Какие свойства имеет вода в твердом состоянии жидком и газообразном
Вода — основа жизни и в природе она может находиться в трех
основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Однако, искусственно можно
создать условия, при которых вода переходит в состояние плазмы.
В этой статье мы разберем, почему вода может быть в жидком,
твердом и газообразном состояниях, и при каких условиях меняются ее агрегатные
состояния.
Жидкое состояние воды в природных условиях планеты Земля
преобладает.
Твердое состояние воды
Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не
понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к
твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.
Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее
молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем
жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.
Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а
вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.
Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода
кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде
солей снижает температуру замерзания.
На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос:
какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ
– ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия.
Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду,
отбирая у нее тепло.
Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете
— жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов)
находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.
Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0
градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8
градусах Цельсия.
Жидкое состояние воды
Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не
только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и
кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.
Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и
образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса
питьевой воды.
Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к
различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко
делает влажными большинство твердых материалов.
Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное
состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и
давление.
Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное
называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.
Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда
мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его
часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если
мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее
микроскопических капелек.
Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется,
когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар»
часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных
капель, образующихся при конденсации водяного пара.
И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это
температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности,
ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется
роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на
жидкое.
Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия)
или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления.
Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.
Состояние газа
Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение,
что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не
верно.
Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода
способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же,
как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е.
в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.
Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии
образует облака и тучи
Четвертое агрегатное состояние: плазма
Все знают, в каких трех состояниях вода находится в
окружающей природе. Однако, ученые знают и четвертое состояние воды – плазму,
которую называют гидроплазмой.
Водяной пар можно нагреть до такой температуры (2 200 -13
900°С, или 4 000- 25 000 ° F), что молекулы воды распадаются и получается
просто смесь атомов водорода и кислорода в виде плазмы. Там динамически может
присутствовать некоторое количество молекул воды, но всё равно эта смесь ионов
и молекул будет водородно-кислородной плазмой.
Вообще плазма – это такое состояние вещества, которое
настолько насыщено энергией, что от атомов отлетают электроны. Не говоря уже о
разрушении молекулярных структур и кристаллических решеток.
Плазменное состояние воды в природе не встречается, однако оно
всё больше интересует ученых в плане возобновляемых источников энергии. Очень
заманчивая идея – получение из воды топлива в виде горючего водорода, который
реагирует с кислородом и опять образует воду…
Как меняются агрегатные состояния
В принципе, агрегатное (физическое) состояние воды, как и
любого другого вещества, зависит от температуры и давления. В природных
условиях Земли возможны только три состояния веществ: твёрдое, жидкое и
газообразное. Это и есть ответ на вопрос «в каких трех состояниях вода
находится в природе».
Также теперь Вы знаете ответы на многие другие интересные
вопросы типа «какой металл, находясь в расплавленном, т.е. жидком, состоянии,
может заморозить воду, т.е. превратить ее в лёд» и т.п.
И Вы имеете понятие, в каком агрегатном состоянии может
находиться вода в природе и в искусственных условиях.
На нашей планете существует множество состояний воды, в которых она может принести пользу человеку. Но стоит учитывать, что есть и множество состояний перехода, которые не всегда могут оказаться полезными. Поэтому нужно разобрать, что и как происходит на планете, чтобы не потеряться в случае возникновения необычной ситуации, которая связана с водой.
Итак, три основных состояния воды: жидкое, твердое и газообразное – это практически 100% от ее общего объема. Существует также несколько различных вариаций, которые отличаются от общепризнанных, но о них можно поговорить чуть позже. Для того чтобы получше разобраться в состояниях воды, необходимо узнать о том, чем они отличаются друг от друга, как они переходят из одного в другое и, что самое главное, как они появляются. Иначе говоря, причины перехода.
Жидкость
Давайте начнем с самого простого: жидкое состояние. Характеризуется оно основными параметрами любой жидкости. Жидкость занимает предоставленный ей объем, то есть, как бы вы не пытались налить воду в стакан, в нем со временем все равно не останется ни капли воздуха: весь он будет вытеснен влагой. Влага тяжелее воздуха, поэтому всегда будет снизу. В чистой воде нет никаких примесей, поэтому она прозрачная, не имеет вкуса и запаха. Если же речь идет о той жидкости, которую добывают из скважин или ключей, то в ней очень часто растворены минералы и соли, которые придают воде специфический вкус. В таком состоянии у воды часто может оказаться какой-либо привкус, но есть множество способов для того, чтобы от него избавиться.
Пар
Впрочем, для того чтобы выяснить этот факт, нужно перейти к изучению второго состояния, газообразного. По факту, газообразное оно на все сто процентов, однако в различных погодных условиях может происходить и плавный переход к нормальному, жидкому состоянию. Но обо всем по порядку. Как и любой другой газ, водяной пар может занимать предоставленный объем, обладает равномерным давлением в любом направлении, поэтому этот аспект нетрудно использовать для того, чтобы получить, в конечном итоге, энергию движения. Как все могут себе представить, влага, перешедшая в пар, представляет собой те же самые молекулы, но только расстояние между ними становится больше. Если, например, в твёрдом состоянии расстояние между молекулами минимально, то в газообразном состоянии оно довольно велико.
Лед в любом виде
Собственно, теперь можно перейти и к твердому. Это лед, который на полюсах покрывает нашу планету толстым слоем в несколько километров, который существует на горных вершинах и который временами спускается даже до 50-ых параллелей в виде айсбергов. Таким образом, несмотря на то, что лед в нормальном состоянии представляет собой твердое и плотное вещество, разрушается оно очень легко. Обладает оригинальным свойством частичного плавления при сильном нагревании, но в целом может храниться очень долго, понижая температуру окружающего воздуха. Обратное свойство также доступно, поскольку состояние воды часто зависит от температуры. Ведь появление града летом – это явление резкого понижения температуры в верхних слоях атмосферы.
Возможности для очистки от примесей
Также стоит отметить тот факт, что как газообразное состояние, так и жидкое состояния легко получаются из твердого. Ведь твердое вещество может распадаться на молекулы при различных условиях и в различном состоянии, поэтому плавление и сублимация зачастую приводят к схожим результатам. Однако мы хотели рассказать о том, как получить очищенную воду.
Существует несколько способов получить из воды чистую жидкость. Сделать это нетрудно физически, но прождать столько времени, пока жидкость очистится, нелегко. Суть избавления от посторонних примесей, которые придают воде вкус, цвет и запах, заключается в том, что нужно просто отделить их. При помощи испарения или постепенного охлаждения добиться этого нетрудно. Молекулы отделяются от загрязнений за счет получения энергии в случае испарения, а вот когда влага замерзает, процесс движется в обратную сторону, но зато также позволяет удалить лишние примеси из воды. Они могут быть жидкими и твердыми, но поскольку теплоемкость у вещества иная, разделение парообразного и жидкого веществ, а также жидкого и твердых веществ, проходит очень легко.
Перенос энергии при переходе состояний
Таким образом, три состояния можно характеризовать, как отличные друг от друга из-за того, что расстояние между молекулами разное. Кроме того, между ними могут находиться примеси, однако при изменении состояния они часто остаются сами по себе. За счет того, что влага вбирает в себя энергию или наоборот, отдает ее, можно получить различные по своей сложности установки. Между холодильником и паровым котлом есть еще несколько десятков разнообразных устройств, которые передают энергию за счет влаги.
Впрочем, про эти устройства наверняка уже много раз рассказывали ранее. Тем не менее, не нужно забывать о том, что использование энергии воды при переходе в различные состояния позволяет создавать экологически чистые двигатели. Ведь даже лед в его твёрдом состоянии можно использовать ровно для этих же целей. Как и вода, он отлично передает энергию. Поэтому твердое вещество очень легко использовать, как и прочие источники или хранители молекулярной (тепловой) энергии.
МОУ « СОШ №61» г. Саратова
Разные состояния воды.
Определение свойств воды в разных состояниях.
Тема моего проекта «Разные состояния воды. Определение свойств воды в разных состояниях».
Обоснование темы. Вода занимает практически ¾ поверхности земного шара – это океаны, моря, реки, озера, водопады, болота. Огромный воздушный океан укутывает нашу Землю сплошной оболочкой. А ведь и в воздухе много воды: в виде облаков, пара, туч, туманов. Вода есть и под землей: вытекает ручейками, вырывается гейзерами. Белые шапки ледников покрывают высочайшие горы, плывут по океанам громадные ледяные глыбы-айсберги.
Все без исключения живые существа на Земле и растения содержат в своем организме воду – в среднем 80% веса. Обезвоживание организма на 12%-15% приводит к нарушению обмена веществ, а потеря до 25% воды – к гибели организма. Без воды человек может прожить 3 дня, в то время как без пищи 30-50 дней.
Практическая деятельность с целью установления существенных свойств воды в жидком состоянии, а также в твёрдом и газообразном.
Опыт и анализ его результатов.
Проектным продуктом будет результат исследования. Этот продукт поможет достичь целей проекта, так как будет способствовать преодолению его исходной проблемы.
Первая: предположим, что вода бывает жидкой и твёрдой (лёд).
Вторая: предположим, что вода может быть и в газообразном состоянии.
Третья: предположим, что в жидком состоянии вода бесцветная, без запаха, безвкусная, прозрачная, текучая. Лёд бесцветный, без запаха, безвкусный, прозрачный, хрупкий.
Четвёртая: допустим, что при температуре ниже нуля вода превращается в лёд.
Таким образом, подтвердились все мои гипотезы. Я достигла своих целей, узнала много нового о воде, научилась проводить эксперимент и вести дневник наблюдений (приложение 1), работать в текстовом редакторе Microsoft Word и составлять компьютерную презентацию (приложение 2).
В дальнейшем я планирую продолжить своё исследование.
Цель работы: определить в каких состояниях существует вода в природе и как может переходить из одного состояния в другое, при каких условиях вода испаряется, замерзает.
№ п/п
Ход работы
Результаты наблюдений
Вывод
1.
Взяли цветные полоски бумаги (синий, оранжевый, фиолетовый, красный, зеленый). С их помощью определим цвет воды. Приложим и сравним цвет воды и цвет каждой полоски.
Цвет воды не совпадает ни с одной из полосок.
Вода бесцветна.
2.
В стакан с водой опустим ложку.
Ложка хорошо видна.
Вода прозрачна.
3.
Налили воду в стаканы, попробовали на вкус. Добавили соль, сахар в разные стаканы. Снова попробовали.
Чистая вода безвкусна. Вода приобретает вкус растворённого в ней вещества.
Вода не имеет вкуса.
4.
Налили воду в стаканы, понюхали. Добавили в один стакан чай, в другой каплю ароматного масла апельсина.
Запах у чистой воды не ощущается. Вода с добавками пахуча.
Вода не имеет запаха.
5.
Насыпали в один стакан с водой соли в другой картофельный крахмал. Помешали воду.
Вода растворила кристаллы соли, а часть крахмала осела на дно.
Вода-растворитель, но не все вещества в ней растворяются.
6.
Приготовили стакан с мутной водой (крахмал), чистый стакан, воронку, фильтр. Осторожно вливаем в воронку мутную воду. Наблюдаем за водой, которая вытекает из воронки. Проверяем её на прозрачность.
Не растворившиеся вещества остались на фильтре, а вода прошла через него.
Вода очищается, то есть фильтруется.
7.
Приготовили бледный раствор гуаши розового цвета. Поместили в раствор несколько таблеток активированного угля, размешали.
Не растворившиеся частицы угля осели на дно. А раствор заметно побледнел.
Вода очищается при помощи адсорбентов.
8.
Открыли кран водяной, налили воду на блюдце, слегка наклонили блюдце, перелили воду из одного стакана в другой.
Вода течет.
Вода обладает свойством текучести.
9.
Налили воду в сосуды различной формы (бутылка, банка, графин, стакан, фужер и т.д.).
Вода приняла форму сосуда, в который налита.
Вода не имеет формы.
10.
Сосуд, заполненный водой (предварительно маркером отмечен уровень воды), опускаем в горячую воду.
Вода в сосуде незначительно, но поднимается.
Вода при нагревании расширяется.
11.
Сосуд, заполненный водой (предварительно маркером отмечен уровень воды), опускаем в ледяную воду.
Вода в сосуде незначительно, но опускается.
Вода при охлаждении сжимается.
12.
В чайник налили воды и довели до кипения.
У самого краешка носика чайника почти невидимый водяной пар (очень горячий). Остывая на воздухе, пар превращается в туман. А туман — это мельчайшие капельки воды. Его мы видим, когда он струёй вырывается из носика чайника.
При кипении вода превращается в прозрачный водяной пар – испаряется. Вода из жидкого состояния переходит в газообразное.
13.
Вскипятили воду в кастрюле, накрыли крышкой. Подождали некоторое время.
На крышке появились капли воды – это сконденсированный пар.
При изменении температуры окружающей среды вода переходит из одного состояния в другое. Из жидкого в газообразное, из газообразного в жидкое.
14.
Налили воду в стакан, отметили уровень воды. Перелили в кастрюлю, вскипятили, остудили. Перелили воду в стакан.
Воды в стакане стало меньше.
Вода при кипячении испаряется, её объём уменьшается.
15.
В блюдце налили небольшое количество воды и поставили в морозильную камеру.
Вода в блюдце замёрзла.
Вода из жидкого состояния перешла в твердое (лёд).
16.
Блюдце с замёрзшей водой оставили при комнатной температуре.
Через некоторое время в блюдце снова оказалась вода.
При изменении температуры окружающей среды вода из твёрдого состояния перешла в жидкое.
17.
Налили в сосуд воду. Поместили в него предварительно замороженные кубики льда.
Лёд плавает на поверхности воды.
Лёд легче воды. Плотность льда меньше, чем у жидкой воды, что является аномальным свойством воды.
18.
Налили воду в пластиковую бутылку и стеклянную банку, поместили на ночь в морозильную камеру.
Дно у пластиковой бутылки стало выпуклым. Крышка у стеклянной банки приподнялась, банка раскололась.
При замерзании воды происходит расширение её объёма, что является ещё одним аномальным свойством воды.
19.
В один сосуд налили воду, другой, такой же, заполнили кусочками льда.
Вода равномерно заполнила сосуд, между кусочками льда остались пустоты.
Вода занимает весь предоставленный объём, лед – нет.
20.
В блюдце налили воды и оставили в комнате.
На следующий день в блюдце было очень мало воды, ещё через день её не стало совсем.
Вода при комнатной температуре испаряется.
21.
Мокрое полотенце вывесили на балконе в морозный день.
Наблюдаем.
Сначала полотенце замёрзло, стало жёстким. Примерно через сутки высохло.
Вода испаряется при любой температуре.
Цель работы: определить свойства воды в разных состояниях.
В природе вода содержится в трех состояниях:
- твердое состояние (снег, град, лед);
- жидкое состояние (вода, туман, роса и дождь);
- газообразное состояние (пар).
С раннего детства, еще в школе изучают разные агрегатные состояния воды: туман, дождевые осадки, град, снег, лёд и тп. Существует три состояния воды, которые в школе изучают подробно. Они каждый день встречаются нам в жизни и влияют на жизнедеятельность. Агрегатные состояния – это состояние воды при определенном температурном режиме и давлении, которое характеризуется в пределе некоторого интервала.
К основным понятиям состояния воды следует внести уточнения, что состояние тумана и облачное состояние не относится к газообразованию. Они появляются при конденсации водяного пара. Это уникальное свойство воды которое может находиться в трех разных агрегатных состояниях. Три состояния воды жизненно важны для планеты, они образуют гидрологический цикл, обеспечивают процесс круговорота воды в природе. В школе показывают различные опыты по испарению и конденсации. В любом уголочке природы вода считается источником жизни. Есть и четвертое состояние, не менее важное – Дерягинская вода (Российский вариант), или как её принято называть в данный момент — Нанотрубочная вода (Американский вариант).
Твердое состояние воды
В твердом состоянии сохраняется форма и объем. При пониженной температуре вещество замерзает и превращается в твердое тело. Если высокое давление, то температура затвердевания требуется выше. Твердое тело бывает кристаллическим и аморфным. В кристалле положение атома строго упорядоченно. Формы кристаллов естественные и напоминают многогранник. В аморфном теле точки расположены хаотично и колеблются, в них сохраняется только ближний порядок.
Жидкое состояние воды
В жидком состоянии вода сохраняет свой объем, но ее форма не сохраняется. Под этим понимает, что жидкость занимает лишь часть объема, может протекать по всей поверхности. Изучая в школе вопросы жидкого состояния, следует понимать, что это промежуточное состояние между твердой средой и газовой средой. Жидкости делятся на чистые и состояния смеси. Некоторые смеси очень важны для жизни, например кровь или морская вода. Жидкости могут выполнять функцию растворителя.
Состояние газа
В газообразном состоянии форма и объем не сохраняются. По-другому газообразное состояние, изучение которого происходит еще в школе, называется водяным паром. Опыты показывают наглядно, что пар невидим, он растворим в воздухе, и показывает относительную влажность. Растворимость зависит от температуры и давления. Насыщенный пар и точка росы – это показатель предельной концентрации. Пар и туман это разные агрегатные состояния.
Четвертое агрегатное состояние — плазма
Изучение плазмы и современные опыты стали рассматриваться чуть в более позднем сроке. Плазмой называется полностью или частично ионизированный газ, она возникает в состоянии равновесия при высокой температуре. В условиях земли образуется газовый разряд. Свойства плазмы определяют его газообразное состояние, за исключением того, что огромную роль во всем этом играет электродинамика. Среди агрегатных состояний плазма самое распространенное во Вселенной. Изучение звезд и межпланетного пространства показало, что вещества находятся в состоянии плазмы.
Как меняются агрегатные состояния?
Изменение процесса перехода из одного состояния в другое:
— жидкость — пар (парообразование и кипение);
— пар — жидкость (конденсация);
— жидкость — лед (кристаллизация);
— лед – жидкость (плавление);
— лед – пар (сублимация);
— пар – лед, образование инея (десублимация).
Вода названа интересным природным земным минералом. Вопросы эти сложные и изучение требуется постоянное. Агрегатное состояние в школе подтверждают проведенные опыты и если возникают вопросы, то опыты наглядно дают разобраться в рассказанном на уроке материале. При испарении жидкость переходит в состояние газа, процесс способен начаться уже с нуля градусов. При повышении температуры увеличивается испарение. Интенсивность этого подтверждают опыты кипения при 100 градусах. Вопросы испарения находят ответ в испарении с поверхностей озер, рек и даже с суши. При охлаждении получается процесс обратного превращения, когда из газа образуется жидкость. Этот процесс называется конденсацией, когда из водяного пара, находящегося в воздухе образуются мелкие капельки облака.
Ярким примером является ртутный градусник, в котором ртуть представлена в жидком состоянии, при температуре -39 градусов ртуть становится твердым телом. Изменить состояние твердого тела можно, но это потребует дополнительных усилий, например при сгибании гвоздя. Зачастую школьники задают вопросы, о том, как же придают форму твердому телу. Этим занимаются на заводах и в специализированных цехах на специальном оборудовании. Абсолютно любое вещество может существовать в трех состояниях, в том числе и вода, это зависит от физических условий. При переходе воды из одного состояния в другое изменяется молекулярное расположение и движение, состав молекулы не меняется. Экспериментальные задания помогут понаблюдать за такими интересными состояниями.