ФизМат БАНК / Статьи по физике / Почему лёд не тонет в воде

ПОЧЕМУ ЛЕД НЕ ТОНЕТ В ВОДЕ?

Лед и вода.
Известно, что кусок льда, помещенный в стакан с водой, не тонет. Это происходит потому, что на лед со стороны воды действует выталкивающая сила.

Рис. 4.1. Лёд в воде.

Как видно из рис. 4.1, выталкивающая сила является результирующей сил давления воды, действующих на поверхность погруженной под воду части льда (на рис. 4.1 заштрихованная область). Лед плавает на воде, так как сила тяжести, тянущая его ко дну, уравновешивается выталкивающей силой.
Представим себе, что льда в стакане нет, а заштрихованная на рисунке область заполнена водой. Здесь между водой, находящейся в пределах этой области и вне ее, не будет границы раздела. Однако и в этом случае выталкивающая сила и сила тяжести, действующие на воду, заключенную в заштрихованной области, уравновешивают друг друга. Так как в обоих рассмотренных выше случаях выталкивающая сила остается неизменной, то это значит, что сила тяжести, действующая на кусок льда и па воду в пределах вышеуказанной области, одинакова. Другими словами, они имеют равный вес. Правильно также и то, что масса льда равна массе воды в заштрихованной области.
Растаяв, лед превратится в воду той же массы и заполнит объем, равный объему заштрихованной области. Поэтому уровень воды в стакане с водой и куском льда после того, как лед растает, не изменится.
Жидкое и твердое состояния.
Теперь мы знаем, что объем куска льда больше объема, занимаемого водой равной массы. Отношение массы вещества к занимаемому им объему называют плотностью данного вещества. Следовательно, плотность льда меньше плотности воды. Их численные значения, измеренные при 0 °С, составляют: для воды — 0,9998, для льда — 0,917 г/см3. Не только лед, но и другие твердые тела при нагревании достигают определенной температуры, при которой начинается их переход в жидкое состояние. В случае плавления чистого вещества его температура при нагревании не начнет повышаться, пока вся его масса не перейдет в жидкое состояние. Эта температура называется точкой плавления данного вещества. После того как плавление закончилось, нагревание будет приводить к дальнейшему повышению температуры жидкости. Если жидкость охладить, понижая температуру до точки плавления, начнется переход ее в твердое состояние.
Для большинства веществ, в отличие от случая со льдом и водой, плотность в твердом состоянии выше, чем в жидком. Например, аргон, обычно находящийся в газообразном состоянии, при температуре—189,2 °С затвердевает; плотность твердого аргона 1,809 г/см3 (в жидком состоянии плотность аргона 1,38 г/см3). Итак, если сравнивать плотность вещества в твердом состоянии при температуре, близкой к точке плавления, с плотностью его в жидком состоянии, то окажется, что в случае аргона она уменьшается на 14,4%, а в случае натрия — на 2,5%.
Изменение плотности вещества при переходе через точку плавления для металлов обычно невелико, за исключением алюминия и золота (соответственно 0 и 5,3 %). Для всех этих веществ, п отличие от воды, процесс затвердевания начинается не па поверхности, а иа дне.
Существуют, однако, металлы, плотность которых при переходе в твердое состояние уменьшается. К ним относятся сурьма, висмут, галлий, для которых это уменьшение составляет, соответственно, 0,95, 3,35 и 3,2 %. Галлий, температура плавления которого равна —29,8 °С, вместе со ртутью и цезием относится к классу легкоплавких металлов.
Различие между твердым и жидким состояниями вещества.
В твердом состоянии, в отличие от жидкого, молекулы, из которых состоит вещество, расположены упорядоченно.

Рис. 4.2. Различие между жидким и твердым состояниями вещества

На рис. 4.2(справа) приведен пример плотной упаковки молекул (условно изображены кружочками), характерной для вещества в твердом состоянии. Рядом приведена неупорядоченная структура, характерная для жидкости. В жидком состоянии молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, обладают большей свободой перемещения, и, как следствие, вещество в жидком состоянии легко изменяет свою форму, то есть обладает таким свойством, как текучесть.
Для текучих веществ, как уже отмечалось выше, характерно беспорядочное расположение молекул, однако не все вещества, имеющие такую структуру, способны течь. Примером является стекло, молекулы которого располагаются беспорядочно, однако текучестью оно не обладает.
Кристаллическими называются вещества, молекулы которых располагаются упорядоченно. В природе существуют вещества, кристаллы которых имеют характерный для них вид. К их числу относятся кварц и лед. Твердые металлы, такие как железо и свинец, в природе в виде больших кристаллов не встречаются. Однако, изучая их поверхность под микроскопом, можно различить скопления небольших кристалликов, как это видно на фотографии (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Микрофотография поверхности железа.

Существуют специальные методы, позволяющие получать большие кристаллы металлических веществ.
Каких бы размеров ни были кристаллы, общим для них является упорядоченное расположение молекул. Для них характерно также существование совершенно определенной точки плавления. Это значит, что температура плавящегося тела при нагревании не увеличивается до тех пор, пока оно полностью не расплавится. У стекла, в отлично от кристаллических веществ, нет определенной температуры плавления: при нагревании оно постепенно размягчается и превращается в обычную жидкость. Таким образом, точка плавления соответствует температуре, при которой разрушается упорядоченное расположение молекул и кристаллическая структура переходит в неупорядоченную. В заключение отметим еще одно интересное свойство стекла, объясняющееся отсутствием у него кристаллической структуры: приложив к нему долговременное растягивающее усилие, например па срок, равняющийся 10 годам, мы убедимся, что стекло течет подобно обыкновенной жидкости.
Упаковка молекул.
Используя рентгеновское излучение и электронный пучок, можно изучать, каким образом располагаются молекулы в кристалле. У рентгеновского излучения длина волны намного меньше, чем у видимого света, поэтому оно может дифрагировать на геометрически правильной кристаллической структуре атомов или молекул. Зарегистрировав на фотопластинке дифракционную картину (рис. 4.4), можно установить расположение атомов в кристалле. Используя этот же метод для жидкостей, можно убедиться, что молекулы в пей расположены неупорядоченно.

Рис. 4.4. Дифракция рентгеновских лучей на периодической структуре.
Рис. 4.5. Два способа плотной упаковки шариков.

Молекулы твердого тела, находящегося в кристаллическом состоянии, располагаются довольно сложно относительно друг друга. Сравнительно просто выглядит структура веществ, состоящих из атомов или молекул одного вида, как, например, кристалл аргона, представленный на рис. 4.5(слева), где шариками условно обозначены атомы. Плотно заполнить определенный объем пространства шариками можно различными способами. Такая плотная упаковка возможна благодаря наличию сил межмолекулярного притяжения, которые стремятся расположить молекулы так, чтобы занимаемый ими объем был минимальным. Однако в действительности структура на рис. 4.5 (справа) не встречается; дать объяснение этому факту непросто.
Так как представить себе различные способы размещения шариков в пространстве довольно трудно, рассмотрим, каким образом можно плотно расположить монеты на плоскости.

Рис. 4.6. Упорядоченное расположение монет на плоскости.

На рис. 4.6 представлены два таких способа: при первом — каждая молекула соприкасается с четырьмя соседними, центры которых являются вершинами квадрата со стороной d, где d — диаметр монеты; при втором — каждая монета соприкасается с шестью соседними. Пунктирными линиями на рисунке ограничена площадь, занимаемая одной монетой. В первом случае
она равна d², а повтором эта площадь меньше и равна √3d²/2 .
Второй способ размещения монет существенно уменьшает зазор между ними.
Молекула внутри кристалла. Цель исследования кристаллов — установить, как расположены в них молекулы. Кристаллы таких металлов, как золото, серебро, медь устроены подобно кристаллам аргона. В случае металлов следует говорить об упорядоченном расположении ионов, а не молекул. Атом меди, например, теряя один электрон, превращается в отрицательно заряженный ион меди. Электроны же совершают свободное движение между ионами. Если ионы условно представить в виде шариков, получим структуру, характеризующуюся плотной упаковкой. Кристаллы таких металлов, как натрий и калий по структуре от меди несколько отличаются. Молекулы СО₂ и органических соединений, состоящие из разных атомов, нельзя представить в виде шариков. Переходя в твердое состояние, они образуют чрезвычайно сложную кристаллическую структуру.

Рис. 4.7. Кристалл "сухого льда" (большие крупные шарики - атомы углерода)

На рис. 4.7 представлены кристаллы твердого СО2, называемые сухим льдом. Алмаз, не являющийся химическим соединением, тоже имеет особую структуру, так как между атомами углерода образуются химические связи.
Плотность жидкости. При переходе в жидкое состояние молекулярная структура вещества становится неупорядоченной. Этот процесс может сопровождаться как уменьшением, так и увеличением объема, занимаемого данным веществом в пространстве.

Рис. 4.8. Модели из кирпичей, соответствующие структуре воды и твердого тела.

В качестве иллюстрации рассмотрим представленное на рис. 4.8 строение из кирпича. Пусть каждый кирпич соответствует одной молекуле. Кирпичное строение, разрушенное землетрясением, превращается в груду кирпича, размеры которой меньше, чем были у здания. Однако, если все кирпичи аккуратно сложить один к одному, объем занимаемого ими пространства станет еще меньшим. Подобная взаимосвязь существует между плотностью вещества в твердом и жидком состояниях. Кристаллам меди и аргона можно поставить в соответствие изображенную плотную упаковку кирпичей. Жидкое состояние в них соответствует груде кирпичей. Переход из твердого состояния в жидкое в этих условиях сопровождается уменьшением плотности.
В то же время переход от кристаллической структуры с большими межмолекулярными расстояниями (которой соответствует здание из кирпича) к жидкому состоянию сопровождается увеличением плотности. Однако в действительности многие кристаллы при переходе в жидкое состояние сохраняют большие межмолекулярные расстояния.
Для сурьмы, висмута, галлия и других металлов, в отличие от натрия п меди, не характерна плотная упаковка. Из-за больших межатомных расстояний при переходе в жидкую фазу их плотность возрастает.

Структура льда.
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных по разные стороны от него. В отличие от молекулы углекислого газа, у которой атом углерода и два атома кислорода располагаются вдоль одной прямой, у молекулы воды линии, соединяющие атом кислорода с каждым из атомов водорода, образуют между собой угол 104,5°. Поэтому между молекулами воды существуют силы взаимодействия, имеющие электрическую природу. Кроме того, благодаря особым свойствам атома водорода, при кристаллизации вода образует структуру, в которой каждая молекула связана с четырьмя соседними. Упрощенно эта структура представлена на рис. 4.9. Большими шариками обозначены атомы кислорода, маленькими черными — атомы водорода.

Рис. 4.9. Кристаллическая структура льда.

В этой структуре реализуются большие межмолекулярные расстояния. Поэтому, когда лед плавится и структура разрушается, объем, приходящийся на одну молекулу, уменьшается. Это приводит к тому, что плотность воды выше плотности льда и лед может плавать па воде.

Исследование 1
ПОЧЕМУ ПЛОТНОСТЬ ВОДЫ САМАЯ ВЫСОКАЯ ПРИ 4 °С?

Водородная связь и тепловое расширение. Растаяв, лед превращается в воду, плотность которой выше, чем у льда. При дальнейшем повышении температуры воды се плотность увеличивается до тех пор, пока температура не достигнет 4 °С. Если при 0°С плотность воды равна 0,99984 г/см3, то при 4 °С она составляет 0,99997 г/см3. Дальнейшее повышение температуры вызывает уменьшение плотности и при 8°С она опять будет иметь то же значение, что и при 0 °С.

Рис. 4.10. Кристаллическая структура льда (большие шарики — атомы кислорода).

Это явление связано с наличием у льда кристаллической структуры. Со всеми подробностями она приведена на рис. 4.10, где для наглядности атомы изображены в виде шариков, а химические связи обозначены сплошными линиями. Особенностью структуры является то, что атом водорода находится всегда между двумя атомами кислорода, располагаясь ближе к одному из них. Таким образом, атом водорода способствует возникновению силы сцепления между двумя соседними молекулами воды. Эта сила сцепления называется водородной связью. Так как водородные связи возникают только в определенных направлениях, расположение молекул воды в куске льда близко к тетраэдрическому. Когда лед, растаяв, превращается в воду, значительная часть водородных связей не разрушается, благодаря чему сохраняется структура, близкая к тетраэдрической с характерными для нее большими межмолекулярными расстояниями. С повышением температуры растет скорость поступательного и вращательного движения молекул, в результате чего рвутся водородные связи, межмолекулярное расстояние уменьшается и увеличивается плотность воды.
Однако параллельно этому процессу при повышении температуры происходит тепловое расширение воды, которое вызывает уменьшение ее плотности. Влияние этих двух факторов приводит к тому, что максимальная плотность воды достигается при 4 °С. При температуре выше 4°С фактор, связанный с тепловым расширением, начинает преобладать и плотность опять уменьшается.

Исследование 2
ЛЕД ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ИЛИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ

Разновидности льда. Так как при кристаллизации воды межмолекулярные расстояния увеличиваются, плотность льда меньше, чем плотность воды. Если кусок льда подвергнуть действию высокого давления, то можно ожидать, что межмолекулярное расстояние уменьшится. Действительно, подвергнув лед при 0°С действию давления 14 кбар (1 кбар = 987 атм), получаем лед с другой кристаллической структурой, плотность которого 1,38 г/см3. Если находящуюся под таким давлением воду охлаждать при определенной температуре, она начнет
кристаллизоваться. Так как плотность такого льда выше, чем у воды, кристаллики не могут удержаться на ее поверхности и опускаются на дно. Таким образом, вода в сосуде кристаллизуется, начиная со дна. Такая разновидность льда получила название лед VI; обычный лед — лед I.
При давлении 25 кбар и температуре 100 °С вода затвердевает, превращаясь в лед VII с плотностью, равной 1,57 г/см3.

Рис. 4.11. Диаграмма состояний воды.

Изменяя температуру и давление, можно получить 13 разновидностей льда. Области изменения параметров показаны на диаграмме состояний (рис. 4.11). По этой диаграмме можно определить, какая разновидность льда соответствует заданным температуре и давлению. Сплошные линии соответствуют таким температурам и давлениям, при которых сосуществуют две различные структуры льда. Наибольшую плотность 1,83 г/см3 среди всех разновидностей льда имеет лед VIII.
При сравнительно низком давлении, 3 кбар, существует лед II, плотность которого тоже выше, чем у воды, и составляет 1,15 г/см3. Интересно отметить, что при температуре—120 °С кристаллическая структура исчезает и лед переходит в стекло-образное состояние.
Что касается воды и льда I, то из диаграммы видно, что по мере увеличения давления температура плавления падает. Так сак плотность воды выше, чем у льда, переход «лед — вода» сопровождается уменьшением объема, а приложенное извне давление только ускоряет этот процесс. У льда III, плотность которого выше, чем у воды, ситуация прямо противоположная — его температура плавления растет по мере повышения давления.

 (голосов: 1)

---