Einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe auf der Erde: Wasser. Wir brauchen sie, wie Luft, aber manchmal merken wir sie gar nicht. Sie ist einfach. Aber es stellt sich heraus

Einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe auf der Erde: Wasser. Wir brauchen sie, wie Luft, aber manchmal merken wir sie gar nicht. Sie ist einfach. Es stellt sich jedoch heraus, dass gewöhnliches Wasser sein Volumen ändern und mehr oder weniger wiegen kann. Wenn Wasser verdunstet, es erhitzt und kühlt, passieren wirklich erstaunliche Dinge, über die wir heute lernen werden.
Muriel Mandell legt in seinem unterhaltsamen Buch "Physische Experimente für Kinder" die interessantesten Gedanken zu den Eigenschaften von Wasser dar, anhand derer nicht nur junge Physiker viel lernen können, sondern auch Erwachsene ihr Wissen auffrischen mussten sich lange nicht bewerben, so dass sie sich als leicht vergessen herausstellten.Heute konzentrieren wir uns auf das Volumen und das Gewicht von Wasser. Es stellt sich heraus, dass die gleiche Wassermenge nicht immer gleich wiegt. Und wenn Sie Wasser in ein Glas gießen und es nicht über den Rand läuft, bedeutet dies nicht, dass es auf keinen Fall hineinpasst.

1... Beim Erhitzen dehnt sich Wasser aus

Stellen Sie ein mit Wasser gefülltes Glas in einen Topf, der mit fünf Zentimetern kochendem Wasser gefüllt ist Wasser und lassen Sie es bei schwacher Hitze kochen. Das Wasser aus dem Glas beginnt zu überlaufen. Dies liegt daran, dass Wasser, wie andere Flüssigkeiten, beim Erhitzen mehr Platz einnimmt. Moleküle stoßen sich stärker ab, was zu einer Zunahme des Wasservolumens führt.

2. Beim Abkühlen wird das Wasser komprimiert

Lassen Sie das Wasser im Glas auf Raumtemperatur abkühlen oder fügen Sie frisches Wasser hinzu und stellen Sie es in den Kühlschrank. Nach einiger Zeit werden Sie feststellen, dass die zuvor volle Bank nicht mehr voll ist. Beim Abkühlen auf eine Temperatur von 3,89 Grad Celsius nimmt das Volumen des Wassers mit sinkender Temperatur ab. Der Grund dafür war eine Abnahme der Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen und ihre Annäherung aneinander unter dem Einfluss von Kühlung.Es scheint, dass alles sehr einfach ist: Je kälter das Wasser, desto weniger Volumen braucht es, aber ...

3. ... die Wassermenge beim Gefrieren wieder zunimmt

Füllen Sie das Glas bis zum Rand mit Wasser und bedecken Sie es mit einem Stück Pappe. Legen Sie es in den Gefrierschrank und warten Sie, bis es gefriert. Sie werden feststellen, dass der "Deckel" aus Karton herausgedrückt wurde. Im Temperaturbereich zwischen 3,89 und 0 Grad Celsius, also auf dem Weg zum Gefrierpunkt, beginnt sich das Wasser wieder auszudehnen. Es ist einer der wenigen bekannten Stoffe mit dieser Eigenschaft.Wenn Sie einen festen Deckel verwenden, bläst das Eis einfach das Glas auf. Haben Sie schon davon gehört, dass selbst Wasserleitungen mit Eis brechen können?

4. Eis ist leichter als Wasser

Legen Sie ein paar Eiswürfel in ein Glas Wasser. Eis wird an die Oberfläche schwimmen. Wenn Wasser gefriert, nimmt es an Volumen zu. Dadurch ist Eis leichter als Wasser: Sein Volumen beträgt etwa 91 % des entsprechenden Wasservolumens.
Diese Eigenschaft des Wassers existiert nicht ohne Grund in der Natur. Er hat einen ganz bestimmten Zweck. Flüsse sollen im Winter zufrieren. Aber tatsächlich ist dies nicht ganz richtig. Normalerweise friert nur eine kleine obere Schicht ein. Dieses Eisschild sinkt nicht, weil es leichter ist als flüssiges Wasser. Es verlangsamt das Gefrieren des Wassers in der Tiefe des Flusses und dient als eine Art Decke, die Fische und andere Fluss- und Seetiere vor heftigen Winterfrost... Wenn man Physik studiert, beginnt man zu verstehen, dass viele Dinge in der Natur sinnvoll angeordnet sind.

5. Leitungswasser enthält Mineralien

Gießen Sie 5 Esslöffel normales Leitungswasser in eine kleine Glasschüssel. Wenn das Wasser verdunstet ist, bleibt ein weißer Rand auf der Schüssel. Diese Grenze wird von Mineralien gebildet, die im Wasser gelöst wurden, als es durch den Boden ging.Schauen Sie in Ihren Wasserkocher und Sie werden dort Mineralablagerungen sehen. Dieselbe Plaque bildet sich am Abflussloch in der Badewanne.Versuchen Sie, das Regenwasser zu verdunsten, um selbst zu testen, ob es Mineralien enthält. Wasser hat erstaunliche Eigenschaften, die es von anderen Flüssigkeiten unterscheiden. Aber das ist gut, sonst wäre der Planet Erde völlig anders, wenn Wasser "gewöhnliche" Eigenschaften hätte.

Es ist charakteristisch für die überwiegende Mehrheit der Stoffe, sich bei Erwärmung auszudehnen. Was vom Standpunkt der mechanischen Wärmetheorie ganz einfach zu erklären ist. Laut ihr beginnen sich die Atome und Moleküle einer Substanz beim Erhitzen schneller zu bewegen. In Festkörpern erreichen die Schwingungen von Atomen eine größere Amplitude und sie benötigen mehr Freiraum. Dadurch dehnt sich der Körper aus.

Der gleiche Vorgang tritt bei Flüssigkeiten und Gasen auf. Das heißt, aufgrund einer Temperaturerhöhung nimmt die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung freier Moleküle zu und der Körper dehnt sich aus. Beim Abkühlen wird der Körper entsprechend komprimiert. Dies ist bei fast allen Stoffen der Fall. Außer Wasser.

Beim Abkühlen im Bereich von 0 bis 4 °C dehnt sich das Wasser aus. Und schrumpft - beim Erhitzen. Wenn die Wassertemperatur 4 ° C erreicht, hat das Wasser zu diesem Zeitpunkt eine maximale Dichte von 1000 kg / m3. Liegt die Temperatur unter oder über dieser Marke, ist die Dichte immer etwas geringer.

Aufgrund dieser Eigenschaft findet bei sinkender Lufttemperatur im Herbst und Winter in tiefen Gewässern ein interessanter Prozess statt. Wenn das Wasser abkühlt, sinkt es tiefer auf den Boden, aber nur bis seine Temperatur + 4 ° C beträgt. Aus diesem Grund ist in großen Gewässern kälteres Wasser näher an der Oberfläche und wärmeres Wasser sinkt zu Boden. Wenn die Wasseroberfläche im Winter gefriert, halten die tieferen Schichten also weiterhin eine Temperatur von 4 ° C. Dank diesem Moment können die Fische in den Tiefen der eisbedeckten Stauseen ruhig überwintern.

Einfluss der Wasserausdehnung auf das Klima

Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Wasser beim Erhitzen haben einen gravierenden Einfluss auf das Erdklima, da etwa 79% der Oberfläche unseres Planeten mit Wasser bedeckt sind. Durch die Sonneneinstrahlung werden die oberen Schichten erwärmt, die dann nach unten sinken und an deren Stelle kalte Schichten entstehen. Auch diese wiederum erwärmen sich allmählich und sinken näher zum Boden.

Dadurch ändern sich die Wasserschichten ständig, was zu einer gleichmäßigen Erwärmung führt, bis die der maximalen Dichte entsprechende Temperatur erreicht ist. Dann werden die oberen Schichten beim Erhitzen weniger dicht und sinken nicht mehr ab, sondern bleiben oben und werden einfach allmählich wärmer. Durch diesen Prozess werden riesige Wasserschichten ganz leicht von den Sonnenstrahlen erwärmt.

Das Volumen eines Körpers steht in direktem Zusammenhang mit dem interatomaren oder intermolekularen Abstand einer Substanz. Dementsprechend ist die Volumenzunahme auf die Zunahme dieser Entfernungen aufgrund verschiedener Faktoren zurückzuführen. Heizung ist einer dieser Faktoren.

Du wirst brauchen

• Physiklehrbuch, Blatt Papier, Bleistift.

Anweisungen

Lesen Sie in einem Lehrbuch, wie Stoffe mit unterschiedlichen Aggregatszuständen angeordnet sind. Wie Sie wissen, unterscheidet sich ein Aggregatzustand der Materie durch offensichtliche äußere Unterschiede, beispielsweise durch Härte, Fließfähigkeit, Masse oder Volumen. Wenn Sie sich die einzelnen Substanztypen ansehen, werden Sie feststellen, dass der Unterschied in interatomaren oder intermolekularen Abständen ausgedrückt wird.

Beachten Sie, dass die Masse eines bestimmten Gasvolumens immer kleiner ist als die Masse desselben und das wiederum immer kleiner als die Masse eines Festkörpers. Dies deutet darauf hin, dass die Anzahl der Materieteilchen, die pro Volumeneinheit passen, in Gase viel geringer ist als in Flüssigkeiten und sogar weniger als in Feststoffen. Ansonsten kann man sagen, dass die Konzentration von Partikeln festerer Stoffe immer höher ist als die von weniger festen Stoffen, insbesondere in flüssigen oder gasförmigen. Meint, Feststoffe haben in ihrer Struktur eine dichtere Atompackung und einen geringeren Abstand zwischen den Teilchen als beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase.

Denken Sie daran, was mit Metallen passiert, wenn sie erhitzt werden. Sie schmelzen und werden flüssig. Das heißt, Metalle werden flüssig. Wenn Sie ein Experiment durchführen, werden Sie feststellen, dass beim Schmelzen das Volumen der metallischen Substanz zunimmt. Denken Sie auch daran, was mit Wasser passiert, wenn es erhitzt und dann gekocht wird. Wasser wird zu Dampf, dem gasförmigen Zustand von Wasser. Es ist bekannt, dass das Dampfvolumen viel höher ist als das Volumen der ursprünglichen Flüssigkeit. Beim Erhitzen von Körpern nimmt also der interatomare oder intermolekulare Abstand zu, was durch Experimente bestätigt wird.

Der japanische Physiker Masakazu Matsumoto hat eine Theorie aufgestellt, die erklärt, warum sich Wasser beim Erhitzen von 0 auf 4 °C zusammenzieht, anstatt sich auszudehnen. Nach seinem Modell enthält Wasser Mikroformationen - "Vitrite", die konvexe hohle Polyeder sind, an deren Scheiteln sich Wassermoleküle befinden, und Wasserstoffbrückenbindungen dienen als Kanten. Bei steigender Temperatur konkurrieren zwei Phänomene miteinander: Dehnung Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen und Verformung von Vitrite, was zu einer Verkleinerung ihrer Hohlräume führt. Im Temperaturbereich von 0 bis 3,98 ° C dominiert das letztere Phänomen den Effekt der Verlängerung von Wasserstoffbrücken, was letztendlich die beobachtete Kompression von Wasser ergibt. Es gibt noch keine experimentelle Bestätigung für Matsumotos Modell - jedoch ebenso wie andere Theorien, die die Kompression von Wasser erklären.

Im Gegensatz zu den meisten Substanzen kann Wasser beim Erhitzen sein Volumen verringern (Abb. 1), dh es hat einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Jedoch, es kommt nicht über den gesamten Temperaturbereich, in dem Wasser in flüssigem Zustand vorliegt, sondern nur in einem engen Bereich - von 0 ° C bis etwa 4 ° C. Für b Ö Bei höheren Temperaturen dehnt sich Wasser wie andere Stoffe aus.

Wasser ist übrigens nicht der einzige Stoff, der die Eigenschaft hat, sich bei steigender Temperatur zusammenzuziehen (oder sich beim Abkühlen auszudehnen). Auch Wismut, Gallium, Silizium und Antimon können sich eines ähnlichen Verhaltens „rühmen“. Dennoch ist es aufgrund seiner komplexeren inneren Struktur sowie seiner Verbreitung und Bedeutung in verschiedenen Prozessen das Wasser, das die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zieht (siehe Die Erforschung der Struktur des Wassers geht weiter, "Elemente", 09.10.2006).

Die allgemein akzeptierte Theorie zur Beantwortung der Frage, warum Wasser mit abnehmender Temperatur sein Volumen zunimmt (Abb. 1), war vor einiger Zeit das Modell einer Mischung aus zwei Komponenten - "normal" und "eisartig". Diese Theorie wurde erstmals im 19. Jahrhundert von Harold Whiting vorgeschlagen und später von vielen Wissenschaftlern weiterentwickelt und verfeinert. Vor relativ kurzer Zeit, im Rahmen des entdeckten Polymorphismus des Wassers, wurde Whitings Theorie neu überdacht. Von nun an wird angenommen, dass es in unterkühltem Wasser zwei Arten von eisähnlichen Nanodomänen gibt: Regionen, die amorphem Eis mit hoher und niedriger Dichte ähnlich sind. Das Erhitzen von unterkühltem Wasser führt zum Schmelzen dieser Nanostrukturen und zum Auftreten von zwei Arten von Wasser: mit höherer und niedrigerer Dichte. Ein kniffliger Temperaturwettbewerb zwischen den beiden "Sorten" des resultierenden Wassers erzeugt eine nicht monotone Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur. Diese Theorie wurde jedoch noch nicht experimentell bestätigt.

Sie müssen mit dieser Erklärung vorsichtig sein. Es ist kein Zufall, dass hier nur von Strukturen gesprochen wird, die amorphem Eis ähneln. Der Punkt ist, dass nanoskopische Bereiche amorphes Eis und seine makroskopischen Analoga haben unterschiedliche physikalische Parameter.

Der japanische Physiker Masakazu Matsumoto beschloss, eine Erklärung für den hier diskutierten Effekt von Grund auf zu finden und verwarf die Theorie eines Zweikomponentengemisches. Mit Computersimulationen überlegte er physikalische Eigenschaften Wasser in einem weiten Temperaturbereich - von 200 bis 360 K bei Nulldruck, um auf molekularer Ebene die wahren Gründe für die Ausdehnung von Wasser während seiner Abkühlung herauszufinden. Sein Zeitschriftenartikel Physische Überprüfungsschreiben so heißt es: Warum dehnt sich Wasser beim Abkühlen aus? ("Warum dehnt sich Wasser beim Abkühlen aus?").

Zunächst stellte der Autor des Artikels die Frage: Was beeinflusst den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wasser? Matsumoto glaubt, dass es dafür ausreicht, den Einfluss von nur drei Faktoren zu klären: 1) Änderungen der Länge der Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen, 2) topologischer Index - die Anzahl der Bindungen pro Wassermolekül und 3) Abweichung des Winkels zwischen Bindungen vom Gleichgewichtswert (Winkelverzerrung).

Bevor wir über die Ergebnisse des japanischen Physikers sprechen, lassen Sie uns wichtige Bemerkungen und Klarstellungen zu den oben genannten drei Faktoren machen. Zunächst einmal entspricht die übliche chemische Formel von Wasser H 2 O nur seinem dampfförmigen Zustand. In flüssiger Form werden Wassermoleküle über eine Wasserstoffbrücke zu Gruppen (H 2 O) zusammengefasst x, wo x- die Anzahl der Moleküle. Die energetisch günstigste Kombination von fünf Wassermolekülen ( x= 5) mit vier Wasserstoffbrücken, in denen sich die Bindungen bilden Gleichgewicht, sogenannt Tetraederwinkel gleich 109,47 Grad (siehe Abb. 2).

Nach der Analyse der Abhängigkeit der Länge der Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen von der Temperatur kam Matsumoto zu dem erwarteten Ergebnis: Eine Temperaturerhöhung führt zu einer linearen Verlängerung der Wasserstoffbrückenbindungen. Und dies führt wiederum zu einer Zunahme des Wasservolumens, dh zu seiner Ausdehnung. Diese Tatsache widerspricht den beobachteten Ergebnissen, daher betrachtete er weiter den Einfluss des zweiten Faktors. Wie hängt der Wärmeausdehnungskoeffizient vom topologischen Index ab?

Die Computersimulation ergab das folgende Ergebnis. Bei niedrigen Temperaturen wird das prozentual größte Wasservolumen von Wasserclustern eingenommen, die 4 Wasserstoffbrücken pro Molekül aufweisen (topologischer Index ist 4). Ein Temperaturanstieg bewirkt eine Abnahme der Anzahl der Assoziierten mit Index 4, gleichzeitig beginnt jedoch die Anzahl der Cluster mit den Indizes 3 und 5. Nach numerischen Berechnungen stellte Matsumoto fest, dass das lokale Volumen von Clustern mit topologischen Index 4 ändert sich praktisch nicht mit steigender Temperatur, und die Änderung des Gesamtvolumens der Assoziationen mit den Indizes 3 und 5 bei jeder Temperatur kompensieren sich gegenseitig. Folglich verändert eine Temperaturänderung nicht das Gesamtvolumen des Wassers, was bedeutet, dass der topologische Index keinen Einfluss auf die Kompression des Wassers beim Erhitzen hat.

Es bleibt noch die Auswirkung der Winkelverzerrung von Wasserstoffbrücken zu klären. Und hier beginnt das Interessanteste und Wichtigste. Wie oben erwähnt, neigen Wassermoleküle dazu, sich zu verbinden, so dass der Winkel zwischen den Wasserstoffbrücken tetraedrisch ist. Allerdings verhindern thermische Schwingungen von Wassermolekülen und Wechselwirkungen mit anderen Molekülen, die nicht im Cluster enthalten sind, dies, wodurch der Wert des Wasserstoffbrückenwinkels vom Gleichgewichtswert von 109,47 Grad abweicht. Um diesen Prozess der Winkelverformung irgendwie quantitativ zu charakterisieren, haben Matsumoto und Kollegen, basierend auf ihrer früheren Arbeit Topological Building Blocks of Hydrogen Bond Network in Water, veröffentlicht 2007 in Zeitschrift für Chemische Physik, stellten eine Hypothese über die Existenz dreidimensionaler Mikrostrukturen in Wasser auf, die konvexen Hohlpolyedern ähneln. Später, in späteren Veröffentlichungen, nannten sie solche Mikrostrukturen Vitrite(Abb. 3). In ihnen sind die Ecken Wassermoleküle, die Rolle der Kanten spielen Wasserstoffbrückenbindungen und der Winkel zwischen den Wasserstoffbrückenbindungen ist der Winkel zwischen den Kanten im Vitrit.

Nach Matsumotos Theorie gibt es die verschiedensten Formen von Vitriten, die wie Mosaikelemente einen großen Teil der Wasserstruktur ausmachen und gleichzeitig sein gesamtes Volumen gleichmäßig ausfüllen.

Wassermoleküle neigen dazu, in Vitrite tetraedrische Winkel zu bilden, da Vitrite eine möglichst niedrige Energie haben sollten. Aufgrund thermischer Bewegungen und lokaler Wechselwirkungen mit anderen Vitriten weisen einige Mikrostrukturen jedoch keine Geometrie mit Tetraederwinkeln (oder Winkeln nahe diesem Wert) auf. Sie akzeptieren solche strukturell nicht im Gleichgewicht befindlichen Konfigurationen (die aus energetischer Sicht für sie nicht die günstigsten sind), die es der gesamten "Familie" von Vitriten als Ganzes ermöglichen, den niedrigsten Energiewert unter den möglichen zu erreichen. Solche Vitrits, also solche, die sich sozusagen „gemeinsamen Energieinteressen“ opfern, nennt man frustriert. Wenn das Volumen der Kavität in nicht frustrierten Vitrites bei einer gegebenen Temperatur maximal ist, dann haben die frustrierten Vitrite im Gegensatz dazu das kleinstmögliche Volumen.

Computersimulationen von Matsumoto zeigten, dass das durchschnittliche Volumen der Vitrithohlräume mit steigender Temperatur linear abnimmt. Gleichzeitig reduzieren frustrierte Vitrite ihr Volumen deutlich, während das Volumen des Hohlraums nicht frustrierter Vitrite nahezu unverändert bleibt.

Die Kompression von Wasser mit steigender Temperatur wird also durch zwei konkurrierende Effekte verursacht - die Verlängerung von Wasserstoffbrücken, die zu einer Zunahme des Wasservolumens führt, und eine Abnahme des Volumens der Hohlräume in frustriertem Vitrit. Im Temperaturbereich von 0 bis 4 ° C ist das letzte Phänomen, wie Berechnungen zeigen, herrscht, was letztendlich zu der beobachteten Verdichtung des Wassers mit steigender Temperatur führt.

Es bleibt die experimentelle Bestätigung der Existenz von Vitrite und ihres Verhaltens abzuwarten. Aber das ist leider eine sehr schwierige Aufgabe.

Wir sind von Wasser allein in der Zusammensetzung anderer Substanzen und Körper umgeben. Es kann fest, flüssig oder gasförmig sein, aber Wasser ist immer um uns herum. Warum knackt der Asphalt auf den Straßen, warum platzt ein Glas Wasser in der Kälte, warum beschlagen die Scheiben in der kalten Jahreszeit, warum hinterlässt das Flugzeug eine weiße Spur am Himmel – wir suchen Antworten auf all dies und andere "Warum" in dieser Lektion. Wir erfahren, wie sich die Eigenschaften von Wasser beim Erhitzen, Abkühlen und Gefrieren verändern, wie sich darin unterirdische Höhlen und skurrile Figuren bilden, wie ein Thermometer funktioniert.

Thema: Unbelebte Natur

Lektion: Eigenschaften von flüssigem Wasser

In seiner reinen Form hat Wasser keinen Geschmack, Geruch und Farbe, aber es passiert fast nie so, weil es die meisten Stoffe aktiv in sich auflöst und sich mit ihren Partikeln verbindet. Außerdem kann Wasser in verschiedene Körper eindringen (Wissenschaftler haben Wasser sogar in Steinen gefunden).

Wenn Sie Leitungswasser in ein Glas geben, sieht es sauber aus. Tatsächlich handelt es sich jedoch um eine Lösung vieler Substanzen, darunter Gase (Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Kohlendioxid), verschiedene in der Luft enthaltene Verunreinigungen, gelöste Salze aus dem Boden, Eisen aus Wasserleitungen, kleinste ungelöste Staubpartikel usw.

Wenn Sie einen Tropfen Leitungswasser auf ein sauberes Glas pipettieren und verdunsten lassen, bleiben feine Flecken zurück.

Das Wasser der Flüsse und Bäche, der meisten Seen, enthält verschiedene Verunreinigungen, zum Beispiel gelöste Salze. Aber es gibt nur wenige davon, denn dieses Wasser ist frisch.

Wasser fließt auf der Erde und unter der Erde, füllt Bäche, Seen, Flüsse, Meere und Ozeane, schafft unterirdische Paläste.

Durch leicht lösliche Stoffe dringt Wasser tief in den Untergrund ein und nimmt sie mit, und durch Risse und Spalten in Gesteinen bildet es unterirdische Höhlen, tropft aus ihren Gewölben und schafft bizarre Skulpturen. Milliarden von Wassertröpfchen verdunsten über Hunderte von Jahren, und im Wasser gelöste Substanzen (Salze, Kalksteine) setzen sich auf den Gewölben der Höhle ab und bilden Steineiszapfen, sogenannte Stalaktiten.

Ähnliche Formationen auf dem Boden der Höhle werden Stalagmiten genannt.

Und wenn ein Stalaktit und ein Stalagmit zusammenwachsen und eine Steinsäule bilden, wird dies Stalagnat genannt.

Wenn wir die Eisdrift auf dem Fluss beobachten, sehen wir Wasser in festem (Eis und Schnee), flüssigem (darunter fließendem) und gasförmigem Zustand (die kleinsten in die Luft aufsteigenden Wasserteilchen, die auch als Wasserdampf bezeichnet werden).

Wasser kann sich gleichzeitig in allen drei Zuständen befinden: Es ist immer Wasserdampf in der Luft und Wolken, die aus Wassertröpfchen und Eiskristallen bestehen.

Wasserdampf ist unsichtbar, aber leicht zu erkennen, wenn Sie ein Glas Wasser in einem warmen Raum eine Stunde lang im Kühlschrank gekühlt lassen, an dessen Wänden sofort Wassertropfen erscheinen. Beim Kontakt mit den kalten Glaswänden wird der in der Luft enthaltene Wasserdampf in Wassertröpfchen umgewandelt und setzt sich auf der Glasoberfläche ab.

Reis. 11. Kondensation an den Wänden des kalten Glases ()

Aus dem gleichen Grund beschlägt die Innenseite der Fensterscheibe in der kalten Jahreszeit. Kalte Luft kann nicht so viel Wasserdampf enthalten wie warme Luft, daher kondensiert ein Teil davon - verwandelt sich in Wassertröpfchen.

Die weiße Spur hinter einem am Himmel fliegenden Flugzeug ist ebenfalls das Ergebnis von Wasserkondensation.

Wenn Sie einen Spiegel an Ihre Lippen führen und ausatmen, bleiben die kleinsten Wassertröpfchen auf seiner Oberfläche zurück, was beweist, dass eine Person beim Atmen Wasserdampf mit Luft einatmet.

Beim Erhitzen "dehnt sich das Wasser aus". Dies kann durch ein einfaches Experiment nachgewiesen werden: Ein Glasröhrchen wurde in einen Kolben mit Wasser abgesenkt und der Wasserstand darin gemessen; dann wurde der Kolben in ein Gefäß mit warmem Wasser abgesenkt, und nach dem Erhitzen des Wassers wurde der Füllstand im Rohr erneut gemessen, der merklich stieg, da das Wasser beim Erhitzen an Volumen zunahm.

Reis. 14. Eine Flasche mit einem Röhrchen, Nummer 1 und einem Strich zeigen den anfänglichen Wasserstand an

Reis. 15. Eine Flasche mit einem Rohr, Nummer 2 und einem Strich zeigen den Wasserstand beim Erhitzen an

Beim Abkühlen wird das Wasser „komprimiert“. Dies kann durch einen ähnlichen Versuch nachgewiesen werden: In diesem Fall wurde der Kolben mit dem Rohr in ein Gefäß mit Eis abgesenkt, nach dem Abkühlen sank der Wasserspiegel im Rohr gegenüber der Anfangsmarke, weil das Wasser an Volumen abnahm.

Reis. 16. Eine Flasche mit einem Röhrchen, Nummer 3 und einem Strich zeigen den Wasserstand beim Abkühlen an

Dies geschieht, weil sich Wasserteilchen, Moleküle, beim Erhitzen schneller bewegen, miteinander kollidieren, sich von den Wänden des Gefäßes abstoßen, der Abstand zwischen den Molekülen größer wird und daher die Flüssigkeit ein größeres Volumen einnimmt. Wenn Wasser abkühlt, verlangsamt sich die Bewegung seiner Teilchen, der Abstand zwischen den Molekülen nimmt ab und die Flüssigkeit benötigt ein geringeres Volumen.

Reis. 17. Wassermoleküle normaler Temperatur

Reis. 18. Wassermoleküle beim Erhitzen

Reis. 19. Wassermoleküle beim Abkühlen

Diese Eigenschaften besitzen nicht nur Wasser, sondern auch andere Flüssigkeiten (Alkohol, Quecksilber, Benzin, Kerosin).

Die Kenntnis dieser Eigenschaft von Flüssigkeiten führte zur Erfindung eines Thermometers (Thermometer), das Alkohol oder Quecksilber verwendet.

Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus. Dies kann nachgewiesen werden, wenn der bis zum Rand mit Wasser gefüllte Behälter locker mit einem Deckel bedeckt und in den Gefrierschrank gestellt wird. Nach einiger Zeit werden wir sehen, dass das gebildete Eis den Deckel anhebt und aus dem Behälter herausgeht.

Diese Eigenschaft wird beim Verlegen von Wasserleitungen berücksichtigt, die isoliert werden müssen, damit beim Gefrieren das aus dem Wasser gebildete Eis die Rohre nicht bricht.

In der Natur kann gefrierendes Wasser Berge zerstören: Wenn sich Wasser im Herbst in Felsspalten ansammelt, gefriert es im Winter, und unter dem Druck von Eis, das ein größeres Volumen einnimmt als das Wasser, aus dem es gebildet wurde, knacken und kollabieren Felsen .

Einfrierendes Wasser in Straßenrissen führt zur Zerstörung der Asphaltdecke.

Lange faltenähnliche Kämme an Baumstämmen sind Wunden von Holzbrüchen unter dem Druck von darin gefrierendem Baumsaft. Daher hört man in kalten Wintern das Knistern der Bäume im Park oder im Wald.

1. Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Die Umwelt 3. M.: Ballas.
2. Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Die Welt um uns herum 3. M.: ID "Fedorov".
3. Pleshakov A.A. Die umgebende Welt 3. M.: Aufklärung.

1. Das Fest pädagogische Ideen ().
2. Wissenschaft und Bildung ().
3. Öffentliche Klasse ().

1. Machen Sie einen kurzen Test (4 Fragen mit 3 Antwortmöglichkeiten) zum Thema „Wasser um uns herum“.
2. Versuchen Sie ein kleines Experiment: Stellen Sie in einem warmen Raum ein Glas sehr kaltes Wasser auf den Tisch. Beschreiben Sie, was passieren wird, erklären Sie warum.
3. * Zeichnen Sie die Bewegung von Wassermolekülen in einem erhitzten, normalen und abgekühlten Zustand. Fügen Sie bei Bedarf Beschriftungen zu Ihrer Zeichnung hinzu.

Wird es erweitert oder geschrumpft? Die Antwort lautet wie folgt: Mit der Ankunft des Winters beginnt das Wasser seinen Expansionsprozess. Warum passiert dies? Diese Eigenschaft hebt Wasser von der Liste aller anderen Flüssigkeiten und Gase ab, die im Gegenteil beim Abkühlen komprimiert werden. Was ist der Grund für dieses ungewöhnliche Flüssigkeitsverhalten?

Physik Grad 3: Dehnt sich Wasser aus oder zieht es sich zusammen, wenn es gefriert?

Die meisten Stoffe und Materialien dehnen sich beim Erhitzen aus und schrumpfen beim Abkühlen. Gase zeigen diesen Effekt deutlicher, aber verschiedene Flüssigkeiten und feste Metalle zeigen die gleichen Eigenschaften.

Eines der auffälligsten Beispiele für die Expansion und Kontraktion eines Gases ist Luft in einem Ballon. Wenn wir bei Minusgraden einen Ballon nach draußen bringen, verkleinert sich der Ballon sofort. Bringen wir den Ball in einen beheizten Raum, dann nimmt er sofort zu. Aber wenn wir einen Ballon ins Bad bringen, wird er platzen.

Wassermoleküle brauchen mehr Platz

Der Grund für diese Expansions- und Kontraktionsprozesse verschiedener Substanzen sind Moleküle. Diejenigen, die mehr Energie erhalten (dies geschieht in einem warmen Raum), bewegen sich viel schneller als Moleküle in einem kalten Raum. Partikel, die mehr Energie haben, kollidieren viel aktiver und benötigen häufiger mehr Bewegungsraum. Um den von den Molekülen ausgeübten Druck einzudämmen, beginnt das Material zu wachsen. Außerdem geschieht dies recht schnell. Dehnt sich Wasser also aus oder zieht es sich zusammen, wenn es gefriert? Warum passiert dies?

Wasser hält sich nicht an diese Regeln. Wenn wir anfangen, Wasser auf vier Grad Celsius herunterzukühlen, verringert es sein Volumen. Sinkt die Temperatur jedoch weiter, dann beginnt sich das Wasser plötzlich auszudehnen! Es gibt eine Eigenschaft wie die Wasserdichte Anomalie. Diese Eigenschaft tritt bei einer Temperatur von vier Grad Celsius auf.

Nachdem wir nun herausgefunden haben, ob sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt oder zusammenzieht, wollen wir herausfinden, wie diese Anomalie tatsächlich auftritt. Der Grund liegt in den Partikeln, aus denen es besteht. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Jeder kennt die Formel von Wasser seit Grundschulklassen... Die Atome in diesem Molekül ziehen Elektronen auf unterschiedliche Weise an. Wasserstoff erzeugt einen positiven Schwerpunkt, während Sauerstoff dagegen einen negativen hat. Wenn Wassermoleküle miteinander kollidieren, werden die Wasserstoffatome eines Moleküls auf das Sauerstoffatom eines völlig anderen Moleküls übertragen. Dieses Phänomen wird als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet.

Wasser braucht beim Abkühlen mehr Platz

In dem Moment, in dem der Prozess der Bildung von Wasserstoffbrücken beginnt, erscheinen im Wasser Stellen, an denen die Moleküle in der gleichen Reihenfolge wie im Eiskristall sind. Diese Leerzeichen werden Cluster genannt. Sie sind nicht so stark wie in einem festen Wasserkristall. Wenn die Temperatur steigt, zerfallen sie und wechseln ihren Standort.

Während des Prozesses beginnt die Anzahl der Cluster in der Flüssigkeit schnell zuzunehmen. Sie benötigen mehr Platz zur Vermehrung, wodurch das Wasser nach Erreichen seiner abnormalen Dichte an Größe zunimmt.

Fällt das Thermometer unter Null, verwandeln sich die Cluster in winzige Eiskristalle. Sie beginnen zu klettern. Dadurch wird das Wasser zu Eis. Dies ist eine sehr ungewöhnliche Fähigkeit von Wasser. Dieses Phänomen ist für sehr viele Prozesse in der Natur notwendig. Wir alle wissen es, und wenn wir es nicht wissen, erinnern wir uns daran, dass die Dichte von Eis unbedeutend geringer ist als die Dichte von kaltem oder kaltem Wasser. Dadurch kann Eis auf der Wasseroberfläche schwimmen. Alle Gewässer beginnen von oben nach unten zu frieren, was es den Wasserbewohnern ermöglicht, in Frieden zu leben und nicht am Boden zu frieren. Jetzt wissen wir also im Detail, ob sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt oder zusammenzieht.

Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Wenn wir zwei identische Gläser nehmen und heißes Wasser in das eine und die gleiche Menge kaltes Wasser in das andere gießen, werden wir feststellen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Das ist nicht logisch, stimmen Sie zu? Heißes Wasser muss abkühlen, um gefrieren zu können, aber kaltes Wasser nicht. Wie ist diese Tatsache zu erklären? Wissenschaftler können dieses Mysterium bis heute nicht erklären. Dieses Phänomen wird "Mpemba-Effekt" genannt. Es wurde 1963 von einem Wissenschaftler aus Tansania unter ungewöhnlichen Umständen entdeckt. Ein Student wollte sich selbst Eis machen und bemerkte, dass heißes Wasser schneller gefriert. Dies teilte er seinem Physiklehrer mit, der ihm zunächst nicht glaubte.