Когда вода замерзает: При какой температуре вода замерзает? Вопрос не такой уж простой ( ͡° ͜ʖ ͡°) Давайте разберемся! Интересные факты бонусом

Содержание

Липидные мембраны не дали воде замерзнуть при -263 градусах Цельсия

Ученые создали систему, имитирующую положение воды в тесном окружении мембран внутри живых клеток. Оказалось, что запертая в таких условиях вода не замерзает при температуре жидкого гелия. Эксперимент удалось провести благодаря получению искусственных биомиметических полимеров, которые образуют сеть очень тонких каналов и сами не кристаллизуются при
столь низких температурах, сообщают авторы в журнале Nature Nanotechnology.

Свойства веществ на
поверхности и в толще могут различаться. Это известно как в случае
специфических материалов, таких как топологические изоляторы, так и для распространенных веществ, таких как вода. В частности, ученые уже
выяснили, что стесненные условия, такие как тонкие каналы, могут подавлять кристаллизацию воды, так как для образования льда молекулам необходимо
выстроиться в шестиугольные структуры. Примером подобной ситуации являются
молекулы воды внутри углеродных нанотрубок.

Изменение свойств воды при локализации на наномасштабе может играть ключевую роль в ряде физических, геологических, химических и биологических процессов. В частности, известно, что некоторые организмы способны выживать при отрицательных
температурах. Считается, что этот феномен может частично объясняться пониженной температурой кристаллизации в стесненных внутриклеточных пространствах. В этом контексте важно исследование воды в условиях, приближенных к ситуации внутри живых клеток, где множество органелл окружены липидными мембранами. Для этого необходимо получить искусственную систему мембран с узкими пространствами между ними.

Ливия Сальвати Манни (Livia Salvati Manni) и ее коллеги из Швейцарской высшей технической
школы Цюриха предложили способ синтеза подходящих органических соединений — модифицированных
моноацилглицеролов. Авторы работы исследовали свойства их смеси с водой при экстремально
низких температурах. Необходимым требованием к синтетическим липидам в таком
случае является наличие устойчивой мезофазы, то есть состояния вещества с
промежуточными свойствами между твердыми телом и жидкостью.

В присутствии воды полученные липиды самоорганизовывались с образованием мембран подобно
естественным жирам, так как противоположные концы их молекул обладают разными
свойствами: с одной стороны они гидрофильны и стремятся прийти в контакт с
водой, а с другой гидрофобны и избегают его. В результате формировалась однородная
сеть пересекающихся каналов диаметром меньше нанометра.

Необычные свойства данной
структуры начинали проявляться при заполнении водой и охлаждении, потому что
сечения каналов было недостаточно для формирования льда, а сами липиды также не
кристаллизовались. Авторы охлаждали систему жидким гелием до температуры в 10
кельвинов (-263 градуса Цельсия) и не обнаружили появления льда. Вместо этого
вода переходила в необычное стеклоподобное состояние, что было подтверждено как
измерениями, так и численным моделированием поведения молекул в таких условиях.

Авторы отмечают, что
полученные результаты расширяют наше понимание взаимодействия двух основных
компонентов жизни (воды и липидов) в экстремальных температурах и условиях
локализации молекулярного масштаба. Авторы предполагают множество потенциальных
применений полученных систем. В частности, в таких структурах можно запирать
биомолекулы для исследования их поведения в ситуации подобной тесным
внутренностям клеток. В таком случае можно не опасаться появления кристаллов
льда, которые часто повреждают молекулы и не позволяют их детально исследовать.

Несмотря на пристальное изучение в течение долгого времени, до сих пор удается найти новые необычные фазы даже чистой воды. В частности, недавно ученые нашли стабильный лед низкой плотности, а также выделили три разновидности процесса замерзания. Поведению воды в стесненных условиях также посвящено немало работ. Например, исследователи выяснили, что выдавливание масла из пор может происходить четырьмя способами.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Почему вода не замерзает под слоем льда?

Вода — самое таинственное и при этом самое важное для поддержания жизни на планете вещество. У нее нет ни запаха, ни цвета, однако существование какой-либо жизни в том виде, в котором мы ее знаем, без воды попросту бы свелось к нулю. Одним из уникальных качеств воды является ее способность сохранять подводную жизнь благодаря интересной природной аномалии, при которой лед покрывает собой массы воды, не давая ей полностью замерзнуть. Согласно обычным физическим законам, все должно происходить в точности до наоборот и вещество, находящееся долгое время в твердой форме, должно быть на дне, а не на поверхности. Так почему же вода нарушает основные законы физики?

Возможно, жизнь на планете появилась благодаря природной аномалии

Почему лед не тонет?

Считается, что уникальная способность льда не уходить под воду обусловлена появлением в нем особенной кристаллической решетки, которая часто обогащена мельчайшими пузырьками воздуха. Ледяной покров, постепенно расползаясь от берегов водоема к самому его центру, надежно защищает всех обитателей от сильных морозов, сохраняя положительную температуру под ледяным куполом.

Читайте также: Европа: наш лучший шанс найти другую жизнь?

Теоретически, любой, даже самый большой водоем, может промерзнуть до самого дня при соблюдении определенных природных и температурных условий. В обычное же время даже небольшой пруд с максимальной глубиной около трех метров не способен промерзнуть до самого дна по причине, что при достижении водой критической отметки в +4 градуса по Цельсию, в пруде/озере/реке и других аналогичных водоемах начинается интенсивный процесс перемещения слоев разной температуры. Наиболее холодные водные слои постепенно поднимаются вверх, в то время как теплые начинают опускаться вниз. С понижением средней температуры, на поверхности водоема постепенно образуется лед, который останавливает процесс перемещения слоев воды разной температуры и не дает подледному миру полностью замерзнуть.

Могут ли живые организмы выжить во льду?

Несмотря на то, что для человеческого организма долгое нахождение в условиях низких температур чревато гибелью, для некоторых амфибий не страшны даже очень длительные морозы. Так, лягушки и тритоны обладают уникальной способностью вмерзать прямо во лед без каких-либо последствий для своего здоровья. Обычные прудовые лягушки в холодное время года впадают в анабиоз и самостоятельно размораживаются только с первыми лучами теплого солнца. Такую природную сверхспособность амфибии получили в результате длительной эволюции, которая подарила их организмам особый природный антифриз. Наличие антифриза в теле лягушки позволяет предотвратить образование мельчайших кристалликов льда, которые и являются основной причиной гибели живых клеток.

Некоторые лягушки могут зимовать прямо во льду

Может ли замерзнуть океан?

Как уже говорилось выше, при соблюдении современных климатических условий, даже самый неглубокий пруд не способен полностью промерзнуть. Однако давайте попробуем себе представить, что в результате некоего природного катаклизма на Земле промерзли до дна все океаны. Может ли такое произойти в действительности?

Брайникл или подводная “сосулька смерти” способна моментально уничтожить все живое в ее окрестности

Известно, что температура замерзания соленой воды зависит от уровня ее солености. Так, при среднем количестве содержания морской соли в воде, обычной температурой, при которой океан начинает покрываться тонкой коркой льда, становятся примерно -2…-4 градуса по Цельсию. Несмотря на то, что наша планета в разные эпохи переживала множество больших и малых ледниковых периодов, океаны нашей планеты никогда не промерзали до самого дна. Теплые океанические течения даже в самые холодные годы Земли помогали поддерживать морскую воду в жидком состоянии. Иными словами, возможность того, что однажды океаны планеты полностью замерзнут, сводится к абсолютному нулю.

Кстати говоря, знаете ли вы, что на Плутоне имеется свой подледный океан жидкой воды? Если уж такой далекий объект смог сохранить свои водные ресурсы в жидком состоянии, то нашей планете в этом плане не о чем переживать. В любом случае, давайте попробуем пофантазировать в нашем Telegram-чате, что могло бы произойти с человечеством в случае, если бы океаны нашей планеты каким-то образом все же полностью замерзли.

Животные ЗемлиЗагадки природыКлимат на ЗемлеОкружающая среда

Для отправки комментария вы должны или

Explore — Все о льду

Explore — Все о льду — Удивительный расширяющийся лед

О НАС

События
Исследуйте
Участие ученых
Образовательные ресурсы
Наша Солнечная система, наша Вселенная
О нас

Новости науки о Земле и космосе

Преподаватели
Студенты

Мероприятия
Исследуйте
Участие ученых
Образовательные ресурсы
Наша Солнечная система, наша Вселенная
О нас
Новости науки о Земле и космосе для преподавателей
Новости планетарной науки для студентов

Обзор

Дети экспериментируют с замерзающей водой, чтобы обнаружить еще одно особое свойство льда: он менее плотный в твердом состоянии (лед), чем в жидком (вода). Удивительный расширяющийся лед! — это «ночная» деятельность, требующая 20 минут подготовки, ночного замораживания эксперимента и 10 минут последующего обсуждения.

Какой смысл?

Вещества существуют в различных состояниях; т. е. твердое, жидкое, газообразное
Вода — уникальное вещество, потому что ее твердое состояние — лед — менее плотное, чем ее жидкое состояние.
Физические свойства — характеристики вещества. Они не меняются. Физические свойства включают цвет, запах, температуру замерзания/плавления и плотность. Физические свойства водяного льда отличаются от физических свойств жидкой воды.
Плотность – это мера массы (количества вещества) на единицу объема (пространства) вещества.

Материалы

Для группы:

Несколько кувшинов с водой
Доступ к морозильной камере
Подносы для стаканов с водой
Бумажные полотенца на случай пролива
Доступ к кухонным или почтовым весам (дополнительно)

Для каждого ребенка:

Его/ее Ice Investigator Journal

Для каждого ребенка или группы детей:

2 маленьких бумажных стаканчика (4 или 6 унций)
Фольга для покрытия чашек
Маркер для надписей на чашках
Линейка

Для координатора:

Справочная информация

Подготовка

Наполните кувшины водой до уровня, который дети смогут налить в чашки. Каждому ребенку потребуется достаточно воды, чтобы наполнить обе чашки.
Если вы собираетесь выполнить задание Верхушка айсберга в другой день, запланируйте вернуть чашки со льдом в морозильник, чтобы они оставались замороженными.

Задание

Предложите детям подумать о том, что они узнали о льде и воде.
- Какое состояние воды у льда? Твердое тело.
- Что должно произойти, чтобы вода превратилась в лед? Он должен замерзнуть.
- При какой температуре вода превращается в лед? 32°F или 0°C.
- Могут ли они вспомнить примеры из своей жизни, когда они делают лед из воды? Некоторые дети могут рассказать, что они приготовили кубики льда или фруктовое мороженое в своих морозильных камерах.
- Что еще они знают из своего опыта о льде и воде? Некоторые дети могут заметить, что лед «растет» или расширяется в лотке для кубиков льда.
Раздайте детям материалы и их журналы Ice Investigator . Попросите каждого ребенка написать на двух чашках свои имена сбоку.
Пусть каждый ребенок наполнит свои две чашки водой до одинакового уровня от половины до трех четвертей. Они должны тщательно отметить уровень воды в чашках.
Пусть аккуратно накроют каждую чашку фольгой и закрепят ее (как крышку).
Попросите детей взвесить свои чашки с водой на кухонных весах и отметить вес на чашке.
Расскажите детям, что теперь вы заморозите по одной чашке с водой для каждой группы на ночь или до следующей встречи.
- Что, по их мнению, произойдет?
- Почему они закрыли чашки фольгой? Это предотвращает другое изменение состояния — превращение жидкой воды в водяной пар в процессе испарения!
Попросите детей записывать свои идеи и информацию из своих экспериментов в свои журналы исследователей льда .
Примечание для ведущего: Если хотите, вы можете расширить это задание, чтобы изучить процесс испарения, предложив детям использовать три чашки вместо двух. Они должны приготовить третью чашку так же, как и две другие, но оставить ее открытой. Через несколько дней они обнаружат, что уровень воды падает. Часть воды испарилась или превратилась из жидкости в водяной пар.
Попросите детей поставить одну из своих чашек с водой на поднос «идет в морозилку», а другую — на поднос «остается в комнате». Поместите чашки для заморозки в морозильную камеру на ночь. Достаньте их из морозилки непосредственно перед тем, как увидеть детей во время следующего сеанса.
После того, как вода в чашках замерзнет, верните по две чашки в каждую группу. Предложите детям сравнить свои чашки.
- Что, по их наблюдениям, произошло? Вода превратилась в лед.
- Как называется переход из одной формы вещества в другую? Изменение состояния!
- Что они заметили относительно уровня воды и льда по сравнению с линиями, которые они начертили, чтобы отметить уровни воды первоначально? Лед находится выше линии, которую они нарисовали, но вода все еще находится на той же линии.
- Как это может быть? Являются ли лед и вода одной и той же «вещью» (составом)? Да. Что случилось, когда лед замерз? Он «вырос» или расширился. Некоторые дети могут сказать, что воды добавили больше, поэтому и льда больше.
Попросите детей взвесить свои чашки.
- Есть ли разница в весе? Нет (кроме небольшой изменчивости шкалы, гири должны быть одинаковыми).
- Какой вывод могут сделать дети о количестве воды, содержащейся во льду? Это то же самое, что и количество воды, с которой они стартовали.
Расскажите детям, что плотность льда и воды различается. В ходе эксперимента у детей было одинаковое количество материала в обеих чашках — одинаковое количество воды, — но когда они заморозили воду, объем изменился. Количество воды было «растянуто», чтобы сделать больший объем льда.
- Что должны были сделать дети, чтобы лед наполнил чашку только до линии, когда вода замерзнет? Добавить меньше воды!
Лед менее плотный, чем вода. Если бы у вас был такой же объем льда или лед, который доходил бы только до линии на чашке, он содержал бы меньше материала (воды), чем вода того же объема.
Примечание ведущего: Плотность — это масса на единицу объема, или отношение количества вещества в объекте к его объему, или проще говоря:
- Масса = количество «вещей»
- Вес = насколько тяжел этот «материал» (Вес определяется силой гравитационного притяжения объекта, которая является свойством массы планеты, на которой находится «материал». Чем больше гравитационное притяжение, тем больше «вещь» весит.)
- Плотность = насколько плотно упакован материал
- Объем = площадь пространства, которое занимает «материал»
Если мы применим эту информацию к чашкам, чашка с водой и чашка со льдом имеют одинаковую массу, то есть количество «вещества». Поскольку у них было одинаковое количество «материала», они имеют одинаковый вес. 0003
«Вещество» (молекулы) в воде упаковано более плотно, чем во льду, поэтому вода имеет большую плотность, чем лед. Не позволяйте тому факту, что лед является твердым, обмануть вас!
При замерзании вода расширяется. Итак, лед имеет больший объем (занимает больше места, но имеет меньшую плотность), чем вода.
Расскажите детям, что это особое свойство воды. По мере того как большинство веществ становятся холоднее, их материал (молекулы) сжимается все ближе и ближе друг к другу, как пингвины, прижавшиеся друг к другу, чтобы согреться. Молекулы воды, однако, не любят сжиматься. Они рассредоточиваются, как акробаты, формируя кристаллы льда, как мы видим в снежинках и морозе.
Примечание ведущего: Молекулы воды в жидком состоянии словно свисают вместе, как капли, но в твердом (замороженном) состоянии им нужно свое пространство.
Молекула воды похожа по очертаниям на Микки Мауса, с двумя атомами водорода, расположенными на одном конце атома кислорода. Атомы кислорода заряжены положительно, а атомы водорода — отрицательно, поэтому молекулы воды прилипают друг к другу, как крошечные магниты. Водородные «уши» образуют рыхлые связи, называемые водородными связями, с кислородными «гранями» других молекул воды.
Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (белый) и одного атома кислорода (красный). Атомы водорода не расположены по разные стороны от атома кислорода; они встречаются на одном конце. Изображение изменено с: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:h3O_(water_molecule).jpg.
В кристаллах льда их водородные связи связывают их вместе, как акробатов, стоящих друг на друге с вытянутыми руками и ногами. Это обеспечивает большее пространство между молекулами в кристаллической структуре льда, чем молекулы жидкой воды. В результате 9Лед 0066 менее плотный, чем жидкая форма. Вода — единственное известное неметаллическое вещество, расширяющееся при замерзании; его плотность уменьшается, и он расширяется примерно на 9% по объему.
Попросите детей записать свои результаты и интерпретации в свои журналы Ice Investigator .
Попросите детей предсказать, что произойдет, если лед, который менее плотный, чем вода, поместить в воду? Узнайте в следующем задании!

Заключение

Если дети начали собирать снегоход, предложите им записать найденные ответы на соответствующих деталях. Вот некоторые из вопросов, на которые они могут ответить:

Когда вода превращается в лед, она расширяется/сжимается. (обведите один)
Вода более плотная/менее плотная, чем лед. (обведите один)

Попросите их комментировать любые новых вопросов, которые у них есть, или интересные вещи, которые они узнали, о соответствующих формах дождевой капли, облака или снежинки.

Тепловое расширение и плотность | ЗЕМЛЯ 111: Вода: наука и общество

Печать

Тепловое расширение и плотность

Когда вода является жидкостью, молекулы воды упакованы относительно близко друг к другу, но могут скользить друг относительно друга и свободно перемещаться (как указывалось ранее, это делает это жидкость). Чистая вода имеет плотность 1000 г/см3 при 4˚C. При повышении или понижении температуры от 4˚C плотность воды уменьшается. На самом деле, если вы измерите температуру глубокой воды в больших озерах в умеренных широтах (например, на широте Пенсильвании и Нью-Йорка), которые замерзают зимой (таких как Великие озера), вы обнаружите, что температура 4°С; это связано с тем, что пресная вода имеет максимальную плотность при этой температуре, а по мере того, как поверхностные воды остывают осенью и в начале зимы, озера переворачиваются и заполняются водой с температурой 4˚C.

Рис. 3. График зависимости плотности от температуры

Источник: Майк Артур и Демиан Саффер

Однако при добавлении растворенных твердых веществ в чистую воду для повышения солености плотность увеличивается. Плотность средней морской воды соленостью 35 o/oo (35 г/кг) и при 4°С составляет 1,028 г/см3 по сравнению с 1000 г/см3 для чистой воды. Добавляя соли в морскую воду, вы также изменяете некоторые другие ее свойства. Кстати, увеличение солености увеличивает температуру кипения и снижает температуру замерзания. Обычная морская вода замерзает при -2˚C, что на 2˚C холоднее, чем чистая вода. Увеличение солености также снижает температуру максимальной плотности. Этот эффект также помогает объяснить, почему вы должны добавлять соль в лед при приготовлении мороженого или в воду при варке спагетти (хотя в этом случае влияние на температуру кипения незначительно, а соль добавляется в основном для аромата). .

Однако при замерзании воды образуются связи, удерживающие молекулы на месте в правильном (гексагональном) порядке. Почти у каждого известного химического соединения молекулы удерживаются ближе друг к другу (связаны) в твердом состоянии (например, в форме минерала или льда), чем в жидком состоянии. Однако вода уникальна тем, что связывается таким образом, что в твердом состоянии (льде) молекулы находятся на большем расстоянии друг от друга, чем в жидком. Вода расширяется при замерзании, делая ее менее плотной, чем вода, из которой она замерзает. На самом деле его объем чуть больше 9% больше (или плотность примерно на 9% ниже), чем в жидком состоянии. По этой причине лед плавает на воде (как кубик льда в стакане с водой). Это последнее свойство очень важно для организмов в океанах и/или пресноводных озерах. Например, рыба в пруду переживает зиму, потому что лед образуется на поверхности пруда (она плавает) и эффективно изолирует (не так эффективно отводит тепло из пруда в атмосферу) остальную часть пруда внизу, предотвращая ее замерзание. сверху вниз (или снизу вверх).

Если бы вода не расширялась при замерзании, то при замерзании она была бы более плотной, чем жидкая вода; поэтому он утонул бы и заполнил бы озера или океан снизу доверху. Когда океаны заполнятся льдом, жизнь в них будет невозможна. Мы все знаем, что расширение жидкой воды до льда имеет огромную силу. Вы или член вашей семьи (вы же не признаетесь в этом, не так ли?) когда-нибудь оставляли полную емкость с водой с плотно закрывающейся крышкой (или даже банку газировки?) в морозильной камере? Другими словами, 10 чашек воды, помещенных в морозильник, при замерзании превратятся в 11 чашек льда (упс).