Плотность воды химия: физические свойства и зависимость плотности от температуры

70. Физические свойства воды. . Общая химия

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°C плотность ее также увеличивается.

— 198 —

При 4°C вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°C и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°C. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°C, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры, При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.



Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4.18 Дж/(г К)]*. Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к эиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

* Укажем для сравнения значения удельной теплоемкости некоторых веществ [ Дж/(г К)]: песок 0,79, известняк 0,88, хлорид натрия 0,88, глицерин 2,43, этиловый спирт 2,85

В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Это вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при 0°C. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при 0°C вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине —ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния O-H близки к 0,1 нм , расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды

Рис. 71. Схема строения молекулы воды.

— 199 —

Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи O-H, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.

Как уже указывалось на стр. 132, атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp3-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104.3°) близок к тетраэдрическому (109.5°). Электроны, образующие связи O-H, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных sp3-орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса (рис. 71).

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях (см. § 80), оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е., соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды (см. рис. 57 на стр. 148). Как уже говорилось в § 47, ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме

в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры льда изображена на рис. 72. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя.

— 200 —

Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы H2O.

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как бы обломки структуры льда, — состоящие из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°C этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°C преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°C вода обладает максимальной плотностью.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.



Аномалии воды и ее удивительные свойства

Вода — одно из самых загадочных и важных веществ на планете Земля. Регулярно ученые и исследователи открывают новые факты, расширяют спектр знаний, но остается еще множество вопросов без ответов. Н2О — универсальный компонент строения планет нашей галактики, а возможно и многих других. Именно этот элемент определяет структуру планет, наличие жизни и характер нежилых объектов. Земля — не исключение.

Множество умов ежедневно пытаются разгадать загадки. Непостоянная плотность, уникальная теплоемкость, поверхностное натяжение, структуры, образуемые молекулами, возможность поглощать и передавать информацию — это и многое другое обсуждалось не раз. Очередное исследование опубликовано в журнале “Proceedings of the National Academy of Sciences”, его темой стала возможность самоорганизации молекулами воды.

Открытие, перевернувшее представление

О неразгаданных наукой свойствах, которым иногда даже приписывают магическую основу, можно говорить бесконечно. В обычной жизни мы мало о них задумываемся, нас больше интересует бытовая и питьевая вода для дома, ее качества.

Четыре свойства, получивших объяснение:

  1. Максимальная плотность пресной воды достигается при +3,98 градусах по Цельсию. При дальнейшем снижении температуры, в отличие от других жидкостей, плотность снижается. При 0 градусов, резкое снижение приводит к почти 10% увеличению объема. Благодаря этому в относительно мелких водоемах сохраняется жизнь. Если бы плотность Н2О, как и прочих жидкостей, увеличивалась и далее, в реках и озерах после зимы выжили бы только бактерии.

  2. Соленая вода в морях и океанах достигает максимальной плотности при -3,5 градусах по Цельсию. Поэтому при 0 она не превращается в лед, продолжает перемещаться вертикально между слоями, поддерживая жизнь обитателей. В зависимости от содержания солей, температура перехода жидкости в твердое состояние варьируется от -1,8 до -2,1 градусов по Цельсию.

  3. Высокая теплоемкость наглядно прослеживается на океанических течениях. Нагретая в экваториальных и близких к нему регионах вода, перемещается на север, где согревает обитателей других широт. В странах на побережьях климат более мягкий. Отсутствуют резкие перепады температур при смене времени суток и сезонов.

  4. Каждый хоть раз видел насекомых, бегающих по поверхности воды, капельку, переливающуюся на солнце и огромное дерево, которое питается влагой снизу. Все это происходит благодаря высокому поверхностному натяжению.

Четыре приведенных выше факта получили долгожданное объяснение. Специалисты центра синхротронного излучения в Стэнфорде во главе с Андерсоном Нильсоном разгадали структуру, образуемую самоорганизующимися молекулами Н2О. Ранее предполагалось, что существует одна структура. Благодаря синхотронам, расположенным в США и на территории Японии под воздействием ускоренных элементарных частиц (мощное рентгеновское излучение) определили наличие двух структур. Первая структура, сходная со льдом — это не плотные сгустки примерно по 100 молекул в каждом. Их большинство. Они окружены более плотными и не такими упорядоченными сгустками, которые хаотично окружают первую структуру. При понижении температуры структура остается неизменной. А при подогреве и достижении 100 градусов по цельсию частично изменяется. Превалируют неупорядоченные, первоначальное строение искажается. В нашем климатическом поясе благодаря смене сезонов водопроводная вода имеет разную плотность. Несмотря на это получить качественную для использования людьми можно используя фильтры обратного осмоса. Он может работать в широком диапазоне и качество водообработки не зависит от структуры и молекулярных соединений.

Нильсон в своей речи описал процесс сравнив его с танцполом в клубе. Первую упорядоченную структуру он приравнял к отдыхающим за столиками. А вторую разрозненную к танцующим, толкающимся и постоянно движущимся на небольшой площади людям. Кипение — момент когда на вечеринке все танцуют, столики убирают и на площадке практически хаос. А при охлаждении жидкости все упорядочивается, столики стоят на местах. Люди танцуют, отдыхают, меняются местами. Двойная структура может служить объяснением отсутствия прямой зависимости между температурой и плотностью. Упорядоченная структура мало подвержена изменениям плотности при колебаниях температуры.

Аномалии требующие разгадки

Несмотря на развитие науки и техники, многое остается тайной. Далее хотелось бы упомянуть факты, не получившие разъяснений до текущего момента. Возможно они помогут вам больше узнать о ценных свойствах важнейшего элемента или именно вы сможете объяснить их, тем самым совершить научное открытие.

А вы знаете, что:

  1. Вода — практически единственная жидкость, которая способна растворить любые вещества. Как гласит закон Кулона — сила взаимодействия заряженных частиц в Н2О меньше чем в воздухе, приблизительно в 81 раз. При повышении температуры молекулы диссоциируют, образуя ионы. Эта способность растворять в себе различные вещества приводит к тому, что чистой воды на планете практически не существует. Поэтому для получения пригодной для питья воды рекомендуем использовать проточные фильтры.

  2. Вода имеет память, это научно доказанный факт. В целях изучения климатических изменений на планете Земля, ученые вырезали кусок ледника в Гренландии. На 1,5 километровом куске можно легко проследить как намерзал лед, а следовательно изменялся климат. Исследовав “скибку” ученые смогли достоверно восстановить тысячелетнюю историю колебаний температуры, выявили периодичность. Холоднее всего было в 15, 17 и 19 веках. А наиболее жаркими, если верить изотопному анализу были 1550 и 1930 года. На основании этих данных сейчас составляют прогноз на ближайшее будущее.

  3. Спорный для науки, но не для коммунальных служб, является факт о пользе прохождения воды через магнитное поле. Работники теплоцентрали заметили — при нагревании на стенках котла, насосов и труб образуется накипь. Твердый налет сложно убирается и засоряет систему. В то же время вода, прошедшая магнитную установку, образует рыхлый осадок, который не “прилипает” к стенам. Это продляет срок службы оборудования, снижает расходы на эксплуатацию. В бытовых условиях сохранить работоспособность котлов и защитить от накипи поможет магистральный фильтр Ecosoft.

  4. Скорость протекающих в воде реакций зависит от времени. Парадоксально но факт, доказанный тысячами опытов, проводимых химиками всей планеты в течении 15 лет. Они одновременно в одинаковых условиях, по единой схеме начинали процесс растворения веществ в Н2О. И результат у всех оказывался разным. Проанализировав собранный материал, выявили — вода реагирует на изменение солнечной активности, процессы в космосе, изменение скорости вращения Земли, течение времени на планете и смену часовых поясов. Почему так, еще не разгадано.

Это только малая часть фактов. Вода, поистине удивительное и достойное внимания вещество. От ее чистоты зависит наше счастье. Достичь гармонии помогут фильтры на 6 ступеней очистки, с ними вы всегда будете обеспечены полезной водой.

В нашем магазине часто покупают: системы очистки воды Ecosoft,
колонный фильтр Ecosoft Одесса,
кабинетные фильтры Ecosoft,
магистральный фильтр Ecosoft,
мембрана для осмоса Экософт,
минерализатор Ecosoft для обратного осмоса,
картридж Экософт для фильтра в Киеве,
фильтры на 3 ступени очистки Екософт,
фильтр-кувшин Ecosoft для воды,
проточный фильтр Ecosoft для воды.

Плотность воды — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

  • + Создать новую коллекцию

    • Плотность воды меняется в зависимости от температуры и солености. Плотность измеряется как масса (г) на единицу объема (см³). Вода имеет наибольшую плотность при 3,98°C и наименьшую плотность при 0°C (точка замерзания).

    Почему лед плавает в воде?

    • Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Связи между молекулами воды называются водородными связями.
    • Когда вода охлаждается до 3,98°C, ее масса остается неизменной, но объем уменьшается — та же масса помещается в меньшее пространство, поэтому она более компактна.
    • Когда вода замерзает при 0°C, ее масса остается неизменной, но ее объем увеличивается на 9%.
    • В жидкой воде молекулы притягиваются друг к другу и временно удерживаются вместе водородными связями.
    • Когда вода замерзает при 0°C, образуется жесткая открытая решетка (наподобие паутины) из молекул, связанных водородными связями. Именно эта открытая структура делает лед менее плотным, чем жидкая вода. Вот почему айсберги плавают.

    Плотность при разных температурах

    Вода в:

    • 30 ° C составляет 0,9957 г CM -=
    • 4 ° C составляет 1,0000 г CM -=
    • 0 ° C равен 0,9998 G CM -=

    HOW влияет ли соленость на плотность воды?

    • Соль состоит из множества ионов натрия и хлора, объединенных в решетку. На каждый ион натрия приходится один ион хлора (соотношение 1:1).
    • Соль растворяется в воде, потому что притяжение между молекулами воды и ионами натрия или ионами хлора сильнее, чем притяжение между ионами натрия и ионами хлора в решетке. Это позволяет ионам натрия и хлора разделяться молекулами воды. Водород молекулы воды притягивается к ионам хлора, а кислород – к ионам натрия.
    • Добавление соли в воду делает раствор более плотным, чем пресная вода – он замерзает при более низкой температуре.
    • Соленость морской воды составляет около 3,5%, а температура замерзания составляет около -1,9°C.
    • Поскольку в море образуется лед, соль не может образовывать часть кристалла льда, поэтому лед представляет собой почти чистую воду. Выбрасываемая соль образует подо льдом рассол и становится все более и более соленой, пока не становится настолько плотной, что тонет, вытесняя менее плотную морскую воду, выходящую на поверхность. Вот почему морская вода в Антарктиде очень соленая.

    Связанный контент

    В статье «Плотность океана» подробно рассматривается, как соленость, температура и глубина влияют на плотность морской воды.

    Узнайте больше о плотности и ее влиянии на плавучесть и опускание в статье «Концепции строительной науки: плавание и опускание».

    Ощущение тонущего — это статья уровня 4 Connected , которая знакомит с понятиями, лежащими в основе плавания и погружения в контексте гребных гонок. Материалы для поддержки учителей содержат ссылки на учебные программы и содержат предложения о том, как статья может быть использована для расширения научных возможностей при критике доказательств.

    Идеи для занятий

    Плотность – учащиеся знакомятся с понятием плотности. Они рассчитывают объем различных материалов, чтобы определить, а затем ранжируют их плотности.

    Плавающие яйца – учащиеся исследуют плотность воды, плавая яйцо в пресной и соленой воде.

    Исследование морской воды – учащиеся исследуют некоторые свойства морской воды.

    Температура воды – учащиеся смотрят, что происходит, когда встречаются горячая и холодная вода.

    Полезные ссылки

    Видео из Академии Хана, демонстрирующее водородные связи в жидкой воде.

    В этом видео TedEd узнайте, почему лед плавает в воде?

    Калькулятор плотности воды с веб-сайта Omni Calculator.

    Есть много рыб и беспозвоночных, которые выживают в океанах и под морским льдом вокруг Антарктиды. Ученые обнаружили, что у них есть различные стратегии, которые позволяют им выживать в этой среде, исследуя адаптацию антарктических животных на сайте Cool Antarctica.

      Опубликовано 19 июля 2007 г. Ссылки на концентраторы

        Перейти на полный глоссарий

        Добавить 0 пунктов в коллекцию

      1. + Создайте новую коллекцию

        2. Скачать 0 0003

        Скачать все

        9009 .

        Название: Плотность воды

        Уровень класса: средняя школа, старшая школа

        Подготовил: Пэт Шепли

        		 Научные стандарты

        Научная база для учителей

        Введение

        Порядок занятий

        Материалы

        Подведение итогов и обсуждение

        Цели:
        Учащиеся будут использовать это задание, основанное на запросах, для изучения изменений плотности воды в зависимости от температуры. Это будет связано с микроскопическими изменениями движения молекул воды при изменении температуры и с макроскопическим течением океанских течений.

        Научное представление

        11A: Продемонстрировать, что учащиеся могут применять концепции, принципы и процессы научного исследования путем (1) построения исследовательской гипотезы; (2) разработка и проведение научно-исследовательского расследования; (3) сбор и систематизация данных; (4) интерпретация результатов анализа для получения выводов; и (5) отчет о результатах расследования.

        12C: Применять научные исследования или технологические разработки для изучения химических и физических характеристик материи; объяснить, как физические и химические структуры вещества влияют на его свойства.

        12D: Применяйте научные исследования или технологические разработки для исследования крупномасштабных океанографических сил.

        Научная база для учителей

          Структура воды
          Свойства воды
          Температура и теплота
          Океанские течения
        Введение

        Что такое плотность?

        Это физическое свойство связывает массу вещества с его объемом.

          D = m/V

        Вода при стандартных условиях 1 атмосфера и 25 градусов имеет плотность 1,0 г/мл, то есть 1,0 мл воды имеет массу 1,0 грамм.

        Как плотность изменяется с температурой?

        Ожидаете ли вы, что определенная масса жидкой воды будет занимать:

          (a) тот же объем при высокой температуре, что и при комнатной температуре?

          (б) больший объем при высокой температуре, чем при комнатной температуре?

          (c) меньший объем при высокой температуре, чем при комнатной температуре?

        Масса образца чистого материала может сказать нам, сколько молекул он содержит. То, как молекулы упаковываются вместе, образуя конденсированный материал, должно определять объем образца. Мы уже обсуждали трехмерную структуру воды в жидком и твердом состояниях. Пусть жидкие и твердые H 2 O немного отличаются, большинство атомов кислорода в этих материалах присоединено к 4 молекулам водорода.

        Ледяная решетка

        Водяная решетка

        Материалы

        фляга с горячей водой с красным пищевым красителем фляга с водой с кубиками льда, синий пищевой краситель
        Градуированный цилиндр 100 мл термометр
        прозрачный пластиковый контейнер или таз прихватка или утепленная перчатка
        электроплитка или другой водонагреватель лед и ведерко для льда
        колбы или мензурки стеклянная палочка для перемешивания

        Процедура деятельности

        Учащиеся будут работать в группах по 2-3 человека, и каждая группа будет иметь доступ к вышеуказанным материалам. Загрузите лабораторный лист здесь.

        Вопрос 1: Имеет ли горячая вода ту же плотность, что и холодная?

        1. Разработайте план ответов на вопрос №1 и запишите этот план в тетради.
        2. Как ваша процедура ответит на вопрос исследования? Какие доказательства вы будете искать?
        3. Есть ли какие-либо наблюдения, сделанные вами ранее, которые относятся к этому вопросу?
        4. Выполните процедуру и запишите все свои наблюдения в лабораторную тетрадь.
        5. Каков ваш вывод?

        Вопрос 2: Если плотность изменяется с температурой, как она изменяется?

        1. Разработайте план ответов на вопрос № 2 и запишите этот план в своей тетради.
        2. Как ваша процедура ответит на вопрос исследования? Какие доказательства вы будете искать?
        3. Выполните процедуру и запишите все свои наблюдения в лабораторную тетрадь.
        4. Каков ваш вывод?

        Учащиеся должны использовать прихватку или термоизолированную перчатку, чтобы перекачивать горячую воду из нагретой флейты в фляги или градуированные цилиндры.
        Учащиеся могут осторожно наливать горячую и холодную воду в тазик. Вода смешивается очень медленно, поэтому учащиеся должны видеть 2 слоя с холодной водой на дне.

        Изучая, как изменяется плотность в зависимости от температуры, учащиеся могут налить горячую воду в мерный цилиндр и наблюдать за изменением объема при охлаждении воды или исследовать изменение в холодной воде при ее нагревании. Они не должны пользоваться водонагревателем или плитой напрямую.

        Следует обсудить погрешность измерения объема. Учащиеся могут графически изобразить свои результаты по отдельности или объединить данные и сделать это в группе.

        Резюме и обсуждение
        1. Что плотнее, холодная вода или горячая вода?
        2. Откуда ты знаешь?
        3. Почему холодная и горячая вода не смешались?
        4. По вашим данным, можете ли вы найти зависимость между объемом воды и температурой?
        5. Основываясь на нашей модели связи воды, как мы можем объяснить изменение объема в зависимости от температуры?
        6. Различные океанские течения текут отдельно, потому что они имеют разную температуру и разную концентрацию растворенной соли.