Как вода превращается в лед? Как замерзает вода

26 месяцев назад

Ею покрыт примерно 71% поверхности Земли, без нее человек проживает не более 7–10 дней, а привычному всем названию соответствует научный термин - оксид водорода. Все это относится к основе любого живого организма - воде. Так называемых агрегатных состояний воды принято различать всего 3 - газообразное, жидкое, твердое. Превращение воды в лед, то есть, переход из жидкого или газообразного состояния в твердое, является достаточно сложным химическим процессом, который принято называть кристаллизацией.

Покрываемая водой площадь земли не отображает ее точное количество. Если бы земля имела ровную поверхность без выпуклостей и впадин, то она была бы покрыта водой полностью слоем в 3 км. Более того, любое живое существо, в том числе и человек, состоит из воды примерно на 50%. Установлено, что находящееся в мантии Земли количество воды превышает запасы Мирового океана в 10 раз. Даже приблизительное количество воды во Вселенной ученые озвучить пока не в состоянии. Помимо этого:

• в химии существуют термины сухая и тяжелая вода;
• ее появление в мантии Земли началось не позже 2,7 млрд лет назад;
• в горячем (теплом) виде она замерзает быстрее, чем в холодном (Эффект Мпембы);
• вода может исполнять функции замедлителя, растворителя, теплоносителя или даже смазочного материала.

Как замерзает вода

Процесс замерзания получил название «кристаллизация». В жидком состоянии структура воды состоит из большого количества молекул, находящихся в непрерывном движении. У этих молекул не получается соединиться в группу под воздействием тепла. То есть, чем выше температура, тем они дальше отдаляются друг от друга. При газообразном состоянии молекулы воды полностью теряют связь друг с другом.

При воздействии низких температур происходит обратный процесс. Движение частиц замедляется, и они становятся все ближе друг к другу, а затем сжимаются в плотную кристаллическую решетку. Установлено, что данная решетка (структура) имеет форму шестигранника, и наиболее привычным ее аналогом является самая обычная снежинка. Следовательно:

• сильно отдаленные друг от друга молекулы - это ближе к газообразному состоянию;
• сжатие молекул в одну структуру - кристаллизация (замерзание/застывание) воды;
• самое привычное состояние - жидкое способно принимать любую форму, но не способно эту самую форму удерживать.

Температура замерзания

Начальная кристаллизация происходит при температуре 0 градусов. В России, как и в большинстве стран Европы, измерение проводится по шкале Цельсия, имеющей 100 делений. Логично, что чем ниже температура, тем быстрее происходит застывание. Так называемая чистая вода не замерзает даже при 10–15 градусах ниже 0. Чистая вода, это не та, которая течет из крана, и даже не та, которую можно пить из горного родника. Речь идет о химическом термине, и данное понятие используется в переносном смысле. Так называют воду, очищенную от пыли, солей, и других веществ и тел лабораторным способом. Дело в том, что частички пыли, солевые соединения и прочие примеси выполняют в воде роль катализатора. При их наличии молекулы сжимаются быстрее. В чистой воде таких примесей нет, поэтому она не замерзает даже при -40 градусах.

Некоторые свойства льда

Воду в твердом агрегатном состоянии более привычно называть льдом. Всего различается 17 видов (фаз) льда, каждый из которых имеет определенную структуру, но эта разница практически на заметна человеческому глазу. Аморфных состояний у него также 3. Лед в несколько раз легче воды в жидком виде, поэтому зимой любой водоем начинает замерзать сверху, и лед остается на поверхности воды. Обладая хорошими теплоизоляционными признаками, лед сверху водоема образует корку и не дает замерзнуть более глубоким слоям воды. Помимо этого:

• после замерзания вода примерно на 10% увеличивается в объеме, и именно поэтому в зимний период принято внимательно следить за водопроводными трубами или автомобильными радиаторами;
• в полярных регионах лед является основным строительным материалом, в частности, используется для строительства жилища иглу, являющегося частью культуры некоторых северных народов (в том числе и российских);
• общие запасы льда на земле превышают показатель в 300 млн кубических километров.

Эффект Мпембы

Высказанное в 1963 году школьником Эрасто Мпембой предположение до сих пор не получило должного объяснения. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной - необъяснимый парадокс, о котором впервые писал еще Аристотель.

Несмотря на большое количество противников этой теории, наличие факта отрицать нельзя. Выдвигалось множество версий, но самой жизнеспособной оказалась следующая: горячая вода образует испарения, которые (доказано) замерзают быстрее жидкости. После замерзания эти микрочастицы льда падают в виде дождя на горячую воду, образуя ледяную корку. Соответственно, наблюдается эффект застывания.

Математика

Почему китайцы боятся цифры 4

Китайцы суеверны и серьезно относятся к традициям. Особенно их завораживает магия чисел. Например, цифра 4 в Поднебесной считается самой страшной. Тетрафобией, то есть боязнью четверки, страдает все государство. Китайский...

Видео: кем был Рюрик и откуда пришел на русскую землю

Он является одной из самых загадочных исторических личностей Руси. До нас не дошли достоверные сведения, кем он был, откуда пришел и как встал у истоков древнерусского государства. Сохранившаяся часть...

Или как превращаем воду в лед . Фокусник берет бумажный стакан и наливает в него немного воды. После этого фокусник, держа стакан в руках, дует на него или даже делает магические пассы руками. После этого фокусник встряхивает стакан, и зрители слышат характерные постукивания льдинок о стенки бумажного стакана . Фокусник переворачивает стакан и из стакана на стол вместо воды падают кусочки льда. Вода, налитая фокусником на глазах у зрителей в стакан, превратилась в льдинки .

Секрет фокуса превращаем воду в лед

Для фокуса по превращению воды в лед вам понадобятся бумажный стаканчик, салфетки, вода и лед.

Этот фокус очень простой и его с легкостью могут показывать даже дети. Секрет фокуса для детей превращаем воду в лёд заключается в предварительной подготовке стакана. Стакан должен быть непрозрачным, чтобы зрители не увидели то, что стакан специально подготовлен для фокуса . Естественно, что льдинки мы должны положить в стакан заранее, но куда же девается вода, наливаемая фокусником в бумажный стакан? Итак, предварительно готовя фокус, фокусник сначала укладывает в стакан несколько бумажных хорошо впитывающих салфеток. Две или три салфетки. Вместо салфеток также подойдут несколько листов бумажных полотенец. Главное, что бы салфетки хорошо впитывали воду. Попробуйте перевернуть стакан с салфетками, они не должны выпадать из стакана.

После того как салфетки были предварительно положены в стакан, фокусник кладет в стакан несколько кусочков льда. Подготовка к фокусу превращаем воду в лед завершена.

В подготовленный бумажный стакан фокусник наливает немного воды. Не переборщите с наливанием воды. Бумажные салфетки должны хорошо впитывать воду, но они не бездонные. Когда фокусник встряхивает стакан, чтобы зрители услышали звук льдинок, фокусник преследует еще одну цель, что бы случайно не впитавшаяся в салфетки вода равномерно распределилась и впиталась в сухие участки. Если налить слишком много воды при переворачивании стакана под тяжестью впитавшейся воды салфетки могут выпасть из стакана вместе с льдинками. Это может смазать

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете.

Известно, что фактически все вещества, имеющие природное или искусственное происхождение способны находиться в разных агрегатных состояниях и менять их в зависимости от условий окружающей среды. И хотя ученые знают более десятка фазовых состояний, некоторые из которых можно получить только в пределах лаборатории, в природе чаще всего встречается только три подобных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Вода может пребывать во всех трех этих состояниях, переходя из одного в другое в естественных условиях.

Вода, находящаяся в жидком состоянии имеет слабо связанные молекулы, которые пребывают в постоянном движении и пытаются сгруппироваться в структуру, но не могут сделать этого из-за тепла. В таком виде вода может принимать абсолютно любую форму, но не в состоянии самостоятельно ее удерживать. При нагревании молекулы начинают двигаться намного быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда постепенно вода переходит в газообразное состояние, то есть превращается в водяной пар, связи между молекулами окончательно рвутся. При воздействии же на воду низких температур движение молекул сильно замедляется, молекулярные связи становятся очень прочными и молекулы, которым больше не мешает воздействие тепла, упорядочиваются в кристаллическую структуру, имеющую шестигранную форму. Все мы видели подобные шестигранники, выпадающие на землю в виде снежинок. Процесс превращения воды в лед называется кристаллизацией или застыванием. В твердом состоянии вода надолго может сохранять любую принятую ею форму.

Процесс кристаллизации воды начинается при температуре 0 градусов по шкале Цельсия, имеющей 100 единиц. Данная измерительная система используется во многих странах Европы и в СНГ. В Америке же температуру измеряют при помощи шкалы Фаренгейта, которая обладает 180 делениями. По ней вода переходит из жидкого состояния в твердое при 32 градусах.

Однако вода не всегда замерзает при этих температурах, так очень чистую воду можно переохладить до температуры — 40 °С и она не замерзнет. Дело в том, что в очень чистой воде нет примесей, служащих основанием для построения кристаллической структуры. Примесями, к которым крепятся молекулы, могут выступать частички пыли, растворенные соли и т.д.

Особенностью воды является тот факт, что в то время как при замерзании другие вещества сжимаются, она, преобразовавшись в лед, напротив, расширяется. Происходит это потому что, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, расстояние между ее молекулами немного увеличивается. И поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он плавает на ее поверхности.

Говоря о замерзании воды, нельзя не упомянуть и тот интересный факт, что горячая вода застывает быстрее холодной, как бы парадоксально это не звучало. Данное явление было известно еще во времена Аристотеля, но ни знаменитому философу, ни его последователям так и не удалось разгадать эту тайну и о феномене забыли на долгие годы. Вновь о нем заговорили лишь в 1963 году, когда школьник из Танзании Эрасто Мпемба обратил внимание, что при приготовлении мороженого быстрее застывает лакомство сделанное из подогретого молока. Мальчик рассказал об этом своему учителю физики, но тот поднял его на смех. Лишь в 1969 году познакомившись с профессором физики Деннисом Осборном, юноша он смог найти подтверждение своей догадки, после совместно проведенных экспериментов. С тех пор выдвигалось много гипотез относительно этого феномена, например, что горячая вода замерзает быстрее за счет своего быстрого испарения, которое приводит к уменьшению объема воды и, как следствие, более быстрому застыванию. Но ни одна из них так и не смогла объяснить природу данного явления.

Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение Мпембы.

В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.

Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.

В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».

В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).

Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.

Вот как эти явления описаны в «Википедии»:

• Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
• Переохлаждённая жидкость - жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.

Всемирное и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.

Какой должна быть температура воды перед заморозкой

На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.

Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы - две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.

Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.