Физические свойства льда и его использование

Под голубыми небесами

Великолепными коврами,

Блестя на солнце, снег лежит,

Прозрачный лес один чернеет,

И ель сквозь иней зеленеет,

И речка подо льдом блестит.

А. С. Пушкин

В работе мы собрали интересный материал о свойствах льда. Он является наиболее распространенным и важным в природе веществом. Лед является одним из агрегатных состояний воды. Вода – самое необыкновенное вещество в мире. Всем известная вода среди необозримого множества веществ занимает совершенно особое, исключительное место. Мы расскажем о некоторых загадочных свойствах льда, которые до сих пор ученые не могут еще понять и объяснить.

Важным стало открытие «памяти» воды. То есть если в воде растворено какое-то вещество, то даже после очень тщательной очистки она все равно «помнит» действие этого вещества. Все разработанные методы очистки водопроводной воды не дают гарантии, что ее «память» станет чистой. Свойства льда также многогранны, как и окружающий нас мир.

Четвертого января 2005 года в Северодвинске прошел фестиваль ледовой скульптуры. 13 мастеров из Москвы, Перми, Санкт-Петербурга, Архангельска, Вельска, Каргополя создавали конкурсные скульптуры. Иногда поверхность фигуры корректировали утюжком, феном, а то и теплом собственной ладони. Использовались терки, щетки, фрезы, стамески и т. д. Зрители могли наблюдать лед матовый и прозрачный, заполненный пузырьками, играющий гранями на свету. Лед на каждом водоеме разный. Лажечников И. И. описывает ледяной дом, построенный в Санкт-Петербурге в 1740 году.

Люди издавна используют лед: ледники – погреба со льдом; ледянки – ледяные дороги; строительство домов, гостиниц и т. д. (в Архангельске в январе 2006 года была построена «ледяная колокольня» из сказки Степана Писахова). Общее количество льда на планете влияет на климат. Поэтому изучение свойств льда актуально в наше время.

Меня заинтересовала тема аномалий воды и льда. Мы ознакомились с книгами И. В. Петрянова, Л. В. Тарасова, Г. И. Зацепиной, печатной продукцией по этому вопросу. Мне близка точка зрения по этому вопросу точка зрения академика Игоря Васильевича Петрянова. Мы поставили цель доступными методами исследовать некоторые свойства льда. С этой целью мы исследовали процессы замерзания воды в магнитном поле, некоторые аномалии и физические характеристики льда. Проводили опыты по получению цветного льда. Изучали изменение объема льда при кристаллизации.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА

Молекула Н2О - уникальный представитель ряда химических и изоэлектронных гомологов. Она двойной симметричный донор и акцептор протонов

Строение молекулы воды

Молекула Н2О является самым маленьким и легким представителем гомологического ряда: Н2О, Н2S, Н2Se, Н2Те. Свойства молекулы Н2О определяются максимально неоднородным распределением средней плотности электронов по молекуле.

В 1780г. Кавендиш и Лавуазье установили, что вода построена из кислорода и водорода.

Гей-Люссак и Гумбольдт показали в 1805 г. , что молекула построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В 1842 г. Дюма установил весовое соотношение водорода и кислорода в воде как 2:16. В 1929 г. был определен изотопный состав воды.

В воде кроме Н2О представлены следующие изотопы: Н218О, Н217О, и HDO в количестве 0,2%, 0,4% и 0,03% соответственно. Таков изотопный состав естественной воды.

Энергия образования молекулы

Причина образования молекул из свободных атомов заключается в понижении полной энергии системы при сближении атомов. Понижение энергии при этом в основном определяется понижением энергии электронов. Колебательная, вращательная и энергия электрического отталкивания ядер в молекуле малы по сравнению с электронной энергией. Разность между полной энергией электронов молекулы и энергией электронов отдельных атомов, составляющих молекулу, называется электронной энергией связи молекулы. Для воды она составляет ~ 1/200 от полной электронной энергии молекулы. (Полная энергия молекулы воды определяется как разность между энергией, которой обладает неподвижная молекула Н2О и энергией покоящихся составляющих ее электронов и ядер, при их бесконечном разделении. )[5,стр. 8] При образовании молекулы сила притяжения и сила отталкивания играет одинаково важную роль, т. к. структура молекулы определяется равнодействующей этих сил. Сила отталкивания является более короткодействующей, чем сила притяжения. Для многоатомной молекулы потенциальная энергия является функцией нескольких переменных. В молекуле воды потенциальная энергия зависит от длины О – Н связи и от угла молекулы НОН.

Размеры и форма молекулы воды

Молекула Н2О имеет структуру равнобедренного треугольника. Вершину треугольника занимает кислород, а два атома водорода лежат в его основании.

О 0,095 нм

Н105° Н

При образовании молекулой воды водородных связей с соседями во льду I угол возрастает до 109°.(Увеличение угла энергетически выгодно).

Молекула воды представляет собой двойной симметричный донор и акцептор протонов. Она может отдать 2 протона на связь с другими молекулами и принять 2 протона от других молекул. Геометрия молекулы воды уникальна среди изоэлектронных гомологов. Только в системе молекул воды водородные связи полностью определяют геометрию кристаллов Н2О и свойства жидкой воды.

У молекулы Н2О самые маленькие значения средних амплитуд колебаний атомов среди молекул гомологического ряда, но они велики по абсолютной величине ~ 7% от длины связи.

Электрические свойства

Наличие дипольного момента у молекулы Н2О показывает, что молекула Н2О не обладает центром симметрии. Величина дипольного момента зависит от состояния молекулы. Дипольный момент молекулы изменяется при возбуждении молекулы из-за изменения ее геометрии. На большом расстоянии молекулу Н2О можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такая в целом нейтральная система зарядов называется электрическим диполем. Вода относится к полярным диэлектрикам. Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Водородные связи

Водородные связи представляют собой сильное молекулярное взаимодействие, которое способно изменить структуру взаимодействующих молекул. Атомы водорода одной молекулы оттягивают к себе электроны атомов кислорода соседних молекул. За счет таких водородных связей каждая молекула воды оказывается прочно связанной с четырьмя другими соседними молекулами. [9, стр. 38]

СВОЙСТВА ЛЬДОВ

Структура льда

Вода как никакое другое вещество обладает многообразием кристаллических фаз – полиморфных форм льдов. Лед 1 – гексагональный лед (Т=0°С Р=1,0 атм. ), является одним из представителей тринадцати видов льдов, в которые кристаллизуется вода в зависимости от температуры и давления.

В 1929г. Бернс исследовал расположение атомов кислорода в кристалле льда 1 с помощью дифракции рентгеновских лучей и показал, что они расположены в вершинах тетраэдра. На рисунке видна ажурная структура кристалла льда с большими коридорами.

Электропроводность льда

Электропроводность льда была определена Джонстоном в 1912 г. Проводимость кристалла льда ионная. Она изменяется при изменении температуры.

Теплоемкость льда

Лед 1 обладает маленькой по сравнению с водой теплоемкостью. Это объясняется анизотропией колебаний протона во льду. ( С воды = 4200 Дж/(кг·°С), С льда = 2100 Дж/(кг·°С))

В своих лабораториях человек открыл не менее удивительные льды. В природе их найти нельзя, они могут существовать только при очень высоких давлениях. Обычный лед сохраняется до давления 208 МПа, он плавится при температуре -22° С. Если давление выше возникает более плотный лед III, который тонет в воде. При давлении 300 МПа и более низкой температуре образуется еще более плотный лед II. При давлении около 2 ГПа возникает лед VI. Этот лед выдерживает, не плавясь, температуру +80°С. При давлении 3 ГПа образуется лед VII, который плавится при температуре +190° С. Он обладает необычайно высокой твердостью. Этот лед может стать причиной внезапных катастроф. В подшипниках мощных турбин электростанций развивается огромные давления. Если в смазку попадет немного воды, она замерзнет, несмотря на то, что температура подшипников очень высока. Частицы такого льда разрушат вал и подшипник.

При какой температуре вода должна замерзать?

Этот вопрос странен. Ведь вода замерзает при 0оС. Это знает каждый. Более того, эта температура выбрана в качестве опорной точки температурной шкалы. Это самое обычное свойство воды.

Температура замерзания (кристаллизации) различных веществ не случайна. Она зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева. Вода – это гидрид кислорода. Гидрид кислорода на основании своего положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

«Свойства любого химического соединения зависят от природы образующих его элементов и, следовательно, от их положения в периодической системе химических элементов Менделеева. На этих графиках (см. приложение А) приведены зависимости температур плавления водородных соединений IV и VI группы периодической системы. Вода является поразительным исключением. Благодаря очень малому радиусу протона силы взаимодействия между ее молекулами столь велики, что разделить их очень трудно, поэтому вода кипит и плавится при аномально высоких температурах. Кроме воды в значительно меньшей степени аномальными свойствами обладают аммиак и фтористый водород.

Нормальная зависимость температуры плавления гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева.

Среди гидридов элементов VI группы вода нарушает порядок: должна была бы плавиться при минус 1000 С , а ледяные сосульки тают при 00 С ».

Вода – очень удивительное, непослушное вещество. Она не подчиняется физико-химическим закономерностям. Взаимодействие её молекул необычайно велико. Требуется интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть дополнительное притяжение. Это приводит к резкому повышению температуры кипения и плавления воды. В условиях нашей Земли жидкое и твердое состояние воды это аномалии. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние. Так как температура кипения воды должна была бы равняться -80°С.

Плотность льда меньше плотности воды – это тоже аномалия

Плотность льда равна 900кг/м3. Плотность воды – 1000 кг/м3. При переходе воды из жидкого состояния в твердое состояние, ее объем увеличивается и лед плавает на поверхности. В океане плавают гигантские айсберги. Озера зимой покрыты плавающим сплошным слоем льда. Конечно лед легче воды. Объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном расплаве. Лед плавает в воде. Это свойство воды – аномалия в природе (совершенно замечательное исключение - все другие вещества имеют плотность в твердом состоянии больше чем в жидком). Представим себе, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами, а лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды. Если вода подчинялась бы общей закономерности, зимой весь лед тонул бы в воде, погружаясь на дно. Летом лед под толщей воды не мог бы растаять. Постепенно все водоемы (озера, пруды, реки) промерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледяные глыбы. Промерзли бы моря, а за ними и океаны. Земля стала бы сплошной ледяной пустыней, лишь изредка покрытой тонким слоем талой воды. Привычная нам всем вода в жидком состоянии обладает необыкновенными свойствами. Вода - единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Примерно при +4°С у воды наибольшая плотность. (Редкостную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что жидкая вода представляет собой сложный раствор необычайного состава: это раствор воды в воде. При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворены в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры большие молекулы разрушаются, и плотность воды растет. Начиная с+4°С, плотность воды снова падает. ) Такое необычайное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоемах перед наступлением зимы охлаждающаяся вода постепенно опускается вниз, пока температура всего водоема не достигнет +4°С. При дальнейшем охлаждении более холодная вода останется сверху и перемешивание прекращается. В результате создается необычайное положение: тонкий слой холодной воды становится как бы « теплым одеялом» для всех обитателей подводного мира.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛЬДА

Наблюдение кристаллизации воды и парафина

Температура кристаллизации воды 0°С, парафина +80°С. Мы заполнили водой углубление в ножке перевернутой рюмки, а также капнули несколько капель воды на блюдце и поместили их в холодильник. Когда вода замерзла, я увидела, что замерзшие капли заострились, в середине углубления рюмки образовался конусообразный бугорок.

Повторила аналогичный опыт с парафином. Налила расплавленный парафин (полученный от горящей свечи) в углубление рюмки и поместила в холодильник. После застывания парафина на его поверхности обнаружила впадину.

Объяснение: При замерзании вода сильно расширяется, поэтому на поверхности льда и образуется бугорок. Вода при замерзании расширяется по всем направлениям. Увеличение объема воды при замерзании следует учитывать в быту и технике.

Впадина на поверхности парафина появляется в результате того, что парафин при переходе из жидкого состояния в твердое сжимается, т. е. его объем уменьшается.

Наблюдение пузырьков воздуха внутри льда

Налила в баллон лампочки накаливания воду до высоты его максимального горизонтального диаметра. Когда вода замерзла, увидела красивую картину. Края образовавшегося ледяного слитка в основном прозрачны. Кое-где в лед вкраплены пузырьки воздуха различной формы и размеров, а в середине слитка — непрозрачный сгусток, напоминающий свернувшегося в клубок ежа. В следующем опыте подкрасила воду «зеленкой». Картина оказалась ещё более красивой. По краям лед остался прозрачным, неокрашенным. В средней части окраска сильно сгустилась, «ёж» казался зеленым.

Объяснение: Вода начинает замерзать на свободной поверхности и около стенок. Затем замерзание постепенно распространяется к центру объема воды. Там образуется множество различно направленных ледяных кристаллов. Так возникает непрозрачный сгусток из сросшихся кристаллов, который рассеивает свет по всем направлениям. При отвердевании воды ее объем увеличивается. Внутри льда возникают пустоты. В воде всегда имеются мельчайшие пузырьки воздуха. При замерзании воды они сливаются и образуют более крупные пузырьки. Они хорошо видны там, где лед прозрачен.

Подкрашенная вода ведет себя аналогично чистой воде. При переходе из жидкого состояния в твердое ее молекулы должны расположиться упорядоченно. В результате молекулы красящего вещества вытесняются от краев к середине объема жидкости. Лед остается прозрачным по краям и оказывается сильно окрашенным в середине.

Также я заметила, что при замерзании воды в бутылке всегда имеется много пузырьков воздуха. Расположены они упорядоченно. Пузырьки образуют цепочки вытянутые вдоль направления, в котором относительно стенок сосуда двигалась граница раздела вода-лед. Иногда пузырьки сливаются, образуя сплошную трубочку внутри льда.

Объяснение

При образовании из жидкой воды кристаллического льда расположение молекул воды приобретает упорядоченный характер. Замерзающая вода содержит растворенный в ней воздух. Инородные для воды молекулы кислорода и азота не встраиваются в кристаллическую решетку льда. Они «выживаются» изо льда в «лагеря беженцев» (в жидкую воду). Вблизи границы раздела фаз вода-лед концентрация газа все время поддерживается избыточной. Прилипший к поверхности льда пузырек воздуха не успевает всплыть, и вода вокруг него превращается в лед.

(Каждой температуре, в том числе и температуре замерзания воды, соответствует определенная предельная концентрация растворенного газа. Если концентрация газа больше предельно допустимой, то он выделяется в виде пузырьков. )

Продолжающее замерзание воды в сосуде происходит так, что поток холода от стенок сосуда в том месте, где образовался пузырек, становится менее интенсивным. Воздух в пузырьке проводит тепло (холод) гораздо хуже, чем окружающий пузырек лед. За пузырьком вода не так быстро охлаждается. Поэтому именно сюда, в жидкую фазу будут вытесняться молекулы азота и кислорода из замерзающей вокруг воды. Именно за пузырьком возникает повышенная концентрация газа в воде. То есть за уже возникшими пузырьками создаются наиболее благоприятные условия для образования новых пузырьков. [4, стр7-8] Цепочки пузырьков тянутся от стенок бутылки к ее середине. В самой середине возникает хаотичное нагромождение крупных и мелких пузырей.

Разрезание льда проволокой

Я взяла тонкую стальную проволоку. К концам проволоки прикрепила тяжёлые предметы, и перебросила проволоку через кусок льда. Размеры поперечного сечения льда приблизительно 7х7см. Через полчаса проволока прошла сквозь кусок льда, а он остался целым.

Объяснение: Лёд под проволокой испытывает повышенное давление. Температуры плавления льда под проволокой и над ней отличаются друг от друга. Под проволокой лёд имеет более низкую температуру плавления(-0,5°С), чем окружающий его лёд. Поэтому под проволокой лёд подтаивает, вода обходит проволоку и над ней снова замерзает. Верх и низ проволоки находятся при разных температурах. Тепло через проволоку передаётся от места, где оно выделяется при замерзании воды (сверху), к месту, где оно поглощается (под проволоку). Теплопроводность льда способствует рассеиванию тепла. Уменьшается разность температур между верхом и низом проволоки. Для успешного проведения опыта теплопроводность проволоки должна значительно превышать теплопроводность льда. Чем ближе температура льда к 0°С, тем быстрее продвигается проволока.

Физические характеристики льда: теплопроводность проволоки:

• теплопроводность β = 2,2 Вт/(м·К); β стали = 40 Вт/(м·К);

• удельная теплоемкость с = 2100 Дж/(кг·К);

• теплота плавления λ = 3,34·105 Дж/кг;

• плотность ρ = 900 кг/м3;

3. Влияние магнитного поля на скорость замерзания воды.

В результате моего эксперимента я пришла к выводу, что вода замерзает значительно быстрее в магнитном поле. (См. приложение Б. ) Считаю, что это свойство можно использовать для быстрого плавления льда и замораживания воды в быту и технике.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛЬДА

ПОЧЕМУ САМОЛЕТ ОСТАВЛЯЕТ В НЕБЕ БЕЛЫЙ СЛЕД?

В турбинах самолёта сгорает углеводородное топливо, а одним из продуктов горения является вода, ее пар, нагретый до высокой температуры. Горячие водяные пары, вылетая из сопла турбины, сразу начинают конденсироваться, образуя нитеобразное облако, состоящее из мельчайших капелек воды или кристалликов льда, т. к. температура на такой высоте ниже -40 °С. Иногда воздух на высоте бывает перенасыщен влагой, которая не может конденсироваться только из-за отсутствия так называемых ядер конденсации - мельчайших частиц, например, пыли. В таких случаях пролетающий самолёт, оставляющий за собой частицы сажи (продукт неполного сгорания топлива), вызывает конденсацию перенасыщенных паров в атмосфере. Поэтому по интенсивности белого следа от летящего самолёта можно судить о влажности воздуха в верхних слоях тропосферы, а значит, и о предстоящей погоде. Быстроисчезающий и едва заметный след говорит о том, что воздух на высоте сухой, а погода будет безоблачной. Ну а если белый след тянется через всё небо, то следует ждать ухудшения погоды. На фотографиях, сделанных со спутников, Земля во многих местах накрыта плотной белой сеткой следов от пролетевших самолётов. (См. приложение Е. ) Было показано, что в некоторых случаях следы превращаются в облака площадью от 4000 до 40 000 км2, оказывая влияние на климат. Прекращение на три дня полётов над территорией США после трагедии 11 сентября 2001 г. резко увеличило прозрачность атмосферы, в результате разница между средней дневной и ночной температурами увеличилась на градус. Таким образом, белые следы от самолётов служат одним из факторов глобального «затемнения» планеты, противодействующих её глобальному потеплению.

СНЕЖИНКИ

Привлекательность снежинок в том, что они обладают множеством мелких граней – «фасеток», на которых свет отражается и преломляется на Солнце. Каждая снежинка – монокристалл, имеющий ветвистую форму в виде шести лучей, выходящих из центрального ядра.

В данной работе мы рассмотрели свойства льда, его аномалии, загадки.

В дальнейшем планирую исследовать зависимость скорости продвижения проволоки от величины нагрузки и температуры льда. Также планирую изучить разницу поглощения энергии электромагнитного излучения (СВЧ-печи) водой и льдом. (Ответить на вопрос: «Можно ли вскипятить воду в ледяном стаканчике». )

Много удивительного установлено при изучении процессов образования и поведения льдов в природе. Как отмечал исследователь Ф. Нансен полярные льды в напряженном состоянии «кричат». Возникает легкий треск и стон, усиливаясь, они переходят через все роды тонов – лед то плачет, то стонет, то грохочет, то ревет. Постепенно возрастая, его «голос» становится подобным звучанию труб органа. Перед разрушением, при критических напряжениях лед звенит, вздыхает, ухает. Планирую установить зависимость между характером звучания льда и температурой воздуха. Это важный раздел физики льда изучен недостаточно.

Планирую изучить энергетику процессов образования и таяния льдов в природе, приблизительно оценить влияние этих процессов на изменение климата.

Есть наблюдения, что ледяные поля и снег долго светятся в темноте. Они испускают слабый свет после того как были освещены солнцем. Интересно было бы это проверить и объяснить.