لماذا لا يغوص الجليد في الماء؟ — جليد آخر يطفو في الماء بسبب

كيم إيرينا، طالبة في الصف الرابع

ورقة بحثية حول موضوع "لماذا لا يغرق الجليد؟"

تحميل:

معاينة:

المؤسسة التعليمية الحكومية البلدية "مدرسة كراسنويارسك الثانوية"

بحث

إجراء:

كيم ايرينا,

طالب في الصف الرابع.

مشرف:

إيفانوفا إيلينا فلاديميروفنا,

معلمة في مدرسة ابتدائية.

مع. كراسني يار 2013

1 المقدمة.

2. الجزء الرئيسي:

لماذا تطفو الأشياء؟

العالم اليوناني القديم أرخميدس.

قانون أرخميدس.

التجارب.

سمة هامة من الماء.

3 - الخلاصة.

4. قائمة المراجع.

5. التطبيقات.

مقدمة.

لماذا تغوص بعض المواد في الماء والبعض الآخر لا؟ ولماذا يوجد عدد قليل جدًا من المواد التي يمكنها أن تطفو في الهواء (أي تطير)؟ إن فهم قوانين الطفو (والغرق) يسمح للمهندسين ببناء السفن من معادن أثقل من الماء، وتصميم المناطيد والبالونات التي يمكنها أن تطفو في الهواء. يتم نفخ سترة النجاة بالهواء، فتساعد الإنسان على البقاء على الماء.

لا أحد يشك في أن الجليد يطفو على الماء؛ لقد رأى الجميع هذا مئات المرات سواء في البركة أو في النهر. ولكن لماذا يحدث هذا؟ ما هي الأشياء الأخرى التي يمكن أن تطفو على الماء؟ هذا ما قررت اكتشافه.

هدف:

تحديد أسباب عدم قابلية الجليد للغرق.

مهام:

1. التعرف على ظروف طفو الأجسام.

2. اكتشف سبب عدم غرق الجليد.

3. إجراء تجربة لدراسة الطفو.

فرضية:

ربما لا يغوص الجليد لأن الماء أكثر كثافة من الجليد.

الجزء الرئيسي:

لماذا تطفو الأشياء؟

إذا غمرت جسمًا في الماء، فسوف يزيح بعض الماء. يحتل الجسم المكان الذي كان يوجد فيه الماء، فيرتفع منسوب الماء.

وفقًا للأسطورة، خمن العالم اليوناني القديم أرخميدس (287 - 212 قبل الميلاد) أثناء وجوده في الحمام أن الجسم المغمور يزيح كمية متساوية من الماء. يصور نقش من العصور الوسطى أرخميدس وهو يقوم باكتشافه. (انظر الملحق 1)

القوة التي يدفع بها الماء الجسم المغمور فيه تسمى قوة الطفو.

ينص قانون أرخميدس على أن قوة الطفو تساوي وزن السائل المزاح بواسطة الجسم المغمور فيه. إذا كانت قوة الطفو أقل من وزن الجسم، فإنه يغرق، وإذا كانت مساوية لوزن الجسم، فإنه يطفو.

التجربة رقم 1 :(انظر الملحق 2)

قررت أن أرى كيف تعمل قوة الطفو، ولاحظت مستوى الماء، وأنزلت كرة من البلاستيسين بشريط مطاطي في وعاء به ماء. وبعد الغوص، ارتفع منسوب الماء وانخفض طول الشريط المطاطي. لقد حددت مستوى الماء الجديد بقلم فلوماستر.

الخلاصة: من جانب الماء، أثرت قوة موجهة للأعلى على كرة البلاستيسين. ولذلك انخفض طول الشريط المطاطي، أي. أصبحت الكرة المغمورة في الماء أخف وزنا.

ثم قامت بتشكيل قارب من نفس البلاستيسين وخفضته بعناية في الماء. كما ترون، ارتفعت المياه أعلى من ذلك. أزاح القارب كمية من الماء أكبر من الكرة، مما يعني أن قوة الطفو أكبر.

لقد حدث السحر، وتطفو المادة الغارقة على السطح! يا أرخميدس!

لمنع الجسم من الغرق، يجب أن تكون كثافته أقل من كثافة الماء.

لا أعرف ما هي الكثافة؟ هذه هي كتلة المادة المتجانسة لكل وحدة حجم.

التجربة رقم 2: "اعتماد قوة الطفو على كثافة الماء"(انظر الملحق 3)

أخذت: كوبًا من الماء النظيف (غير ممتلئ) وبيضة نيئة وملح.

ضع بيضة في كوب، إذا كانت البيضة طازجة فسوف تغوص في القاع. ثم بدأت في صب الملح بعناية في الكوب وشاهدت البيضة وهي تبدأ في الطفو.

الاستنتاج: كلما زادت كثافة السائل، زادت قوة الطفو.

يوجد في البيضة جيب هوائي، وعندما تتغير كثافة السائل، تطفو البيضة على السطح مثل الغواصة.

في السابق، قبل اختراع الثلاجات، كان أسلافنا يتحققون مما إذا كانت البيضة طازجة أم لا: يغوص البيض الطازج في الماء النظيف، ويطفو البيض الفاسد، حيث يتشكل الغاز بداخله.

التجربة رقم 3 "الليمون العائم"(انظر الملحق 4)

ملأت وعاء بالماء ووضعت فيه ليمونة. يطفو الليمون. ثم قشرتها وأعادتها إلى الماء. غرق الليمون.

الخلاصة: الليمون غاص لأن كثافته زادت. قشر الليمون أقل كثافة من باطنه ويحتوي على العديد من جزيئات الهواء التي تساعد الليمون على البقاء على سطح الماء.

التجربة رقم 4 (انظر الملحق 5)

1. صببت الماء في كوب ووضعته بالخارج. عندما تجمد الماء، انفجر الزجاج. وضعت الثلج المتشكل في وعاء به ماء بارد ورأيت أنه يطفو.

2. في وعاء آخر، املأ الماء جيداً بالملح وحركه حتى يذوب تماماً. أخذت الثلج وكررت التجربة. يطفو الجليد، وحتى أفضل من المياه العذبة، ما يقرب من نصف جاحظ من الماء.

كله واضح! يطفو مكعب الثلج لأنه عندما يتجمد يتمدد الجليد ويصبح أخف من الماء. كثافة الماء السائل العادي أكبر بقليل من كثافة الماء المتجمد أي الجليد، وكلما زادت كثافة السائل زادت قوة الطفو.

حقائق علمية:

1 حقيقة أرشميدس: أي جسم مغمور في سائل يتعرض لقوة الطفو.

الحقيقة 2 ميخائيل لومونوسوف:

الجليد لا يغوص لأن كثافته 920 كجم/مكعب. والماء الأكثر كثافة هو 1000 كجم/مكعب.

خاتمة:

لقد وجدت سببين لعدم قابلية الجليد للغرق:

1. أي جسم مغمور في الماء يتعرض لقوة الطفو.
2. كثافة الجليد أقل من كثافة أي ماء.

دعونا نحاول أن نتخيل كيف سيبدو العالم لو كان للمياه خصائص طبيعية وكان الجليد، كما ينبغي أن تكون أي مادة طبيعية، أكثر كثافة من الماء السائل.

وفي الشتاء، يغرق الجليد المتجمد من الأعلى في الماء، ويغوص باستمرار إلى قاع الخزان. في الصيف، لا يمكن أن يذوب الجليد المحمي بطبقة من الماء البارد.

تدريجيًا، ستتجمد جميع البحيرات والبرك والأنهار والجداول تمامًا، وتتحول إلى كتل عملاقة من الجليد. وأخيرا، سوف تتجمد البحار، تليها المحيطات. لكان عالمنا الأخضر الجميل المزهر قد تحول إلى صحراء جليدية متواصلة، مغطاة في بعض الأماكن بطبقة رقيقة من الماء الذائب، ومن الخصائص الفريدة للمياه قدرتها على التمدد عندما تتجمد. بعد كل شيء، عندما تتجمد جميع المواد، أي أثناء الانتقال من السائل إلى الحالة الصلبة، فإنها تنضغط، ولكن الماء، على العكس من ذلك، يتوسع. يزيد حجمه بنسبة 9٪. ولكن عندما يتشكل الجليد على سطح الماء، فإنه، بين الهواء البارد والماء، يمنع المزيد من التبريد والتجميد للمسطحات المائية. بالمناسبة، هذه الخاصية غير العادية للمياه مهمة أيضًا لتكوين التربة في الجبال. الدخول في الشقوق الصغيرة التي توجد دائماً في الحجارة، حيث تتوسع مياه الأمطار عند التجمد وتدمر الحجر. وهكذا يصبح السطح الحجري تدريجياً قادراً على إيواء النباتات التي تكمل بجذورها عملية تدمير الحجارة هذه وتؤدي إلى تكوين التربة على المنحدرات الجبلية.

يوجد الجليد دائمًا على سطح الماء ويعمل بمثابة عازل حراري حقيقي. وهذا هو، الماء تحتها لا يبرد كثيرا، معطف الجليد يحميها بشكل موثوق من الصقيع. ولهذا السبب، من النادر أن يتجمد المسطح المائي إلى القاع في الشتاء، على الرغم من أن هذا ممكن في درجات حرارة الهواء القصوى.

تعد الزيادة المفاجئة في الحجم عندما يتحول الماء إلى جليد سمة مهمة للمياه. غالبًا ما يجب أخذ هذه الميزة بعين الاعتبار في الحياة العملية. إذا تركت برميل ماء في البرد، فسوف يتجمد الماء وينفجر البرميل. لنفس السبب، لا ينبغي ترك الماء في رادياتير السيارة المتوقفة في مرآب بارد. في حالة الصقيع الشديد، يجب أن تكون حذرًا من أدنى انقطاع في إمداد الماء الدافئ من خلال أنابيب تسخين المياه: يمكن أن يتجمد الماء الذي توقف في الأنبوب الخارجي بسرعة، ثم ينفجر الأنبوب.

نعم، الجذع، مهما كان حجمه، لا يغرق في الماء. وسر هذه الظاهرة هو أن كثافة الخشب أقل من كثافة الماء.

بالمناسبة...

هناك أشجار تغرق في الماء! والسبب في ذلك هو أن كثافتها أكبر من كثافة الماء. وتسمى هذه الأشجار بالأشجار "الحديدية". "أشجار الحديد" تشمل، على سبيل المثال، الببغاء الفارسي، والأزوبي (شجرة الحديد الاستوائية الأفريقية)، والخشب الأمازوني، والأبنوس، وخشب الورد، أو خشب الورد، والكومارو وغيرها. وتمتلك جميع هذه الأشجار أخشابًا صلبة وكثيفة جدًا وغنية بالزيوت، ولحاء هذه الأشجار مقاوم للتعفن. لذلك، فإن القارب المصنوع من هذا الخشب سوف يغرق على الفور في القاع، ولكن "أشجار الحديد" هي مادة ممتازة لصنع الأثاث.

في البحار والمحيطات توجد أحيانًا جبال جليدية ضخمة - جبال جليدية. هذه هي الأنهار الجليدية التي انزلقت من الجبال القطبية وحملها التيار والرياح إلى البحر المفتوح. يمكن أن يصل ارتفاعها إلى 200 متر، ويمكن أن يصل حجمها إلى عدة ملايين من الأمتار المكعبة. تسعة أعشار الكتلة الإجمالية للجبل الجليدي مخفية تحت الماء. لذلك فإن مقابلته أمر خطير للغاية. إذا لم تلاحظ السفينة العملاق الجليدي المتحرك في الوقت المناسب، فقد تتعرض لأضرار جسيمة أو حتى تموت في حادث تصادم.

أرز. 4. تسعة أعشار كتلة الجبل الجليدي موجودة تحت الماء.

وعلى الرغم من أن السفينة مصنوعة من الحديد، وهي ثقيلة جدًا، وحتى أنها تحمل أشخاصًا وبضائع، إلا أنها لا تغرق. لماذا؟ لكن بيت القصيد هو أنه في السفينة، بالإضافة إلى الطاقم والركاب والبضائع، هناك هواء. والهواء أخف بكثير من الماء. تم تصميم السفينة بحيث يكون هناك مساحة بداخلها مملوءة بالهواء. وهو ما يدعم السفينة على سطح الماء ويمنعها من الغرق.

الغواصات

تغوص الغواصات وتطفو على السطح، مما يغير كثافتها النسبية. لديهم حاويات كبيرة على متن الطائرة - خزانات الصابورة. وعندما يخرج الهواء منها ويتم ضخ الماء إليها، تزداد كثافة القارب ويغرق. وللطفو على السطح، يقوم الطاقم بإزالة الماء من الخزانات وضخ الهواء فيها. تنخفض الكثافة مرة أخرى ويطفو القارب إلى السطح. يتم وضع خزانات الصابورة بين الهيكل الخارجي وجدران المقصورة الداخلية. يعيش الطاقم ويعمل في المقصورة الداخلية. وقد تم تجهيز الغواصة بمراوح قوية تسمح لها بالتحرك عبر الماء. بعض القوارب لديها مفاعلات نووية.

خاتمة.

لذلك، بعد القيام بالكثير من العمل، فهمت. لقد تم تأكيد فرضيتي حول سبب عدم غرق الجليد.

أسباب عدم القابلية للغرقجليد:

1. يتكون الجليد من بلورات الماء وبينها هواء. ولذلك فإن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء.

2. تؤثر قوة الطفو على الجليد من جانب الماء.

لو كان الماء سائلاً عادياً وليس سائلاً فريداً، لما استمتعنا بالتزلج. نحن لا نتدحرج على الزجاج، أليس كذلك؟ لكنه أكثر سلاسة وجاذبية من الجليد. لكن الزجاج مادة لا تنزلق عليها الزلاجات. ولكن على الجليد، حتى لو لم تكن ذات نوعية جيدة جدا، فإن التزلج هو متعة. سوف تسأل لماذا؟ والحقيقة هي أن وزن جسمنا يضغط على شفرة التزلج الرفيعة جدًا، مما يؤدي إلى ضغط قوي على الجليد. ونتيجة لهذا الضغط من التزلج، يبدأ الجليد في الذوبان، ويشكل طبقة رقيقة من الماء تنزلق عليها التزلج بشكل مثالي.

طلب

المرفق 1

لماذا يطفو الجليد في الماء؟ لماذا يستطيع الماء إذابة الكثير من المواد المختلفة؟ لماذا تستطيع المنشفة أن تمتص الماء من الأسفل إلى الأعلى خلافا لقوانين الجاذبية؟ إذا افترضنا أن الماء جاء إلينا من عالم آخر، فإن هذه الألغاز وغيرها المحيطة بالمياه ستبدو أقل صعوبة في الفهم.

إذا كان الماء يتصرف مثل جميع المواد الأخرى على الأرض، فلن نكون موجودين.

الماء شيء بسيط جدًا لدرجة أننا نادرًا ما نفكر فيه. ومع ذلك، لا يوجد شيء أكثر غموضا من الماء العادي. أكبر لغز في الماء: لماذا يطفو الجليد؟ أي مادة أخرى، تنتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، تصبح أثقل كلما زادت كثافة المادة.

على العكس من ذلك، يصبح الماء، الذي ينتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، أخف وزنا.

في بنية الجليد، يتم ترتيب جزيئات الماء بطريقة منظمة للغاية، مع وجود مساحة كبيرة بين الجزيئات. حجم الجليد أكبر من حجم الماء الذي تشكل منه. الحجم أكبر والكثافة أقل - الجليد أخف من الماء، لذلك لا يغوص في الماء. كتل ضخمة من الجليد والجبال الجليدية لا تغرق في الماء.

• وعندما يتحول الجليد مرة أخرى إلى ماء، تصبح الجزيئات أكثر نشاطًا بمئات الآلاف من المرات، ويتم ملء المساحة الفارغة.

الشكل السائل للماء أكثر كثافة وأثقل من الشكل الصلب. يصبح الماء أثقل عند درجة حرارة +4 درجة مئوية. مع ارتفاع درجة الحرارة، تصبح جزيئات الماء أكثر نشاطا، مما يؤدي إلى انخفاض كثافتها.

بغض النظر عن مدى برودة الشتاء فوق الخزان، فإن درجة حرارة الماء في القاع ثابتة: +4 درجة مئوية. أي شيء يعيش في القاع يمكنه البقاء على قيد الحياة خلال فصول الشتاء الطويلة تحت الجليد. الجليد أخف من الماء. بقشرته الموجودة على سطح الماء، يحمي قاع الخزان من التجمد.

الثلج والماء.
ومن المعروف أن قطعة الثلج الموضوعة في كوب الماء لا تغوص. يحدث هذا لأن قوة الطفو تؤثر على الجليد من الماء.

أرز. 4.1. الجليد في الماء.

كما يظهر في الشكل. 4.1، قوة الطفو هي نتيجة قوى ضغط الماء المؤثرة على سطح الجزء المغمور من الجليد (المنطقة المظللة في الشكل 4.1). يطفو الجليد على الماء لأن قوة الجاذبية التي تسحبه إلى القاع تتوازن مع قوة الطفو.
لنتخيل أنه لا يوجد جليد في الكوب، وأن المنطقة المظللة في الشكل مملوءة بالماء. وهنا لن يكون هناك أي واجهة بين المياه الموجودة داخل هذه المنطقة وخارجها. ومع ذلك، في هذه الحالة، فإن قوة الطفو وقوة الجاذبية المؤثرة على الماء الموجود في المنطقة المظللة توازنان بعضهما البعض. وبما أنه في كلتا الحالتين اللتين تمت مناقشتهما أعلاه تظل قوة الطفو دون تغيير، فهذا يعني أن قوة الجاذبية المؤثرة على قطعة من الجليد وعلى الماء داخل المنطقة المذكورة أعلاه هي نفسها. وبعبارة أخرى، لديهم نفس الوزن. وصحيح أيضًا أن كتلة الجليد تساوي كتلة الماء في المنطقة المظللة.
بعد ذوبان الجليد، سيتحول إلى ماء بنفس الكتلة ويملأ حجمًا مساويًا لحجم المنطقة المظللة. ولذلك، فإن مستوى الماء في كوب به ماء وقطعة من الجليد لن يتغير بعد ذوبان الجليد.
الحالات السائلة والصلبة.
الآن نعلم أن حجم قطعة الجليد أكبر من حجم الماء الذي له نفس الكتلة. تسمى نسبة كتلة المادة إلى الحجم الذي تحتله كثافة المادة. ولذلك فإن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء. قيمها العددية، المقاسة عند 0 درجة مئوية، هي: بالنسبة للماء - 0.9998، بالنسبة للجليد - 0.917 جم/سم3. عند تسخينه، ليس فقط الجليد، ولكن أيضا المواد الصلبة الأخرى تصل إلى درجة حرارة معينة يبدأ عندها انتقالها إلى الحالة السائلة. إذا انصهرت مادة نقية، فإن درجة حرارتها لن تبدأ في الارتفاع عند تسخينها حتى تتحول كتلتها بأكملها إلى الحالة السائلة. وتسمى درجة الحرارة هذه نقطة انصهار مادة معينة. بمجرد اكتمال الذوبان، سيؤدي التسخين إلى ارتفاع درجة حرارة السائل بشكل أكبر. إذا تم تبريد السائل، وخفض درجة الحرارة إلى نقطة الانصهار، فإنه سيبدأ في التحول إلى حالة صلبة.
بالنسبة لمعظم المواد، على عكس الجليد والماء، تكون الكثافة في الحالة الصلبة أعلى منها في الحالة السائلة. على سبيل المثال، الأرجون، عادة في حالة غازية، يتصلب عند درجة حرارة -189.2 درجة مئوية؛ تبلغ كثافة الأرجون الصلب 1.809 جم / سم 3 (في الحالة السائلة تكون كثافة الأرجون 1.38 جم / سم 3). فإذا قارنا كثافة المادة في الحالة الصلبة عند درجة حرارة قريبة من درجة الانصهار مع كثافتها في الحالة السائلة، يتبين لنا أنها في حالة الأرجون تنخفض بنسبة 14.4%، وفي حالة الأرجون الصوديوم - بنسبة 2.5٪.
عادة ما يكون التغير في كثافة المادة عند مرورها بنقطة الانصهار للمعادن صغيرًا، باستثناء الألومنيوم والذهب (0 و5.3% على التوالي). بالنسبة لجميع هذه المواد، على عكس الماء، تبدأ عملية التصلب ليس على السطح، ولكن في القاع.
ولكن هناك معادن تقل كثافتها عند انتقالها إلى الحالة الصلبة. وتشمل هذه الأنتيمون والبزموت والجاليوم، والتي يبلغ هذا الانخفاض فيها على التوالي 0.95 و3.35 و3.2%. ينتمي الغاليوم، الذي تبلغ درجة انصهاره -29.8 درجة مئوية، مع الزئبق والسيزيوم، إلى فئة المعادن القابلة للانصهار.
الفرق بين الحالات الصلبة والسائلة للمادة.
في الحالة الصلبة، على عكس الحالة السائلة، يتم ترتيب الجزيئات التي تشكل المادة بطريقة منظمة.

أرز. 4.2. الفرق بين حالتي المادة السائلة والصلبة

في التين. يوضح الشكل 4.2 (على اليمين) مثالاً على التعبئة الكثيفة للجزيئات (المصورة بشكل تقليدي في دوائر)، وهي سمة المادة في الحالة الصلبة. بجانبه يوجد هيكل مضطرب مميز للسائل. في الحالة السائلة، توجد الجزيئات على مسافات أكبر من بعضها البعض، وتتمتع بحرية أكبر في الحركة، ونتيجة لذلك، تغير المادة الموجودة في الحالة السائلة شكلها بسهولة، أي أنها تتمتع بخاصية السيولة.
تتميز المواد السائلة، كما ذكرنا أعلاه، بترتيب عشوائي للجزيئات، ولكن ليس كل المواد التي لها مثل هذا الهيكل قادرة على التدفق. ومن الأمثلة على ذلك الزجاج، الذي تترتب جزيئاته بشكل عشوائي، لكنه لا يتمتع بالسيولة.
المواد البلورية هي المواد التي يتم ترتيب جزيئاتها بطريقة منظمة. في الطبيعة، هناك مواد لها بلوراتها مظهر مميز. وتشمل هذه الكوارتز والجليد. لا توجد المعادن الصلبة مثل الحديد والرصاص في الطبيعة على شكل بلورات كبيرة. ومع ذلك، من خلال دراسة سطحها تحت المجهر، فمن الممكن التمييز بين مجموعات من البلورات الصغيرة، كما يمكن رؤيته في الصورة (الشكل 4.3).

أرز. 4.3. صورة مجهرية لسطح الحديد.

هناك طرق خاصة تتيح الحصول على بلورات كبيرة من المواد المعدنية.
ومهما كان حجم البلورات، فإن القاسم المشترك بينها جميعًا هو الترتيب المنظم للجزيئات. وتتميز أيضًا بوجود نقطة انصهار محددة تمامًا. وهذا يعني أن درجة حرارة الجسم المنصهر لا ترتفع عند تسخينه حتى ينصهر بالكامل. الزجاج، على عكس المواد البلورية، ليس لديه نقطة انصهار محددة: عند تسخينه، فإنه يخفف تدريجيا ويتحول إلى سائل عادي. وبالتالي، فإن نقطة الانصهار تتوافق مع درجة الحرارة التي يتم عندها تدمير الترتيب المرتب للجزيئات ويصبح الهيكل البلوري مضطربًا. في الختام، نلاحظ خاصية أخرى مثيرة للاهتمام للزجاج، والتي يتم تفسيرها من خلال افتقاره إلى بنية بلورية: من خلال تطبيق قوة شد طويلة المدى عليه، على سبيل المثال، لمدة 10 سنوات، سنقتنع بأن الزجاج يتدفق مثل سائل عادي.
تعبئة الجزيئات.
باستخدام الأشعة السينية وحزم الإلكترون، يمكننا دراسة كيفية ترتيب الجزيئات في البلورة. للأشعة السينية طول موجي أقصر بكثير من الضوء المرئي، لذلك يمكن حيودها بواسطة بنية بلورية منتظمة هندسيًا من الذرات أو الجزيئات. من خلال تسجيل نمط الحيود على لوحة فوتوغرافية (الشكل 4.4)، من الممكن تحديد ترتيب الذرات في البلورة. وباستخدام نفس الطريقة بالنسبة للسوائل، يمكنك التأكد من ترتيب الجزيئات فيها بطريقة غير منتظمة.

أرز. 4.4. حيود الأشعة السينية بواسطة بنية دورية.
أرز. 4.5. طريقتان لتعبئة الكرات بإحكام.

يتم ترتيب جزيئات المادة الصلبة في الحالة البلورية بطريقة معقدة إلى حد ما بالنسبة لبعضها البعض. تبدو بنية المواد التي تتكون من ذرات أو جزيئات من نفس النوع بسيطة نسبيًا، مثل بلورة الأرجون الموضحة في الشكل. 4.5 (يسار)، حيث يتم تحديد الذرات بشكل تقليدي بالكرات. يمكنك ملء مساحة معينة بكثافة بالكرات بطرق مختلفة. مثل هذا الحشو الكثيف ممكن بسبب وجود قوى التجاذب بين الجزيئات، والتي تميل إلى ترتيب الجزيئات بحيث يكون الحجم الذي تشغله في حده الأدنى. ومع ذلك، في الواقع، الهيكل في الشكل. 4.5 (يمين) لا يحدث؛ ليس من السهل شرح هذه الحقيقة.
نظرًا لأنه من الصعب جدًا تخيل طرق مختلفة لوضع الكرات في الفضاء، فلنفكر في كيفية ترتيب العملات المعدنية بإحكام على المستوى.

أرز. 4.6. ترتيب منظم للعملات المعدنية على متن الطائرة.

في التين. يوضح الشكل 4.6 طريقتين من هذا القبيل: في الأولى، يكون كل جزيء على اتصال بأربعة جزيء مجاور، ومراكزها هي رؤوس مربع ذو ضلع d، حيث d هو قطر العملة؛ ومع الثانية، تتلامس كل عملة مع ستة عملات مجاورة. تشير الخطوط المنقطة في الشكل إلى المساحة التي تشغلها العملة الواحدة. في الحالة الأولى
وهي تساوي d 2، ومرة ​​أخرى هذه المساحة أصغر وتساوي √3d 2 /2.
الطريقة الثانية لوضع العملات المعدنية تقلل بشكل كبير الفجوة بينهما.
جزيء داخل البلورة.الغرض من دراسة البلورات هو تحديد كيفية ترتيب الجزيئات فيها. يتم تنظيم بلورات المعادن مثل الذهب والفضة والنحاس بشكل مشابه لبلورات الأرجون. وفي حالة المعادن، ينبغي أن نتحدث عن الترتيب المرتب للأيونات، وليس الجزيئات. فذرة النحاس، على سبيل المثال، تفقد إلكترونًا واحدًا وتصبح أيون نحاس سالب الشحنة. تتحرك الإلكترونات بحرية بين الأيونات. إذا تم تمثيل الأيونات بشكل تقليدي على شكل كرات، فسنحصل على بنية تتميز بالتعبئة المتقاربة. تختلف بلورات المعادن مثل الصوديوم والبوتاسيوم إلى حد ما في تركيبها عن النحاس. لا يمكن تمثيل جزيئات ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية المكونة من ذرات مختلفة على شكل كرات. وعندما تتحول إلى حالة صلبة، فإنها تشكل بنية بلورية معقدة للغاية.

أرز. 4.7. بلورات الثلج الجاف (كرات كبيرة الحجم – ذرات الكربون)

في التين. يوضح الشكل 4.7 بلورات ثاني أكسيد الكربون الصلبة، والتي تسمى الثلج الجاف. الماس، وهو ليس مركبًا كيميائيًا، له أيضًا بنية خاصة، حيث تتشكل الروابط الكيميائية بين ذرات الكربون.
كثافة السائل.عند التحول إلى الحالة السائلة، يصبح التركيب الجزيئي للمادة مضطربا. يمكن أن تكون هذه العملية مصحوبة بانخفاض وزيادة في الحجم الذي تشغله مادة معينة في الفضاء.


أرز. 4.8. نماذج من الطوب تتوافق مع بنية الماء والمواد الصلبة.

كمثال توضيحي، خذ بعين الاعتبار ما هو موضح في الشكل. 4.8 مبنى من الطوب. دع كل لبنة تتوافق مع جزيء واحد. يتحول مبنى من الطوب دمره زلزال إلى كومة من الطوب أبعادها أصغر من حجم المبنى. ومع ذلك، إذا تم تكديس جميع قطع الطوب بشكل أنيق واحدًا لواحد، فإن مقدار المساحة التي تشغلها ستصبح أصغر. توجد علاقة مماثلة بين كثافة المادة في الحالة الصلبة والسائلة. يمكن مطابقة بلورات النحاس والأرجون مع التعبئة الكثيفة للطوب الموضح. الحالة السائلة فيها تتوافق مع كومة من الطوب. ويصاحب الانتقال من الحالة الصلبة إلى السائلة في ظل هذه الظروف انخفاض في الكثافة.
في الوقت نفسه، فإن الانتقال من البنية البلورية ذات المسافات الجزيئية الكبيرة (التي تتوافق مع مبنى من الطوب) إلى الحالة السائلة يكون مصحوبًا بزيادة في الكثافة. ومع ذلك، في الواقع، تحتفظ العديد من البلورات بمسافات كبيرة بين الجزيئات أثناء الانتقال إلى الحالة السائلة.
لا يتميز الأنتيمون والبزموت والجاليوم والمعادن الأخرى، على عكس الصوديوم والنحاس، بالتعبئة الكثيفة. بسبب المسافات البينية الكبيرة أثناء الانتقال إلى الطور السائل، تزداد كثافتها.

هيكل الجليد.
يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين وذرتين هيدروجين تقعان على طرفي نقيض منه. على عكس جزيء ثاني أكسيد الكربون، حيث توجد ذرة الكربون وذرتي الأكسجين على طول خط مستقيم واحد، في جزيء الماء تشكل الخطوط التي تربط ذرة الأكسجين بكل ذرات الهيدروجين زاوية قدرها 104.5 درجة مع بعضها البعض. لذلك، هناك قوى تفاعل بين جزيئات الماء ذات طبيعة كهربائية. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب الخصائص الخاصة لذرة الهيدروجين، عندما يتبلور الماء، فإنه يشكل بنية يرتبط فيها كل جزيء بأربعة جزيئات مجاورة. يتم عرض هذا الهيكل بطريقة مبسطة في الشكل. 4.9. الكرات الكبيرة تمثل ذرات الأكسجين، والكرات السوداء الصغيرة تمثل ذرات الهيدروجين.

أرز. 4.9. البنية البلورية للجليد.

في هذا الهيكل، يتم تحقيق مسافات كبيرة بين الجزيئات. لذلك، عندما يذوب الجليد وينهار الهيكل، ينخفض ​​حجم كل جزيء. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن كثافة الماء أعلى من كثافة الجليد ويمكن للثلج أن يطفو على الماء.

دراسة 1
لماذا تكون كثافة الماء أعلى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية؟

الرابطة الهيدروجينية والتمدد الحراري.عندما يذوب الجليد، فإنه يتحول إلى الماء، وهو أعلى كثافة من الجليد. ومع زيادة درجة حرارة الماء، تزداد كثافته حتى تصل درجة الحرارة إلى 4 درجات مئوية. إذا كانت كثافة الماء عند 0 درجة مئوية 0.99984 جم / سم 3، فإنها عند 4 درجات مئوية تكون 0.99997 جم / سم 3. تؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة إلى انخفاض الكثافة، وعند 8 درجات مئوية سيكون لها نفس القيمة مرة أخرى عند 0 درجة مئوية.

أرز. 4.10. التركيب البلوري للجليد (الكرات الكبيرة هي ذرات الأكسجين).

وترجع هذه الظاهرة إلى وجود بنية بلورية في الجليد. يظهر في الشكل 1 بكل التفاصيل. 4.10، حيث من أجل الوضوح، تم تصوير الذرات على شكل كرات، وتمت الإشارة إلى الروابط الكيميائية بخطوط صلبة. ومن سمات الهيكل أن ذرة الهيدروجين تقع دائمًا بين ذرتين من الأكسجين، وتكون أقرب إلى إحداهما. وبالتالي، فإن ذرة الهيدروجين تعزز قوة الالتصاق بين جزيئين ماء متجاورين. وتسمى هذه القوة اللاصقة الرابطة الهيدروجينية. وبما أن الروابط الهيدروجينية تحدث فقط في اتجاهات معينة، فإن ترتيب جزيئات الماء في قطعة من الجليد قريب من ترتيب رباعي السطوح. عندما يذوب الجليد ويتحول إلى ماء، لا يتم تدمير جزء كبير من الروابط الهيدروجينية، مما يؤدي إلى الحفاظ على هيكل قريب من رباعي السطوح مع مسافات جزيئية كبيرة مميزة. مع زيادة درجة الحرارة، تزداد سرعة الحركة الانتقالية والدورانية للجزيئات، ونتيجة لذلك تنكسر روابط الهيدروجين، وتقل المسافة بين الجزيئات وتزداد كثافة الماء.
لكن بالتوازي مع هذه العملية، مع ارتفاع درجة الحرارة، يحدث تمدد حراري للمياه، مما يؤدي إلى انخفاض كثافتها. يؤدي تأثير هذين العاملين إلى تحقيق أقصى كثافة للمياه عند 4 درجات مئوية. عند درجات حرارة أعلى من 4 درجات مئوية، يبدأ العامل المرتبط بالتمدد الحراري بالسيطرة وتنخفض الكثافة مرة أخرى.

الدراسة 2
الجليد في درجات حرارة منخفضة أو ضغوط عالية

أصناف من الجليد.وبما أن المسافات بين الجزيئات تزداد أثناء تبلور الماء، فإن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء. إذا تعرضت قطعة من الجليد لضغط مرتفع، فيمكن للمرء أن يتوقع أن المسافة بين الجزيئات ستنخفض. في الواقع، من خلال تعريض الجليد عند درجة حرارة 0 درجة مئوية لضغط قدره 14 كيلو بار (1 كيلو بار = 987 ضغط جوي)، نحصل على جليد ببنية بلورية مختلفة، تبلغ كثافته 1.38 جم/سم3. إذا تم تبريد الماء تحت هذا الضغط إلى درجة حرارة معينة، فسوف يبدأ في ذلك
تبلور. وبما أن كثافة هذا الجليد أعلى من كثافة الماء، فلا يمكن للبلورات أن تبقى على سطحه وتغوص إلى القاع. وهكذا يتبلور الماء الموجود في الإناء ابتداءً من الأسفل. ويسمى هذا النوع من الجليد بالجليد السادس؛ الجليد العادي - الجليد الأول.
عند ضغط 25 كيلو بار ودرجة حرارة 100 درجة مئوية، يتجمد الماء ويتحول إلى جليد 7 بكثافة 1.57 جم/سم3.

أرز. 4.11. مخطط حالة المياه.

من خلال تغيير درجة الحرارة والضغط، يمكنك الحصول على 13 نوعًا من الثلج. تظهر مناطق تغيير المعلمة في مخطط الحالة (الشكل 4.11). من هذا الرسم البياني يمكنك تحديد نوع الجليد الذي يتوافق مع درجة حرارة وضغط معينين. تتوافق الخطوط الصلبة مع درجات الحرارة والضغوط التي يتعايش فيها هيكلان جليديان مختلفان. يتمتع الجليد الثامن بأعلى كثافة تبلغ 1.83 جم/سم3 بين جميع أنواع الجليد.
عند ضغط منخفض نسبيًا، 3 كيلو بار، يوجد جليد II، كثافته أعلى أيضًا من كثافة الماء، وتبلغ 1.15 جم/سم3. ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أنه عند درجة حرارة -120 درجة مئوية يختفي التركيب البلوري ويتحول الجليد إلى حالة زجاجية.
أما بالنسبة للماء والجليد I، فيوضح الشكل أنه مع زيادة الضغط، تنخفض درجة الانصهار. نظرًا لأن كثافة الماء أعلى من كثافة الجليد، فإن انتقال الماء المثلج يكون مصحوبًا بانخفاض في الحجم، والضغط المطبق خارجيًا يؤدي فقط إلى تسريع هذه العملية. بالنسبة للجليد III، الذي تكون كثافته أعلى من كثافة الماء، فإن الوضع هو عكس ذلك تمامًا - حيث تزداد نقطة انصهاره مع زيادة الضغط.

لا نتفاجأ على الإطلاق بكتل الجليد العائمة في بداية الربيع، عندما تبدأ الخزانات في التحرر من "الملابس" الشتوية وتكشف جمال المياه العذبة للعين البشرية. لقد اعتدنا على هذه الظاهرة الطبيعية لدرجة أننا لا نفكر فيها ونتساءل لماذا لا يذوب الجليد؟ وإذا فكرت في الأمر، فلن تتذكر على الفور أمثلة حيث تطفو المواد الصلبة مثل الجليد في السوائل التي تتشكل عند ذوبانها. يمكنك إذابة البارافين أو الشمع في وعاء ورمي قطعة من نفس المادة في حالة صلبة فقط في البركة الناتجة. وماذا نرى؟ يغوص الشمع والبارافين بأمان في السائل الذي يتشكل نتيجة ذوبانهما.

لماذا لا يغوص الجليد في الماء؟والحقيقة هي أن الماء في هذا المثال هو استثناء نادر جدًا وفريد ​​بطبيعته. في الطبيعة، يتصرف المعدن والحديد الزهر فقط بشكل مشابه لقطعة من الجليد تطفو على سطح الماء.

إذا كان الجليد أثقل من الماء، فمن المؤكد أنه سيغرق تحت ثقله وفي نفس الوقت يزيح الماء الموجود في الجزء السفلي من الخزان إلى السطح. ونتيجة لذلك، فإن الخزان بأكمله سوف يتجمد إلى القاع! ومع ذلك، عندما يتجمد الماء، يحدث وضع مختلف تماما. إن تحول الماء إلى جليد يزيد حجمه بنسبة 10% تقريباً وهو في هذه اللحظة الجليد لديه كثافة أقل من الماء نفسه. ولهذا السبب يطفو الجليد على سطح الماء ولا يغرق. ويمكن ملاحظة نفس الشيء عند إنزال قارب ورقي على الماء، كثافته أقل بكثير من كثافة الماء. لو كان القارب مصنوعًا من الخشب أو مادة أخرى، لغرق بالتأكيد. إذا قارنا مؤشرات الكثافة بالأرقام، فمثلا، إذا كانت كثافة الماء واحدة، فإن كثافة الجليد ستكون 0.91.

يجب أن تؤخذ الزيادة في حجم الماء عندما يتحول إلى جليد في الاعتبار في الحياة اليومية. يكفي ترك برميل مملوء بالماء في البرد، وسوف يتجمد السائل وينفجر الحاوية. ولهذا السبب لا ينصح بترك الماء في رادياتير السيارة المتوقفة في البرد. أيضًا، في حالة الصقيع الشديد، يجب أن تكون حذرًا من الانقطاعات في إمداد الماء الدافئ الذي يمر عبر أنابيب التدفئة. إذا بقي الماء في الأنبوب الخارجي، فسوف يتجمد على الفور، الأمر الذي سيؤدي حتما إلى تلف إمدادات المياه.

وكما هو معروف، في المحيطات والبحار على أعماق كبيرة، حيث تكون درجة الحرارة أقل من الصفر، لا يزال الماء لا يتجمد ولا يتحول إلى كتلة من الجليد. من السهل جدًا شرح ذلك - فالطبقات العليا من الماء تخلق ضغطًا هائلاً. على سبيل المثال، تضغط طبقة من الماء يبلغ طولها كيلومترًا واحدًا بقوة تزيد عن مائة ضغط جوي.

لو كان الماء سائلاً عادياً وليس سائلاً فريداً، لما استمتعنا بالتزلج. نحن لا نتدحرج على الزجاج، أليس كذلك؟ لكنه أكثر سلاسة وجاذبية من الجليد. لكن الزجاج مادة لا تنزلق عليها الزلاجات. ولكن على الجليد، حتى لو لم تكن ذات نوعية جيدة جدا، فإن التزلج هو متعة. سوف تسأل لماذا؟ والحقيقة هي أن وزن جسمنا يضغط على شفرة التزلج الرفيعة جدًا، مما يشكل ضغطًا قويًا عليها جليد. ونتيجة لهذا الضغط من التزلج، يبدأ الجليد في الذوبان، ويشكل طبقة رقيقة من الماء تنزلق عليها التزلج بشكل مثالي.

كيف تشرح العمليات الجسدية المعقدة للطفل؟

أول ما يتبادر إلى الذهن هو الكثافة. نعم، في الواقع، يطفو الجليد لأنه أقل كثافة من الماء. ولكن كيف تشرح للطفل ما هي الكثافة؟ لا أحد ملزم بإخباره بالمناهج الدراسية، لكن من الممكن أن نلخص الأمر في حقيقة أن الثلج أسهل. بعد كل شيء، في الواقع، نفس الحجم من الماء والجليد له أوزان مختلفة. إذا قمنا بدراسة المشكلة بمزيد من التفصيل، يمكننا التعبير عن عدة أسباب أخرى إلى جانب الكثافة.
لا يغوص الجليد في الماء ليس فقط لأن كثافته المنخفضة تمنعه ​​من الغرق إلى مستوى أدنى. والسبب أيضًا هو أن فقاعات الهواء الصغيرة تتجمد في الجليد. كما أنها تقلل من الكثافة، وبالتالي، بشكل عام، اتضح أن وزن لوحة الجليد يصبح أقل. عندما يتوسع الجليد، فإنه لا يمتص المزيد من الهواء، ولكن كل تلك الفقاعات الموجودة بالفعل داخل هذه الطبقة تبقى هناك حتى يبدأ الجليد في الذوبان أو التسامي.

إجراء تجربة على قوة تمدد الماء

ولكن كيف يمكنك إثبات أن الجليد يتوسع بالفعل؟ ففي نهاية المطاف، يمكن للمياه أيضًا أن تتوسع، فكيف يمكن إثبات ذلك في ظل ظروف صناعية؟ يمكنك إجراء تجربة مثيرة للاهتمام وبسيطة للغاية. للقيام بذلك سوف تحتاج إلى كوب من البلاستيك أو الورق المقوى والماء. ليس من الضروري أن تكون الكمية كبيرة، ولا تحتاج إلى ملء الكوب حتى الحافة. أيضًا، من الناحية المثالية، تحتاج إلى درجة حرارة تبلغ حوالي -8 درجة أو أقل. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فستستمر التجربة لفترة طويلة بشكل غير معقول.
لذلك، يتم سكب الماء في الداخل، ونحن بحاجة إلى الانتظار حتى يتشكل الجليد. نظرًا لأننا اخترنا درجة الحرارة المثالية التي ستتحول فيها كمية صغيرة من السائل إلى ثلج خلال ساعتين إلى ثلاث ساعات، فيمكنك العودة إلى المنزل والانتظار بأمان. عليك الانتظار حتى يتحول كل الماء إلى ثلج. بعد مرور بعض الوقت ننظر إلى النتيجة. ضمان الكوب المشوه أو الممزق بالثلج. عند درجة حرارة منخفضة، تبدو التأثيرات أكثر إثارة للإعجاب، وتستغرق التجربة نفسها وقتًا أقل.

عواقب سلبية

اتضح أن تجربة بسيطة تؤكد أن كتل الجليد تتوسع بالفعل عندما تنخفض درجة الحرارة، ويزداد حجم الماء بسهولة عند التجميد. كقاعدة عامة، تسبب هذه الميزة الكثير من المشاكل للأشخاص النسيان: زجاجة من الشمبانيا المتروكة على الشرفة لفترة طويلة في ليلة رأس السنة تنكسر بسبب تعرضها للجليد. وبما أن قوة التمدد كبيرة جدًا، فلا يمكن التأثير عليها بأي شكل من الأشكال. حسنًا، بالنسبة لطفو الكتل الجليدية، فلا يوجد ما يمكن إثباته هنا. يمكن للأشخاص الأكثر فضولًا إجراء تجربة مماثلة بسهولة في الربيع أو الخريف بمفردهم، محاولين إغراق قطع من الجليد في بركة كبيرة.

لا أحد يشك في أن الجليد يطفو على الماء؛ لقد رأى الجميع هذا مئات المرات سواء في البركة أو في النهر.

ولكن كم من الناس فكروا في هذا السؤال: هل تتصرف جميع المواد الصلبة بنفس الطريقة التي يتصرف بها الجليد، أي أنها تطفو في السوائل التي تتشكل عند ذوبانها؟

قم بإذابة البارافين أو الشمع في مرطبان ثم قم بإلقاء قطعة أخرى من نفس المادة الصلبة في هذا السائل، وسوف تغرق على الفور. سيحدث الشيء نفسه مع الرصاص والقصدير والعديد من المواد الأخرى. وتبين أن المواد الصلبة، كقاعدة عامة، تغوص دائمًا في السوائل التي تتشكل عند ذوبانها.

عند التعامل مع المياه في أغلب الأحيان، اعتدنا على الظاهرة المعاكسة لدرجة أننا غالبًا ما ننسى هذه الخاصية المميزة لجميع المواد الأخرى. ويجب أن نتذكر أن الماء استثناء نادر في هذا الصدد. فقط البزموت المعدني والحديد الزهر يتصرفان بنفس الطريقة التي يتصرف بها الماء.

إذا كان الجليد أثقل من الماء ولم يبقى على سطحه، بل غرق، فحتى في الخزانات العميقة سوف يتجمد الماء تمامًا في الشتاء. وفي الواقع فإن تساقط الجليد في قاع البركة من شأنه أن يزيح الطبقات السفلى من الماء إلى الأعلى، ويحدث هذا حتى يتحول كل الماء إلى جليد.

ومع ذلك، عندما يتجمد الماء، يحدث العكس. وفي اللحظة التي يتحول فيها الماء إلى جليد، يزداد حجمه فجأة بنحو 10%، مما يجعل الجليد أقل كثافة من الماء. ولهذا يطفو في الماء، كما يطفو أي جسم في سائل عالي الكثافة: مسمار حديد في الزئبق، وفلين في الزيت، الخ. فإذا افترضنا أن كثافة الماء تساوي الوحدة، فإن كثافة الماء سوف يكون الجليد 0.91 فقط. يتيح لنا هذا الشكل معرفة سمك طوف الجليد العائم على الماء. إذا كان ارتفاع طوف الجليد فوق الماء، على سبيل المثال، 2 سم، فيمكننا أن نستنتج أن الطبقة تحت الماء من طوف الجليد أكثر سمكًا بـ 9 مرات، أي تساوي 18 سم، وأن طوف الجليد بأكمله يبلغ 20 سم سميكة.

في البحار والمحيطات توجد أحيانًا جبال جليدية ضخمة - جبال جليدية (الشكل 4). هذه هي الأنهار الجليدية التي انزلقت من الجبال القطبية وحملها التيار والرياح إلى البحر المفتوح. يمكن أن يصل ارتفاعها إلى 200 متر، ويمكن أن يصل حجمها إلى عدة ملايين من الأمتار المكعبة. تسعة أعشار الكتلة الإجمالية للجبل الجليدي مخفية تحت الماء. لذلك فإن مقابلته أمر خطير للغاية. إذا لم تلاحظ السفينة العملاق الجليدي المتحرك في الوقت المناسب، فقد تتعرض لأضرار جسيمة أو حتى تموت في حادث تصادم.

تعد الزيادة المفاجئة في الحجم أثناء تحول الماء السائل إلى الجليد سمة مهمة للمياه. غالبًا ما يجب أخذ هذه الميزة بعين الاعتبار في الحياة العملية. إذا تركت برميل ماء في البرد، فسوف يتجمد الماء وينفجر البرميل. لنفس السبب، لا ينبغي ترك الماء في رادياتير السيارة المتوقفة في مرآب بارد. في حالة الصقيع الشديد، يجب أن تكون حذرًا من أدنى انقطاع في إمداد الماء الدافئ من خلال أنابيب تسخين المياه: يمكن أن يتجمد الماء الذي توقف في الأنبوب الخارجي بسرعة، ثم ينفجر الأنبوب.

غالبًا ما يؤدي تجمد الماء في شقوق الصخور إلى انهيار الجبال.

دعونا الآن نفكر في تجربة واحدة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتمدد الماء عند تسخينه. يتطلب إجراء هذه التجربة معدات خاصة، ومن غير المرجح أن يتمكن أي قارئ من إعادة إنتاجها في المنزل. نعم، هذه ليست ضرورة؛ التجربة سهلة التخيل، وسنحاول التأكد من نتائجها باستخدام الأمثلة المألوفة لدى الجميع.

لنأخذ معدنًا قويًا جدًا، ويفضل أن يكون أسطوانة فولاذية (الشكل 5)، ونسكب بعض الطلقات في الأسفل، ونملأها بالماء، ونثبت الغطاء بالمسامير ونبدأ في تدوير المسمار. نظرًا لأن الماء ينضغط قليلاً جدًا، فلن تضطر إلى تدوير المسمار لفترة طويلة. وبعد بضع دورات فقط، يرتفع الضغط داخل الأسطوانة إلى مئات الضغط الجوي. إذا قمت الآن بتبريد الأسطوانة حتى 2-3 درجات تحت الصفر، فلن يتجمد الماء الموجود فيها. ولكن كيف يمكنك التأكد من هذا؟ إذا فتحنا الاسطوانة، فعند درجة الحرارة والضغط الجوي، سيتحول الماء على الفور إلى جليد، ولن نعرف ما إذا كان سائلاً أم صلبًا عندما كان تحت الضغط. سوف تساعدنا الكريات المرشوشة هنا. عندما تبرد الاسطوانة، اقلبها رأسًا على عقب. إذا كان الماء متجمدًا، فستكون اللقطة في الأسفل، وإذا لم يتم تجميدها، فسوف تتجمع اللقطة عند الغطاء. دعونا فك المسمار. سوف ينخفض ​​​​الضغط وسوف يتجمد الماء بالتأكيد. بعد إزالة الغطاء، نتأكد من أن كل اللقطة قد تجمعت بالقرب من الغطاء. وهذا يعني أن الماء تحت الضغط لا يتجمد عند درجات حرارة أقل من الصفر.

تظهر التجربة أن درجة تجمد الماء تتناقص مع زيادة الضغط بمقدار درجة واحدة تقريبًا لكل 130 ضغطًا جويًا.

إذا بدأنا في بناء تفكيرنا على أساس ملاحظات العديد من المواد الأخرى، فسيتعين علينا أن نصل إلى النتيجة المعاكسة. يساعد الضغط عادةً على تجميد السوائل: تحت الضغط، تتجمد السوائل عند درجة حرارة أعلى، وهذا ليس مفاجئًا إذا تذكرت أن معظم المواد تنخفض في الحجم عندما تتصلب. يؤدي الضغط إلى انخفاض الحجم وهذا يسهل انتقال السائل إلى الحالة الصلبة. عندما يتصلب الماء، كما نعلم بالفعل، فإنه لا ينخفض ​​\u200b\u200bفي الحجم، بل على العكس من ذلك، يتوسع. ولذلك فإن الضغط الذي يمنع تمدد الماء يخفض درجة تجمده.

ومن المعروف أنه في المحيطات على أعماق كبيرة تكون درجة حرارة الماء أقل من الصفر، ومع ذلك فإن الماء في هذه الأعماق لا يتجمد. ويفسر ذلك الضغط الناتج عن الطبقات العليا من الماء. تضغط طبقة من الماء يبلغ سمكها كيلومترًا واحدًا بقوة تبلغ حوالي مائة ضغط جوي.

لو كان الماء سائلاً عاديًا، لما شعرنا بمتعة التزلج على الجليد. سيكون الأمر مماثلاً للتدحرج على زجاج أملس تمامًا. الزلاجات لا تنزلق على الزجاج. إنها مسألة مختلفة تمامًا على الجليد. التزلج على الجليد سهل للغاية. لماذا؟ تحت وزن جسمنا، تنتج شفرة التزلج الرفيعة ضغطا قويا للغاية على الجليد، والجليد تحت الجليد يذوب؛ يتم تشكيل طبقة رقيقة من الماء، والتي تعمل بمثابة مادة تشحيم ممتازة.

تنجرف كتل الجليد القطبي والجبال الجليدية في المحيط، وحتى في المشروبات، لا يغوص الجليد أبدًا إلى القاع. يمكننا أن نستنتج أن الجليد لا يغرق في الماء. لماذا؟ إذا فكرت في الأمر، فقد يبدو هذا السؤال غريبًا بعض الشيء، لأن الجليد مادة صلبة - بديهيًا - يجب أن يكون أثقل من السائل. على الرغم من أن هذا البيان ينطبق على معظم المواد، إلا أن الماء يشكل استثناءً لهذه القاعدة. ما يميز الماء والجليد هو الروابط الهيدروجينية، التي تجعل الجليد أخف في حالته الصلبة منه عندما يكون في حالته السائلة.

سؤال علمي: لماذا لا يغوص الجليد في الماء؟

لنتخيل أننا في درس بعنوان "العالم من حولنا" في الصف الثالث. "لماذا لا يغرق الجليد في الماء؟" يسأل المعلم الأطفال. والأطفال، دون معرفة عميقة بالفيزياء، يبدأون في التفكير. "ربما هذا سحر؟" - يقول أحد الأطفال.

في الواقع، الجليد غير عادي للغاية. لا توجد عمليا أي مواد طبيعية أخرى يمكن أن تطفو في الحالة الصلبة على سطح السائل. هذه إحدى الخصائص التي تجعل الماء مادة غير عادية، وبصراحة، هو ما يغير مسار تطور الكواكب.

هناك بعض الكواكب تحتوي على كميات هائلة من الهيدروكربونات السائلة مثل الأمونيا، ولكن عندما تتجمد هذه المادة تغوص إلى القاع. والسبب في عدم غوص الجليد في الماء هو أن الماء عندما يتجمد يتمدد، وفي نفس الوقت تقل كثافته. ومن المثير للاهتمام أن تمدد الجليد يمكن أن يكسر الحجارة - فعملية تجلد الماء غير عادية للغاية.

من الناحية العلمية، تؤدي عملية التجميد إلى إنشاء دورات تجوية سريعة ويمكن لبعض المواد الكيميائية المنبعثة على السطح أن تذيب المعادن. بشكل عام، يتضمن تجميد الماء عمليات وإمكانيات لا توحي بها الخصائص الفيزيائية للسوائل الأخرى.

كثافة الجليد والماء

وبالتالي، فإن الإجابة على سؤال لماذا لا يغوص الجليد في الماء ولكنه يطفو على السطح هي أن كثافته أقل من كثافة السائل - ولكن هذه إجابة من المستوى الأول. لكي تفهم بشكل أفضل، عليك أن تعرف سبب انخفاض كثافة الجليد، ولماذا تطفو الأشياء في المقام الأول، وكيف تسبب الكثافة الطفو.

لنتذكر العبقري اليوناني أرخميدس، الذي اكتشف أنه بعد غمر جسم معين في الماء، يزداد حجم الماء بمقدار يساوي حجم الجسم المغمور. بمعنى آخر، إذا وضعت طبقًا عميقًا على سطح الماء ثم وضعت فيه جسمًا ثقيلًا، فإن حجم الماء الذي يصب في الطبق سيكون مساويًا تمامًا لحجم الجسم. لا يهم ما إذا كان الكائن مغمورًا كليًا أو جزئيًا.

خصائص الماء

الماء مادة مذهلة تغذي الحياة على الأرض بشكل أساسي، لأن كل كائن حي يحتاج إليها. ومن أهم خصائص الماء أنه يصل إلى أعلى كثافته عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. وبالتالي، فإن الماء الساخن أو الجليد أقل كثافة من الماء البارد. المواد الأقل كثافة تطفو فوق المواد الأكثر كثافة.

على سبيل المثال، عند تحضير السلطة، قد تلاحظ وجود الزيت على سطح الخل - ويمكن تفسير ذلك بحقيقة أنه يحتوي على كثافة أقل. نفس القانون صالح أيضًا لتفسير سبب عدم غرق الثلج في الماء، ولكنه يغوص في البنزين والكيروسين. كل ما في الأمر أن هاتين المادتين لهما كثافة أقل من كثافة الجليد. لذا، إذا رميت كرة قابلة للنفخ في حوض سباحة، فسوف تطفو على السطح، ولكن إذا رميت حجرًا في الماء، فسوف تغوص إلى القاع.

ما هي التغيرات التي تحدث للماء عندما يتجمد؟

يرجع سبب عدم غرق الجليد في الماء إلى الروابط الهيدروجينية، التي تتغير عندما يتجمد الماء. كما تعلم، يتكون الماء من ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين. وهي مرتبطة بروابط تساهمية قوية بشكل لا يصدق. ومع ذلك، هناك نوع آخر من الروابط التي تتشكل بين جزيئات مختلفة، تسمى الرابطة الهيدروجينية، وهي أضعف. تتشكل هذه الروابط بسبب انجذاب ذرات الهيدروجين موجبة الشحنة إلى ذرات الأكسجين سالبة الشحنة الموجودة في جزيئات الماء المجاورة.

عندما يكون الماء دافئًا، تكون الجزيئات نشطة جدًا، وتتحرك كثيرًا، وتشكل وتكسر الروابط بسرعة مع جزيئات الماء الأخرى. لديهم الطاقة للتقرب من بعضهم البعض والتحرك بسرعة. فلماذا لا يغرق الجليد في الماء؟ الكيمياء تخفي الجواب.

فيزياء وكيمياء الجليد

عندما تنخفض درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية، تنخفض الطاقة الحركية للسائل، وبالتالي تتوقف الجزيئات عن الحركة. ليس لديهم الطاقة اللازمة للتحرك والكسر وتكوين الروابط بسهولة كما هو الحال في درجات الحرارة المرتفعة. وبدلاً من ذلك، فإنها تشكل المزيد من الروابط الهيدروجينية مع جزيئات الماء الأخرى لتكوين هياكل شبكية سداسية.

وهي تشكل هذه الهياكل لإبقاء جزيئات الأكسجين سالبة الشحنة بعيدة عن بعضها البعض. في منتصف الأشكال السداسية التي تشكلت نتيجة لنشاط الجزيئات، هناك الكثير من الفراغ.

يغرق الجليد في الماء - الأسباب

الثلج في الواقع أقل كثافة بنسبة 9% من الماء السائل. ولذلك، فإن الجليد يشغل مساحة أكبر من الماء. من الناحية العملية، هذا منطقي لأن الجليد يتوسع. ولهذا السبب لا يُنصح بتجميد قنينة ماء زجاجية - فالماء المتجمد يمكن أن يحدث شقوقًا كبيرة حتى في الخرسانة. إذا كان لديك زجاجة لتر من الثلج وزجاجة ماء لتر، فإن زجاجة الماء المثلج ستكون أخف وزنًا. تكون الجزيئات متباعدة في هذه المرحلة أكثر مما تكون عليه عندما تكون المادة في حالة سائلة. ولهذا السبب لا يغرق الثلج في الماء.

ومع ذوبان الجليد، ينهار الهيكل البلوري المستقر ويصبح أكثر كثافة. عندما ترتفع درجة حرارة الماء إلى 4 درجات مئوية، فإنه يكتسب طاقة وتتحرك الجزيئات بشكل أسرع وأبعد. ولهذا السبب يشغل الماء الساخن مساحة أكبر من الماء البارد ويطفو فوق الماء البارد، فهو أقل كثافة. تذكر، عندما تكون في بحيرة، أثناء السباحة، تكون الطبقة العليا من الماء دائمًا ممتعة ودافئة، ولكن عندما تضع قدميك بشكل أعمق، ستشعر ببرودة الطبقة السفلية.

أهمية عملية تجميد الماء في عمل الكوكب

على الرغم من أن السؤال "لماذا لا يغوص الجليد في الماء؟" بالنسبة للصف الثالث، من المهم جدًا فهم سبب حدوث هذه العملية وما تعنيه بالنسبة للكوكب. وبالتالي، فإن طفو الجليد له عواقب مهمة على الحياة على الأرض. تتجمد البحيرات في الأماكن الباردة خلال فصل الشتاء، مما يسمح للأسماك والحيوانات المائية الأخرى بالبقاء على قيد الحياة تحت غطاء من الجليد. إذا تم تجميد القاع، هناك احتمال كبير أن تتجمد البحيرة بأكملها.

في مثل هذه الظروف، لن يبقى أي كائن حي على قيد الحياة.

إذا كانت كثافة الجليد أعلى من كثافة الماء، فسوف يغرق الجليد في المحيطات، ولن تسمح القمم الجليدية، التي ستكون في هذه الحالة في الأسفل، لأي شخص بالعيش هناك. سيكون قاع المحيط مليئًا بالجليد، وإلى ماذا سيتحول كل ذلك؟ من بين أمور أخرى، يعد الجليد القطبي مهمًا لأنه يعكس الضوء ويمنع ارتفاع درجة حرارة كوكب الأرض.