лед используются в огромном количестве производств, бытовой деятельности человека. С середины 19-го века и по сей день добыча, производство, продажа льда являются одними из самых прибыльных бизнесов. Но, пожалуй, самая важная роль льда на Земле – это то, что он участвует в круговороте воды в природе, снабжает нашу планету огромным объемом пресной воды и сдерживает глобальный уровень воды. Изучением природных льдов во всех разновидностях на поверхности Земля, атмосфере, гидросфере, литосфере занимается наука – Гляциология. Чем больше гляциологи изучают воду и ее твердое проявление, лед, тем больше подтверждений, что нет более загадочного и удивительного вещества. Многие его свойства аномальны, противоречивы. И я решил изучить эту тему.
Проблема: какие существуют интересные факты о воде в твердом ее состоянии, в ледяной фазе?
Гипотеза: если провести наблюдения за водой, то можно увидеть, как она замерзает и как меняются при этом ее свойства.
Объект: вода очищенная питьевая бутилированная в жидком и твердом состоянии.
Предмет: замерзание воды и свойства воды в твердом состоянии.
Цель: выяснить, как происходит превращение жидкой воды в лед и выявить удивительные свойства ее в этом состоянии.
Задачи:
• изучить информацию из литературных и интернет-источников по данной теме;
• провести и описать практические эксперименты;
• проанализировать и обобщить полученные результаты;
• сделать собственные выводы.
Методы исследования:
• изучение и анализ литературных и интернет-статей, просмотр видео по данной теме;
• проведение исследовательских экспериментов с помощью подручных средств в домашних условиях;
• наблюдение, сравнение, анализ;
• отбор фотографий, рисунков, видео материалов по данной теме;
• обобщение результатов и выводы.
Вода – самое распространенное на планете вещество, самое привычное и, кажется, что самое простое. Вода сопровождает каждое мгновение нашей жизни. Мы узнаем ее, будь то вода в кране или в открытом водоеме, на ледяном катке или при катании на лыжах по снегу, в виде пара над чашечкой горячего чая или созерцая легкую дымку над гладью озера, будь то мировой океан или снег и лед Антарктики и Антарктиды. Всё это вода в разных ее проявлениях.
С одной стороны – нет ничего более простого и доступного на планете, как вода, с другой – более загадочного и уникального.
Что же такое вода? Вода – жидкость без вкуса и запаха, она состоит из кислорода и водорода: два атома водорода на один атом кислорода (См. приложение 1). В природной, морской и речной воде содержатся различные минералы и соли.
Вода – это единственное вещество на Земле, которое существует в природе сразу в трех состояниях (твердое, жидкое, газообразное) и одновременно в комбинации этих состояний, и может переходить из одного состояния в другое при незначительных изменениях (См. приложение 2).
Вода в жидком своем состоянии имеет такие свойства как: поверхностное натяжение; обладает большой теплоемкостью; растворяет в себе другие вещества; способна проводить электрический ток; вода может «запоминать» информацию слов, музыки и передавать ее другим существам, имеющим в своем составе воду и др.
Во время перехода из одного агрегатного состояния в другое происходят процессы:
- испарение, когда вода из жидкого состояния переходит в воздух в виде пара;
- конденсация, когда водяной пар переходит в жидкую фазу;
- заиндевание, т.е. образование инея, когда газообразная вода переходит в твердое состояние;
- замерзание, или кристаллизация, когда жидкая вода превращается в снег и лед.
При переходе воды из одного состояния в другое существенно изменяются ее свойства. Так же внутри каждого состояния возможны еще другие разновидности состояний, такие как: пересыщенный пар, перегретая вода, переохлажденная, или сверхохлажденная, жидкость, которые имеют так же удивительные свойства. Эти состояния могут существовать длительное время, но они очень неустойчивы.
В ходе данной работы я изучил более подробно твердое состояние воды, а именно льда, и ее удивительные свойства в этом состоянии.
Процесс перехода воды из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Чтобы кристаллы льда сформировались, необходима основа, так называемые ядра или центры кристаллизации, а ими могут стать частицы различных веществ и мелких тел, находящихся в воде, или пылевые частицы, пузырьки воздуха, дефекты на стенках тары, в которой вода в тот момент находится (сколы, трещины). Центрами кристаллизации могут выступить сами молекулы воды, которые находятся в общем объеме воды в виде небольших скоплений, так называемых кластеров, которые могут сформироваться при снижении температуры воды ближе к – 40º С.
Если вода чистая, без примесей, в чистом сосуде, с гладкой поверхностью, то эта вода может какое-то время при минусовой температуре находиться в обычном жидком состоянии. Это переохлажденная, или сверхохлажденная, вода. Но это состояние считается неустойчивым, нестабильным, потому что стоит появиться какой-то посторонней частице, например, пылинке или силе воздействия, например, сотрясению или удару, как вокруг этого места немедленно начнет образовываться ледяной кристалл, и вся остальная вода вокруг тоже становится льдом.
Лед образуется при снижении температуры. Мы привыкли считать, что вода замерзает при 0º С. На самом деле температурных порогов, при которых замерзает вода, существует не так уж мало, и зависят они от разных свойств воды и окружающей обстановки. К примеру, чистая вода может замерзнуть при -42º С, в зависимости от условий, в которых она замерзает. Проводя литературный обзор, я узнал, что при -120º С с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, а при -135º С она превращается в «стекловидную» с отсутствием кристаллической структуры, которая свойственна твердым телам. Так же я узнал, что горячая вода замерзает быстрее холодной, потому что в горячей воде больше центров кристаллизации. Соленая вода замерзает при гораздо более низких температурах, чем не соленая. Именно с этой целью дороги зимой посыпают солью, что вызывает подтаивание льда в гололедицу.
Факторы, влияющие на процесс замерзания (на скорость и температуру замерзания):
- температура окружающего воздуха и самой воды,
- наличие примесей в воде,
- давление внутри самой воды и наружное давление, оказываемое на воду.
В зависимости от месторождения выделяют лед:
• атмосферный – град, ледяные облака и туман
• ледниковый – занимает 11% суши, основная часть в Антарктиде
• подземный – в верхней части земной коры, основная часть в Северном полушарии, и ярким примером является Кунгурская ледяная пещера
• морской – припай (прикрепленный к берегам), паковый (многолетний), плавучий (дрейфующий, это айсберги, обломки льдин)
• космический – в Солнечной системе, на других планетах, спутниках, кометах
На сегодняшний день ученые насчитывают 16 типов льда в зависимости от его структуры строения и свойств. Лишь один из них природный, тот самый привычный нам, называемый «обычный кристаллический» или по-научному лед Ih. Остальные являются искусственно полученными, созданными в экспериментальных условиях и имеющие отличные от обычного льда свойства.
Уникальность обычного, природного льда, в отличие от других химических веществ, таких как алюминий, железо и др., в том, что в ходе его образования при переходе из жидкого состояния воды в твердое, молекулы воды отдаляются друг от друга, но сохраняют связи между собой и в то же время структурируются, т.е. упорядочиваются с образованием кристаллической решетки, и в результате в ходе замерзания происходит расширение, между молекулами образуются пустоты, и лед становится легче жидкой воды, т.е. плотность льда меньше плотности воды (См. приложение 1-2). Благодаря этому свойству в природе корка льда находится на поверхности водоемов, а айсберги плавают и не тонут.
Порой в обычной нашей жизни эффект расширения воды приносит вред: например, аварии на теплотрассах, когда вода замерзает в трубах в сильные морозы и разрывает их; или взрывает банки с продуктовыми заготовками (соленья, варенье) в неотапливаемых помещениях с сильно минусовой температурой; или ломает емкости с водой, оставленные на даче вне помещений. В горах же вода, залегающая между слоями пород, при замерзании может вызвать расколы, обвалы, что несет опасность для туристов и близлежащих населенных пунктов.
Но есть и польза от этого свойства воды. Например, в Финляндии эту силу заставляют работать: в каменоломнях заливают водой щели в скальных породах и оставляют замерзать. Замерзающая вода выступает в роли клина, и за счет силы замерзающей воды огромные скальные массивы распадаются на отдельные каменные блоки. К полезным свойствам льда так же относится и то, что при процессе замерзания выделяется большое количество тепла, именно поэтому, как бы это странно ни звучало, птицы любят греться рядом с замерзающей водой природных водоемов. Благодаря тому, что корка льда находится на поверхности водоемов, она защищает зимой от гибели в холода обитателей нижележащей воды. Благодаря наличию полостей в структуре льда, лед является хорошим теплоизолирующим материалом, что доказывают национальные жилищные постройки эскимосов гренландцев – иглу, внутри которых температура может сохраняться от -7 до +16º С, в то время как снаружи -45º С. Иглу строят в виде полусферы из снежных кубов, затем подтаивают стенки иглу изнутри, подогревая огнем, а затем, впуская внутрь холодный воздух, вызывая обледенение стен, склеивание швов между снежно-ледяными блоками, предавая прочность и не продуваемость постройке.
И в старину, и в современном мире любимым развлечением в зимнее время года были и есть строительство ледяных скульптур, городков и аттракционов. «Ледяной дом» - это самое известное ледяное сооружение в Петербурге в 1740 г. по повелению императрицы Анны Иоанновны. Он был целиком сложен из ледяных глыб, украшенных резьбой. Вся мебель и предметы, в том числе цветы и игральные карты, тоже были сделаны изо льда. В 2003 г. К 300-летию Санкт-Петербурга шведы снова возвели «Ледяной дом» весом более 60 тонн. Модным стало сооружать изо льда бары, отели, дворцы, сверкающие и искрящиеся, как в сказках, внутри которых все предметы сделаны изо льда, кроме спальных мешков полярного класса.
Строительство изо льда возможно благодаря ещё двум его удивительным свойствам. Первое – это то, что в отличие от других твердых тел у льда молекулы, которые находятся в самой близости к поверхности, слабо связаны друг с другом, и легко переходят из фазы твердого состояния в жидкое. Поэтому на поверхности льда есть тонкий влажный слой, из-за которого лед скользкий. А второе удивительное свойство заключается в том, что если две такие скользкие поверхности прижать друг к другу, то эти поверхностные молекулы крепко сцепляются, и поверхности склеиваются. Этот же эффект мы можем наблюдать и при лепке снеговиков и во время игры в снежки.
Благодаря тому, что лед скользкий мы можем кататься на коньках, с ледяных горок, играть в хоккей. Благодаря тому же существуют такие вида спорта, как фигурное катание, хоккей, бобслей, скелетон, санный спорт. Но скользкий лед приносит не только радость, но порой и огорчения, и опасность. Так гололедица на дорогах приводит к росту травм у пешеходов и ДТП в холодное время года. Лед может вызвать ряд бедствий – обледенение летательных аппаратов, судов и прочее.
Основная часть
Практические эксперименты
Информацию об образовании льда и его свойствах, полученную из разных источников, я решил проверить с помощью экспериментов.
Эксперимент № 1
Сверхохлажденная вода и «мгновенное» замерзание
Свою экспериментальную часть я начал с опыта, который я увидел в роликах на просторах Ютуб. В данных роликах демонстрировалось, как вода может длительное время оставаться жидкой при температурах ниже 0º С, а затем при внешнем воздействии мгновенно на глазах превращаться в лед. Сам этот факт мне показался очень удивительным, но интересно было ещё и то, что далеко не всегда можно достичь такого эффекта, поэтому под видео-роликами было множество комментариев о неуспешности проводимого эксперимента.
Для данного эксперимента я приобрел в продовольственных магазинах четыре бутыля 0,5 л и одну бутыль 0,75 л с очищенной питьевой водой. Бутыли были пронумерованы от 1 до 5. Выдержал их 12 часов при комнатной температуре +24º С. Далее поместил их в морозильную камеру бытового холодильника с температурой -23º С на три часа. После этого доставал бутыли из камеры по одной, крайне аккуратно, не производя резких движений и сотрясений. Результаты получились разные (См. приложение 3). Так в бутыле под № 1 емкостью 0,5 л и в бутыле под № 5 0,75 л вода была заморожена. В остальных трех бутылях под № 2,3,4 емкостью 0,5 л вода была жидкая на момент изъятия из морозильной камеры. Затем я наносил по ним удар рукой, и вода мгновенно в течении не более 5 секунд превращалась в лед. Применение силы удара сталкивало молекулы воды. Кроме того, в момент удара в воде образовывались пузырьки воздуха. Оба эти фактора послужили толчком образования центров кристаллизации и мгновенного замораживания.
Следует отметить, что не весь объем воды в бутыле при этом превращался в лед. Часть осталась жидкой, что подтверждает тот факт о воде, что при образовании льда выделяется тепловая энергия, которая не дает другой части воды в этой же емкости замерзнуть. Тот факт, что в двух из экспериментальных бутылях вода замерзла ещё при нахождении в морозильной камере можно объяснить тем, что возможно в них содержалось немалое количество центров кристаллизации, например, частицы пыли или дефекты стенок тары, которые спровоцировали замерзание ещё в морозильной камере в более ранние сроки.
Кроме того, в ходе эксперимента я обратил внимание на то, что вода в жидком состоянии была прозрачная, а лед, образовавшийся из нее, гораздо менее прозрачный, и в нем виден рисунок кристаллизации – веточки, иголочки, местами пузырьки воздуха. По данным литературы эти факторы и влияют на снижение прозрачности льда.
Другим моим наблюдением было то, что лед, так же как и вода бесцветный.
Эксперимент № 2
Расширение воды при замерзании
Для данного эксперимента я взял один стеклянный стакан и одну пластиковую пробирку. Налил в стакан 200 мл и в пробирку 20 мл очищенной питьевой воды комнатной температуры. На стенки тары нанес метки по верхнему уровню воды. Поместил в морозильную камеру бытового холодильника при -23º С на 2 часа. Через два часа достал стакан и пробирку из холодильника с уже замороженной водой, и оказалось, что верхний уровень льда выше отметок. Следует обратить внимание на то, что объем увеличился примерно на 1/10 от прежнего объема воды (См. приложение 4), что подтвердило информацию, полученную мной при литературном обзоре, и о самом факте расширения воды при замерзании и о степени расширения.
Эксперимент № 3
Лед легче воды
Для проведения данного эксперимента я взял стакан с 200 мл очищенной питьевой воды. Бросил в воду три кусочка льда, полученные ранее путем заморозки при -23º С из той же самой воды. Затем то же самое проделал с 5-литровой бутылью и с кусочками льда гораздо большего размера, чем в первый раз. В обоих случаях лед всплыл на поверхность воды, что доказывает тот факт, что лед легче воды. Это говорит о том, что плотность льда меньше плотности воды (См. приложение 5).
Эксперимент № 4
Скользкий лед и склеивание ледяных кусков
В данном эксперименте я использовал кусочки льда, полученные путем заморозки питьевой очищенной воды при -23º С. Когда я достал их из морозильной камеры, они начали приобретать на своей поверхности влажный слой, в результате чего было сложно взять и удержать в руках эти куски льда, т.к. они выскальзывали. Далее я начал с силой удерживать и прижимать куски друг к другу их скользкими поверхностями. В результате чего куски буквально сцепились, как будто склеились (См. приложение 6).
Эксперимент № 5
Замерзание воды очищенной питьевой и соленой
Для проведения этого эксперимента я взял два одинаковых стеклянных стакана с очищенной питьевой водой по 200 мл в каждом. В один стакан я добавил около 20 г поваренной соли (это десертная ложка соли с горкой).Тщательно растворил соль перемешиванием. Далее оба стакана выдержал в морозильной камере при - 23º С в течении 2,5 часов. В результате пресная вода полностью замерзла в стакане, а в стакане с соленой водой была кашицеобразная смесь соленой воды с кусочками льда. Я решил проверить степень образования льда с помощью обычных карандашей одинаковой длины. В одном случае карандаш упирался в твердую поверхность льда из пресной воды, а во другом случае, провалился на дно стакана с соленой кашицеобразной смесью (См. приложение 7). Затем я оставил стакан с соленой водой в морозильной камере до следующего утра. На следующее утро я убедился, что соленая вода все-таки замерла полностью, но для этого понадобилось гораздо больше времени, чем пресной воде, что подтверждает полученную мною в ходе литературного обзора информацию, что примеси влияют на скорость замерзания воды. Так, например, соль замедляет процесс перехода жидкой воды в твердое состояние.
Заключение
Выводы
В ходе проведенного исследования с помощью вышеописанных экспериментов мною была подтверждена гипотеза о способности воды переходить из жидкого в твердое состояние в разных условиях по-разному и об удивительных свойствах воды в твердом состоянии, в состоянии льда. Факты, о которых я узнал из различных источников, подтвердились. Так, мною было продемонстрировано, что:
- вода может долгое время оставаться жидкой при понижении температуры ниже температуры замерзания 0º С;
- сверхохлажденная вода очень нестабильна и превращается в лед в течении нескольких секунд при малейшем внешнем воздействии;
- вода способна переходить в твердое состояние - лед;
- при образовании льда выделяется тепло;
- в твердом состоянии вода теряет свою текучесть и сохраняет форму;
- прозрачность уменьшается, виден рисунок кристаллизации в виде веточек, иголочек;
- остается бесцветным;
- при замерзании вода расширяется;
- лед легче воды, соответственно имеет меньшую плотность;
- на поверхности льда есть влажный слой, из-за чего лед скользкий;
- благодаря наличию поверхностных слабосвязанных молекул во влажном слое на поверхности льда, две скользкие поверхности склеиваются;
- на процесс перехода в твердое состояние влияет наличие примесей в воде, например, соль замедляет процесс образования льда.
Практическая значимость
Исследуя удивительные свойства воды, в частности процессов перехода и нахождение ее в твердом состоянии, мы расширяем кругозор, развиваем логическое мышление и тренируем интеллект, познаем окружающий мир и вырабатываем умение использовать творческий опыт и полученные знания в жизни. Например, не оставлять зимние заготовки и воду в емкостях на зиму в неотапливаемых помещения, сливать воду из труб и из радиаторов на зимнее время, если надолго покидаете свой частный дом, посыпать скользкие дорожки солью, песком, вовремя на своих авто менять шины летние на зимние и шипованные. Лед применим в таких сферах, как в фармацевтике, в разных отраслях медицины (трансфузиология, трансплантология, хирургия и др.), в пищевой, рыболовной промышленностях, в строительстве, в косметологии, в спорте, в разных отраслях науки, даже в военной отрасли и во многих других. Знания о свойствах воды и льда необходимы транспортным, коммунальным, судостроительным, сельскохозяйственным службам.
Кроме того, лед является бескрайним полем для развития творчества: лед – это красивый материал для скульптуростроения; морозные узоры на окнах, деревья в снежных шапках, отдельные снежинки, ледяные кристаллы от сосульки до гигантских айсбергов вдохновляют на создание картин, фотографий, литературных произведений; выявление все новых аномальных удивительных свойств воды и разных ее состояний могут стать объектом для создания и впечатляющих развлекательных шоу и новых научных исследований и открытий.
Список литературы.
А. Дитрих, Г. Юрмин, Р. Кошурникова: Почемучка. Издательство «Педагогика», 1998.
Г. Шалаев: Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. М. Филологическое общество «Слово», 1994.
Г. Шалаев: Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. М. Филологическое общество «Слово», 1993.
Г. Шалаев, Л. Кашинская: Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. М. Филологическое общество «Слово», 1994.
Г. Шалаев, Л. Кашинская, А. Саакян: Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. М. Филологическое общество «Слово», 1994.
Bugaga-ru.turbopages.org Топ-10: странные и занимательные факты о льде.
Fb-ru.turbopages.org Кристаллизация воды: описание процесса, условия, примеры. 2018.
Life.mosmetod.ru Лед: обычный и необычный.
Msmetall-ru.turbopages.org Вода замерзает при температуре только 0ºС? Конечно же нет.
Nur.kz Теплопроводность воды и льда и их особенности. 2021.
Ovode.site Агрегатные состояния воды.
Paranormal-news.ru 5 аномальных факторов о воде. 2008.
Rosuchebnik.ru П. Ковалев. Исследование свойств воды при кристаллизации.
Ru.wikipedia.org Лед.
Travelask.ru Как почувствовать себя волшебником – мгновенная заморозка воды.
Vodasila-ru.turbopages.org Лед: классификация, температура, свойства, применение.
Ynik.info Лед – самое загадочное вещество. Отрывок из книги Н.Н. Непомнящий «Сто великих загадок природы», 2009.
YouTube Ролики про мгновенную заморозку воды.
Приложение 1
Приложение 2
Три состояния воды
Приложение 3
Эксперимент № 1
Превращение переохлажденной воды в лед
5 пронумерованных бутылей с очищенной
питьевой водой выдержаны при +24º С
в течении 12ч
далее бутыли с водой находились в течении 3 ч
в морозильной камере бытового холодильника
при -23º С
З атем бутыли по одной аккуратно изымал из морозильной камеры. В 1-ой и в 5-ой бутылях вода была заморожена в лед. В бутылях под номерами 2,3,4 вода была жидкой. После нанесения удара рукой вода мгновенно в течении не более 5 сек превратилась в лед.
Приложение 4
Эксперимент № 2
Расширение воды при замерзании
Стеклянный стакан и пластиковая пробирка с водой. Изначальный уровень отмечен маркером.
Через 2 часа нахождения в морозильной камере при - 23º С уровень льда в стакане и в пробирке превышал метку первоначального уровня жидкой воды.
Приложение 5
Эксперимент № 3
Лед легче жидкой воды
За счет более низкой плотности льда относительно плотности воды ни маленькие кусочки льда в стакане, ни более крупные куски льда в 5-литровой бутыли воды не тонули, всплывали на поверхность.
Приложение 6
Эксперимент № 4
Скользкий лед и склеивание ледяных кусков
Приготовил несколько кусочков льда
из очищенной питьевой воды при -23º С.
После изъятия их из морозильной камеры
в руках было сложно удержать, скользкие.
Далее кусочки прижимал друг к другу. В результате кусочки льда склеились.
Приложение 7
Эксперимент № 5
Замерзание воды очищенной питьевой и соленой
2 стакана с очищенной питьевой водой.
В стакан № 2 добавили 20 гр поваренной
соли.
Оба стакана выдержал 2,5 ч при -23º С.
Взял 2 карандаша одинаковой длины для
проверки степени замерзания жидкости
в обоих стаканах.
В стакане № 1 с пресной водой
карандаш наткнулся на твердую
поверхность льда.
В стакане № 2 с соленой водой
карандаш погрузился на дно
в кашицеобразную смесь замерзающей
воды, кусочков льда и соли.