Увага! Адміністрація сайту www.rosuchebnik.ru не несе відповідальності за зміст методичних розробок, а також за відповідність розробки ФГОС.
- Учасник:Ковальов Павло Олексійович
- Керівник: Шик Галина Яківна
Вступ
Вода є не тільки одним із найнеобхідніших, а й найдивовижніших явищ на нашій планеті. Винятково важлива роль води у виникненні та підтримці життя на Землі, у хімічній будові живих організмів, у формуванні клімату та погоди. Вода є найважливішим речовиною всім живих істот Землі.
Вступ
Більшість поверхні Землі вкрита водою (океани, моря, озера, річки, льоди). На Землі приблизно 96,5 % води припадає на океани, 1,7 % світових запасів становлять ґрунтові води, ще 1,7 % – льодовики та крижані шапки Антарктиди та Гренландії, невелика частина знаходиться у річках, озерах та болотах, та 0,001 % у хмарах, що утворюються із зважених у повітрі частинок льоду та рідкої води.
Вода при нормальних умовах перебуває в рідкому стані, проте при температурі 0 °C вона переходить у твердий стан – лід і кипить (перетворюється на водяну пару) при температурі 100 °C.
Значення 0 °C та 100 °C були обрані як відповідні температурам танення льоду та кипіння води під час створення температурної шкали «за Цельсієм».
Лід зустрічається в природі у вигляді власне льоду (материкового, плаваючого, підземного), а також у вигляді снігу, інею, паморозі. Під дією власної ваги лід набуває пластичних властивостей і плинності.
Природний лід зазвичай значно чистіше, ніж вода, оскільки при кристалізації води насамперед у ґрати встають молекули води.
Загальні запаси льоду Землі близько 30 млн. км³. Основні запаси льоду зосереджені в полярних шапках (переважно в Антарктиді, де товщина шару льоду досягає 4 км).
У світовому океані вода солона і це перешкоджає утворенню льоду, тому лід утворюється лише в полярних та субполярних широтах, де зима довга та дуже холодна. Замерзають деякі неглибокі моря, що у помірному поясі.
Крім того, є дані про наявність льоду на планетах Сонячної системи (наприклад, на Марсі), їх супутниках, на карликових планетах та в ядрах комет.
Дослідження властивостей води необхідне людства.
При цьому процес кристалізації води можна вивчати в домашніх умовах, а також під час уроків у середній школі.
Актуальність роботи - використання на уроках фізики, для знайомства учнів із властивостями води при кристалізації.
Об'єктом дослідження є кристалізація води.
Предмет дослідження – вивчення властивостей води під час кристалізації.
Мета роботи провести досліди щодо кристалізації води та підготувати пропозиції щодо їх проведення.
Головним завданням є вивчення властивостей води під час кристалізації.
Для вирішення головного завдання необхідно:
Теоретична значущість роботи полягає у систематизації основних властивостей води та значення кристалізації води для флори та фауни Землі.
Практична значущість роботи – вивчення процесу кристалізації води під час проведення дослідів, а також підготовка пропозицій щодо проведення дослідів під час уроків у середній школі.
1. Підготовка до дослідження
1.1 Аналіз основних властивостей води
Вода є однією з найдивовижніших речовин на планеті Земля. Зустріти воду можна практично скрізь у природних умовах як на поверхні планети, так і в її надрах у трьох можливих фізичних станах для речовин: рідкий, твердий, газоподібний (тобто вода, лід, водяна пара).
Звичайно, існують речовини, які можна одержати у вигляді рідини, твердого тіла або газу. Однак, не існує подібної хімічної речовини, яка саме в природних умовах зустрічається у зазначених вище трьох фізичних станах.
Властивості води:
- Вода є речовиною, яка не має ні кольору, ні запаху, ні смаку.
- Вода є єдиним на планеті Земля відомим науці речовиною, що зустрічається в природних умовах у трьох фізичних станах: тверде тіло, рідина, газ.
- Вода є універсальним розчинником, маючи можливість розчиняти більшу кількість солей, а також інших речовин, ніж інші речовини.
- Вода з великими труднощами піддається окисленню. Вода – досить хімічно стійка, тобто розкласти її на складові або спалити досить проблематично.
- Окисленню водою піддаються майже всі природні метали, як і під її впливом руйнуються особливо тверді гірські породи.
- Вода, як фізична речовина, характеризується великою спорідненістю сама із собою. Така спорідненість у води є найбільшою серед усіх рідин. Внаслідок цього вода на поверхні розміщується у вигляді крапель сферичної форми, оскільки сфера має найменшу при заданому об'ємі поверхню.
- Замерзання води відбувається не за температурних умов найбільшої щільності (при 4 градусах Цельсія), а за нулі градусів Цельсія. Це властивості прісної води. Однак, замерзання морської води відбувається за нижчих температур: мінус 1,9 градусів Цельсія, при солоності 35%.
- Вода має дуже високу теплоємність, відносно мало нагріваючись при цьому. Також вода має досить високу приховану теплоту плавлення (порядку 80 кал/г), а також випаровування (порядку 540 кал/г). Вода може поглинати значні обсяги додаткового тепла. Температура ж у процесі замерзання чи кипіння залишається незмінною.
- Дистильована вода практично не проводить електричний струм, проте наявність у воді навіть невеликої кількості солей значно збільшує її струмопровідні властивості.
Властивості снігу:
- При змішуванні солі зі снігом спостерігається два процеси: руйнація кристалічної структури солі, що відбувається з поглинанням тепла, та гідрація іонів. Останній процес відбувається з виділенням тепла у навколишнє середовище. Для кухонної солі та хлористого кальцію перший процес переважає над другим. Тому при змішуванні снігу із цими солями відбувається активний відбір тепла з навколишнього середовища. Ще одна особливість соляних розчинів полягає в тому, що їхня точка замерзання нижче 0 градусів. Щоб сніг на тротуарах танув за температури нижче 0 градусів, його посипають цими солями.
- Сніг має дивовижну властивість – пам'ять. Він зберігає сліди. Слідами можна, наприклад, вивчати фізику. Чим більша тварина, тим глибший від неї слід, отже, тим більший тиск вона чинить на сніг. Сліди собаки глибші, ніж сліди її цуценят. Миші, ласки залишає неглибокі рисочки. Природа забезпечила копитних тварин здатністю розсувати копита і збільшувати площу опори. Це допомагає їм взимку при пересуванні засніженим лісом і полями не так глибоко занурюватися в сніг.
1.2 Значення кристалізації води для флори та фауни
Ми любимо сніг не тільки через те, що він дарує нам чудові зимові пейзажі. Наша любов до снігу має чимало раціональних причин. "Сніг на полях - хліб у засіках", "Зима без снігу - літо без хліба", - справедливо стверджують старовинні російські прислів'я. Сніговий покрив - це величезний запас вологи, настільки необхідний полям, водночас це своєрідна гігантська ковдра, що захищає поверхню землі від холодних вітрів. Академік Б. І. Вернадський наголошував, що сніговий покрив - «не просто тепла покришка озимих, це цілюща покришка», навесні він дає талі води, насичені киснем. Відомо, що кількість азотистих сполук влітку в ґрунті пропорційно висоті снігового покриву, що зійшов. Недарма снігова меліорація розглядається сьогодні як одна з найважливіших умов здобуття високих та стійких урожаїв.
Запаси снігу суттєво впливають на рівень води у річках, визначають зміни клімату на великих територіях.
Крім того, сніг є гарним будівельним матеріалом для різних будівель на півночі – від голки (жител ескімосів) до великих складських приміщень. Існує найбільший у світі готель, повністю зроблений з льоду та снігу, знаходиться він у шведській Лапландії за 200 кілометрів від Північного полярного кола.
Він є основою зимових доріг і навіть аеродромів.
Завдяки снігу ми щороку милуємось казковими зимовими пейзажами, граємо в сніжки, будуємо снігові містечка, фортеці, катаємось на лижах, санчатах, у сніговому уборі приходить до нас чудове новорічне свято.
Значення льоду важко недооцінити. Лід дуже впливає на умови проживання та життєдіяльності рослин і тварин, на різні види господарської діяльності людини. Покриваючи воду зверху, лід відіграє в природі роль свого роду плавучого екрану, що захищає річки та водоймища від подальшого замерзання та зберігає життя підводному світу. Якби щільність води збільшувалася при замерзанні, лід виявився б важчим за воду і почав тонути, що призвело б до загибелі всіх живих істот у річках, озерах та океанах, які замерзли б цілком, перетворившись на брили льоду, а Земля стала крижаною пустелею, що неминуче призвело б до загибелі всього живого.
Лід може викликати ряд стихійних лих зі шкідливими та руйнівними наслідками – зледеніння літальних апаратів, суден, споруд, дорожнього полотна та ґрунту, град, хуртовини та снігові замети, річкові затори з повенями, крижані обвали та ін. Природний лід використовується для зберігання продуктів, біологічних та медичних препаратів, для чого він спеціально виробляється та заготовляється.
1.3 Вибір та обґрунтування дослідів для проведення дослідження
Для проведення дослідів із водою необхідно вибрати ті, які найбільш повно характеризують та підтверджують властивості води.
Проведений аналіз показав, що найкраще це буде реалізовано при виконанні таких дослідів:
- Замерзання солоної води.
- Розширення води під час замерзання.
- Замерзання рідини за зовнішнього впливу снігу.
- Замерзання мильних бульбашок.
- Зростання бурульки.
- Скрип сухий сніг.
- Примерзання до поверхні.
2. Проведення дослідження
2.1 Підготовка матеріальної частини
Для проведення дослідів було взято:
- предмети – каструля, скляна пляшка, пластикова пляшка, одноразові склянки, тонкий мідний дріт, трубочка;
- речовини – сніг, бурулька, сіль, вода, мильний розчин, сік.
2.2 Проведення дослідів з описом основних результатів
1. Замерзання солоної води.
Налийте у дві форми води - чисту і дуже солону. Винесіть форми на мороз або поставте в морозильну камеру. Ви помітите, що чиста прісна вода перетворилася на лід, а солена замерзне за дуже сильного морозу.
Замерзання води відбувається не за температурних умов найбільшої щільності (при 4 градусах Цельсія), а за нулі градусів Цельсія. Це властивості прісної води.
При цьому морський лід відрізняється від прісноводного в ряді відносин. У солоної води температура замерзання знижується зі збільшенням солоності. У діапазоні солоності від 30 до 35 проміле крапка замерзання змінюється від -1.6 до -1.9 град. Освіта морського льоду можна як замерзання прісної води з витісненням солей в осередки морської води всередині товщі льоду. Коли температура досягає точки замерзання, утворюються крижані кристали, які «оточують» воду, що не замерзла.
2. Розширення води під час замерзання.
Наповніть водою пластикову склянку, пластикову пляшку та скляну пляшку. Виставте їх на мороз. Замерзаючи, вода збільшується в обсязі, «вилазить» із склянки, скляну пляшку розриває навіть у тому випадку, коли вона заповнена наполовину. Пластикова пляшка залишається без видимих змін.
При замерзанні вода має унікальні властивості розширення. Завдяки таким властивостям лід на воді, що знаходиться у вигляді рідини, плаває.
Взимку через цю властивість води відбуваються аварії на водопроводах. У сильні морози основною причиною таких аварій є замерзання текучої води. Відбувається її розширення, так що лід, що утворюється, легко розриває труби, так як щільність льоду - 917 кг/м3, а щільність води - 1000 кг/м3, тобто обсяг збільшується в 1,1 рази, що досить істотно.
3. Замерзання рідини при зовнішній дії снігу.
Налийте в пластикову склянку (пробірку) сік і поставте в каструлю з солоним снігом. Сік замерзне, і дуже скоро ви ласуватимете фруктовим льодом.
При змішуванні солі зі снігом спостерігається руйнування кристалічної структури солі, що відбувається із поглинанням тепла. Тому при змішуванні снігу із сіллю відбувається активний відбір тепла із соку та сік перетворюється на лід.
4. Замерзання мильних бульбашок.
Приготуйте мильний розчин. Розчин на морозі тримайте у рукавиці, щоб він не замерз. Видуйте бульбашки трубочкою для соку. Через різницю температур зсередини міхура і зовні виникає велика підйомна сила, що миттєво забирає бульбашки вгору. Тонка мильна плівка на морозі швидко замерзає, перетворюючи бульбашки на крижані кульки.
Таким чином, найтонша плівка мильної бульбашки замерзає за лічені секунди.
5. Зростання бурульки.
Візьміть бурульку. Перекиньте через неї тонкий дріт, кінці якого обтяжите грузиками. Спостерігайте, як дріт розтоплює лід, проникає все глибше в бурульку. Вода над бурулькою знову замерзає.
Це підтверджує якість поглинання тепла більшою масою льоду.
Лід наростає знизу, відразу над дротом, так як тала вода, що стікає вниз, замерзає при зіткненні з холодними стінками бурульки.
6. Скрип сухого снігу.
Насипте в тарілку цукровий пісок гіркою та почніть тиснути його ложкою. Ви почуєте характерний скрип. Намочіть пісок і знову розітріть. Скрип зник. У морозні дні звук поширюється великі відстані.
Сніг скрипить тільки в мороз (нижче -5°C), і звук скрипу змінюється в залежності від температури повітря – чим міцніший мороз, тим вищий тон скрипу. При достатньому досвіді можна оцінювати температуру повітря по звуку, який видає сніг, що скрипить. Скрип утворюється через те, що при тиску руйнуються дрібні кристали снігу. Причому кожен із них окремо дуже малий, щоб видавати звук, доступний юшку людини, але разом вони ламаються досить голосно. Посилення морозів робить крижані кристали твердішими і крихкими. При кожному кроці крижані голки ламаються. При температурі повітря нижче -50 ° C скрип снігу стає таким сильним, що його можна чути через потрійне скло (цьому сприяє також велика щільність морозного повітря).
7. Примерзання до поверхні.
Додайте в каструлю зі снігом кухонну сіль у співвідношенні приблизно 1 до 6. Ретельно розмішайте суміш. Якщо тепер ви захочете переставити каструлю, то її доведеться підняти разом із табуретом.
Це також підтверджує поглинання тепла із навколишнього середовища.
При змішуванні солі зі снігом відбувається утворення розчину, що супроводжується сильним охолодженням внаслідок великого поглинання теплоти льодом при його плавленні та сіллю при її розчиненні. Так, наприклад, температура суміші з 29 г солі і 100 г льоду знижується до - 21°С. А якщо взяти 143 г солі і 100 г льоду, то температура може бути знижена до - 55°С.
2.3 Пропозиції з проведення дослідів
Досліди щодо вивчення властивостей води доцільно проводити на уроках у середній та початковій школі.
Для учнів середньої школи можливе проведення дослідів №3, 6 та 7 на уроках під керівництвом вчителя, а досліди №4 та 5 – факультативно чи самостійно в домашніх умовах.
Висновок
Таким чином, дослідження властивостей води необхідне людству.
Процес кристалізації води можна вивчати в домашніх умовах, а також на уроках у середній та початковій школі.
У роботі вдалося вирішити такі завдання:
- Повісті аналіз основних властивостей води.
- Вивчити значення кристалізації води для флори та фауни Землі.
- Визначити основні досліди щодо дослідження.
- Провести досліди та описати основні результати.
- Підготувати пропозиції щодо проведення дослідів на уроках у середній школі.
Значимість роботи із систематизації основних властивостей води та значення кристалізації води для флори та фауни Землі підтвердилася.
Перехід речовини з твердого кристалічного стану в рідке називається плавленням. Щоб розплавити тверде кристалічне тіло, його потрібно нагріти до певної температури, тобто підвести тепло.Температура, за якої речовина плавиться, називаєтьсятемпературою плавлення речовини.
Зворотний процес - перехід з рідкого стану в твердий - відбувається при зниженні температури, тобто відводиться тепло. Перехід речовини з рідкого стану в твердий називаєтьсязатвердінням , або кристаллізацією . Температура, за якої речовина кристалізується, називаєтьсятемпературою кристаліції .
Досвід показує, що будь-яка речовина кристалізується і плавиться за однієї і тієї ж температури.
На малюнку представлений графік залежності температури кристалічного тіла (льоду) від часу нагрівання (від точки Адо точки D)та часу охолодження (від точки Dдо точки K). На ньому горизонтальною осі відкладено час, а вертикальною — температура.
З графіка видно, що спостереження за процесом почалося з моменту, коли температура льоду була -40 ° С, або, як кажуть, температура в початковий момент часу tпоч= -40 ° С (крапка Ана графіку). При подальшому нагріванні температура льоду зростає (на графіці це ділянка АВ). Збільшення температури відбувається до 0 ° С - температури плавлення льоду. При 0°С лід починає плавитися, яке температура перестає зростати. Протягом усього часу плавлення (тобто поки весь лід не розплавиться) температура льоду не змінюється, хоча пальник продовжує горіти і тепло, отже, підводиться. Процесу плавлення відповідає горизонтальна ділянка графіка НД . Тільки після того, як весь лід розплавиться і перетвориться на воду, температура знову починає підніматися (ділянка CD). Після того, як температура води досягне +40 °С, пальник гасять і воду починають охолоджувати, тобто тепло відводять (для цього можна посудину з водою помістити в іншу, більшу посудину з льодом). Температура води починає знижуватись (ділянка DE). При досягненні температури 0 °С температура води перестає знижуватися, незважаючи на те, що тепло, як і раніше, відводиться. Це йде процес кристалізації води - утворення льоду (горі-зонтальна ділянка EF). Поки вся вода не перетвориться на кригу, температура не зміниться. Лише після цього починає зменшуватись температура льоду (ділянка FK).
Вигляд розглянутого графіка пояснюється так. На ділянці АВзавдяки теплу, що підводиться, середня кінетична енергія молекул льоду збільшується, і температура його підвищується. На ділянці НДвся енергія, одержувана вмістом колби, витрачається на руйнування кристалічних ґрат льоду: упорядковане просторове розташування його молекул змінюється невпорядкованим, змінюється відстань між молекулами, тобто. відбувається перебудова молекул таким чином, що речовина стає рідкою. Середня кінетична енергія молекул при цьому не змінюється, тому незмінною залишається і температура. Подальше підвищення температури розплавленої льоду-води (на ділянці CD) означає збільшення кінетичної енергії молекул води внаслідок тепла, що підводиться пальником.
При охолодженні води (ділянка DE) частина енергії у неї відбирається, молекули води рухаються з меншими швидкостями, їхня середня кінетична енергія падає — температура зменшується, вода охолоджується. При 0°С (горизонтальна ділянка EF) молекули починають шикуватися в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Поки цей процес не завершиться, температура речовини не зміниться, незважаючи на тепло, що відводиться, а це означає, що при отвер-деваніі рідина (вода) виділяє енергію. Це якраз та енергія, яку поглинув лід, перетворюючись на рідину (ділянка) НД). Внутрішня енергія у рідини більша, ніж у твердого тіла. При плавленні (і кристалізації) внутрішня енергія тіла змінюється стрибком.
Метали, що плавляться за температури вище 1650 ºС, називають тугоплавкими(титан, хром, молібден та ін.). Найвища температура плавлення у вольфраму — близько 3400 °С . Тугоплавкі метали та їх сполуки використовують як жароміцні матеріали в літакобудуванні, ракетобудуванні та космічній техніці, атомній енергетиці.
Наголосимо ще раз, що при плавленні речовина поглинає енергію. При кристалізації воно, навпаки, віддає їх у довкілля. Отримуючи певну кількість теплоти, що виділяється при кристалізації, нагрівається середовище. Це добре відомо багатьом птахам. Недаром їх можна помітити взимку в морозну погоду, що сидять на льоду, який покриває річки та озера. Через виділення енергії при утворенні льоду повітря над ним виявляється на кілька градусів теплішим, ніж у лісі на деревах, і птахи цим користуються.
Плавлення аморфних речовин.
Наявність певної точки плавлення- Це важлива ознака кристалічних речовин. Саме за цією ознакою їх легко відрізнити від аморфних тіл, які також відносять до твердих тіл. До них, зокрема, належать шибки, дуже в'язкі смоли, пластмаси.
Аморфні речовини(на відміну від кристалічних) немає певної температури плавлення — де вони плавляться, а размягчаются. При нагріванні шматок скла, наприклад, спочатку стає з твердого м'яким, його легко можна гнути або розтягувати; при вищій температурі шматок починає змінювати свою форму під впливом своєї тяжкості. У міру нагрівання густа в'язка маса набуває форми тієї судини, в якій лежить. Ця маса спочатку густа, як мед, потім як сметана і, нарешті, стає майже такою ж малов'язкою рідиною, як вода. Проте вказати певну температуру переходу твердого тіла у рідке тут неможливо, оскільки її немає.
Причини цього лежать у корінному відмінності будови аморфних тіл від кристалічних будови. Атоми в аморфних тілах розташовані безладно. Аморфні тіла за своєю будовою нагадують рідину. Вже у твердому склі атоми розташовані безладно. Значить, підвищення температури скла лише збільшує розмах коливань його молекул, дає їм поступово дедалі більшу і більшу свободу переміщення. Тому скло розм'якшується поступово і не виявляє різкого переходу "тверде-рідке", характерного для переходу від розташування молекул у строгому порядку до безладного.
Теплота плавлення.
Теплота плавлення— це кількість теплоти, яку необхідно повідомити речовині при постійному тиску та постійній температурі, що дорівнює температурі плавлення, щоб повністю перевести його з твердого кристалічного стану в рідкий. Теплота плавлення дорівнює тій кількості теплоти, яка виділяється при кристалізації речовини з рідкого стану. При плавленні вся теплота, що підводиться до речовини, йде на збільшення потенційної енергії його молекул. Кінетична енергія не змінюється, оскільки плавлення йде за постійної температури.
Вивчаючи на досвіді плавлення різних речовин однієї і тієї ж маси, можна помітити, що для перетворення їх на рідину потрібна різна кількість теплоти. Наприклад, щоб розплавити один кілограм льоду, потрібно витратити 332 Дж енергії, а щоб розплавити 1 кг свинцю — 25 кДж .
Кількість теплоти, що виділяється тілом, вважається негативним. Тому при розрахунку кількості теплоти, що виділяється при кристалізації речовини масою mслід користуватися тією ж формулою, але зі знаком «мінус»:
Теплота згоряння.
Теплота згоряння(або теплотворна здатність, калорійність) - це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива.
Для нагрівання тіл часто використовують енергію, що виділяється під час згоряння палива. Звичайне паливо (вугілля, нафта, бензин) містить вуглець. При горінні атоми вуглецю з'єднуються з атомами кисню, що у повітрі, у результаті утворюються молекули вуглекислого газу. Кінетична енергія цих молекул виявляється більшою, ніж у вихідних частинок. Збільшення кінетичної енергії молекул у процесі горіння називають виділенням енергії. Енергія, що виділяється при повному згорянні палива, є теплота згоряння цього палива.
Теплота згоряння палива залежить від виду палива та його маси. Чим більша маса палива, тим більша кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні.
Фізична величина , що показує, скільки теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається питомою теплотою згоряння палива.Питому теплоту згоряння позначають буквоюqі вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).
Кількість теплоти Q, що виділяється при згоранні mкг палива, визначають за формулою:
Щоб знайти кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива довільної маси, потрібно питому теплоту згоряння палива помножити на його масу.
Процес перетворення, а точніше, переходу речовини із субстанції рідини в стан твердого тіла називається кристалізація. Найбільш яскравим прикладом подібної хімічної реакції є крига. Результат процесу називається кристалом.
Щоб запустити процес, у розчині, над яким здійснюється досвід, необхідно створити стан перенасиченості. Фазовий перехід рідини протікає так:
- Змінюється рівень температури рідини.
- Видаляється частина розчинника.
- Відбувається комбінування двох попередніх дій.
- З розплавів, що вийшли, відбувається процес кристалізації.
Кристалізація та методи отримання кристалів з рідини
Існує два методи кристалізації: ізотермічний та політермічний.
При першому способі розчин піддається інтенсивному охолодженню, при цьому починають виділятися кристали, а кількість розчинника розчинника залишається колишнім.
При ізотермічній кристалізації поява кристалів відбувається шляхом випарювання. Процес отримав назви, оскільки вся реакція відбувається при постійній температурі, яка є точкою кипіння розчину. На практиці обидва способи використовуються спільно. У цьому випадку частина розчинника випаровується шляхом кип'ятіння, при цьому в цей же час відбувається охолодження рідини.
Є ще один варіант кристалізації, при якому розчин додають речовини, що володіють хорошою здатністю вбирати воду і зменшують сприйнятливість міститься в рідині солі до розчинення. Варіант такого розвитку подій називається висолення. У цьому випадку використовуються препарати, здатні «зв'язати воду» (таким способом виробляється кристалізація сульфату натрію, в процесі якої додається аміак або спирт), або в них є однаковий з іон, що використовується. Прикладом може бути хімічна реакція, спрямовану кристалізацію мідного купоросу чи хлористого натрію.
Щоб виростити кристал, починають із дрібної частки, званої «зародком». Інакше висловлюючись, це своєрідний центр, навколо якого, у процесі хімічної реакції починає утворюватися кристал. У цьому випадку процес, при якому протікає утворення зародків, і сам процес кристалізації відбувається в той самий час. Якщо це не так, наприклад, зародки утворюються швидше, з'являється багато дрібних кристаликів, а ось в іншому випадку їх виходить мало, але більшого розміру.
Завдяки цій властивості, можна контролювати величину та швидкість, з якою відбувається кристалізація. Здійснюється це за допомогою таких факторів:
- Розчин повинен швидко охолоджуватися.
- Рідини не можна перебувати у стані спокою.
- Потрібна підвищена температура.
- Молекулярна маса кристалів має бути низькою.
Всі перелічені вище нюанси сприяють появі в результаті продукції невеликого калібру, щоб отримати кристали більшого розміру потрібно:
- Повільне охолодження.
- Рідина у стані спокою.
- Значно знижена температура.
- Висока молекулярна маса.
Щоб полегшити сам момент, коли починають формуватися зародки, в розчин вносять елементи кристалічної речовини, у вигляді подрібненого порошку. При цьому процес кристалізації відбувається за рахунок наступного введення частинок того ж елемента. Кількість речовини, що вводиться, залежить від величини бажаного кристала, наприклад, для більшого, використовується невелика кількість затравочного матеріалу.
Розміри кристалів мають значення при їх подальшій обробці, наприклад великі кристали здатні віддавати велику кількість вологи в процесі миття і фільтрації. Вони швидше сохнуть, відстоюються, легше відфільтровуються.
Оскільки основне призначення кристалізації – одержання кінцевої речовини, ідеально чистої і без домішок, то зазвичай отримані кристали піддають процеси перекристалізації, з видаленням зайвих домішок і повторним промиванням і сушінням.
Температура кристалізації води у цей період відповідає тиску рр. Відбувається зсув фазової рівноваги і частина води, що незамерзає, перетворюється на лід. Система знову тимчасово набуває стійкого при даній температурі стану (ділянка 5 - 6), потім процес повторюється t (ділянка 6 - 7), але величина тиску р зменшується до значення р і залишається постійною. Це свідчить про припинення релаксації.
При визначенні температури кристалізації води та розчину солі необхідно уникати переохолодження.
При негативних тисках температура кристалізації води має підвищуватися, але для досягнутих розтягувань зсув температури незначний. Крім того, в інших речовин похідна dTldps, що стосується рівноваги рідина - кристал, має протилежний знак. У чистих речовинах немає спеціальних передкристалізаційних явищ, тому зниження міцності може бути викликано впливом домішок, наприклад виділенням газових бульбашок.
У цій роботі найвищою температурою є температура кристалізації води. Для налаштування термометр поміщають у фарфорову склянку із сумішшю подрібненого льоду та дистильованої води. Рівень ртуті в капілярі повинен бути в межах поділів 3 5 - 4 5 град.
Боротьба зі змерзанням вантажів за рахунок застосування-профілактичних засобів у вигляді добавок або покриття ними внутрішніх поверхонь вагонів може йти шляхом дослідження речовин, що знижують температуру кристалізації води, підбору поверхнево-активних гідрофобних речовин і зниження ступеня дисперсності матеріалів, що піддаються змерзанню. При виборі засобів профілактики основною умовою є те, що реагенти, що використовуються, повинні мати велику хімічну спорідненість з частинками матеріалу в порівнянні з хімічною спорідненістю до нього води. До гідрофобних відносяться речовини, які не мають хімічної спорідненості до води.
Труба (патрубок) із привареними заглушками заповнюється водою та охолоджується в природних умовах або в холодильних установках. При температурі кристалізації води відбувається збільшення обсягу і за рахунок цього в стінці труби виникає напруга. Величина напруги регулюється кількістю залитої води. Такі випробування труб не вимагають спеціального обладнання та практично безпечні. Тріщина в такій трубі поширюється в постійному полі напруг переважно за рахунок енергії пружної деформації стінки. Саме ці руйнування характерні для лавинних руйнувань реальних газопроводів. Крім того, відкривається можливість створення змінної напруги по довжині труби за рахунок застосування спеціальної конусної вставки, що встановлюється усередині труби. Це дозволяє встановлювати значення критичної напруги в стінці для початку ініціювання зародження тріщини і зупинки тріщини, що розповсюджується, в будь-яких завідомо фіксованих зонах зварного з'єднання труб.
Основну роль у виникненні зледеніння карбюратора відіграють атмосферні умови, а бензин, що використовується, впливає на ступінь охолодження паливо-повітряної суміші. Однак у бензин можуть додаватися антиобледенительные присадки, які або знижують температуру кристалізації води, або, володіючи поверхнево-активними властивостями, перешкоджають осіданню льоду на деталях карбюратора.
Записувати показання термометра протягом 4 хв через кожні 20 секунд при періодичному перемішуванні. Відзначити на графіку температуру, коли він спостерігається поява перших кристалів льоду, - і є температура кристалізації води. Іноді вода переохолоджується, і з появою льоду її температура дещо підвищується, та був знову починає падати.
В цьому випадку в момент появи льоду температура води підвищується. Температурою кристалізації води слід вважати температуру, яка встановиться після такого стрибка. Для цього вийміть пробірку з приладу, нагрійте її рукою, поки кристали льоду розчиняться.
Крива 0В виражає рівновагу у двофазній системі вода – лід. При атмосферному тиску ця рівновага встановлюється, як відомо, при температурі 0 С. Оскільки при кристалізації вода збільшується в обсязі, то підвищення тиску відповідно до принципу Ле Шательє сприяє плавленню льоду і знижує температуру кристалізації води. У точці Про перетинаються всі три криві, що характеризують рівноваги у зазначених двофазних системах. Ця точка відповідає рівновазі між усіма трьома фазами: лід - вода - пара і називається потрійною точкою.
Фізичні способи - термічний (кип'ятіння), дистиляція та виморожування. Термічним способом видаляють солі тимчасової твердості. Дистильовану воду, яка містить солей, отримують перегонкою на спеціальних дистиляційних установках. Виморожування засноване на відмінності температур кристалізації води та домішки.
Вода є не тільки одним із найнеобхідніших, а й найдивовижніших явищ на нашій планеті.
Відомо, що фактично всі речовини, що мають природне або штучне походження, здатні перебувати в різних агрегатних станах і змінювати їх залежно від умов навколишнього середовища. І хоча вчені знають більше десятка фазових станів, деякі з яких можна отримати тільки в межах лабораторії, в природі найчастіше зустрічається лише три подібні стани: рідкий, твердий і газоподібний. Вода може перебувати у всіх трьох цих станах, переходячи з одного до іншого в природних умовах.
Вода, що знаходиться в рідкому стані, має слабо зв'язані молекули, які перебувають у постійному русі і намагаються згрупуватися в структуру, але не можуть зробити цього через тепла. У такому вигляді вода може набувати абсолютно будь-якої форми, але не в змозі самостійно її утримувати. При нагріванні молекули починають рухатися набагато швидше, вони віддаляються один від одного, а коли поступово вода переходить у газоподібний стан, тобто перетворюється на водяну пару, зв'язки між молекулами остаточно рвуться. При впливі ж на воду низьких температур рух молекул сильно сповільнюється, молекулярні зв'язки стають дуже міцними і молекули, яким більше не заважає вплив тепла, упорядковуються в кристалічну 
структуру, яка має шестигранну форму. Всі ми бачили подібні шестигранники, що випадали на землю у вигляді сніжинок. Процес перетворення води на лід називається кристалізацією чи застиганням. У твердому стані вода надовго може зберігати будь-яку прийняту нею форму.
Процес кристалізації води починається за температури 0 градусів за шкалою Цельсія, що має 100 одиниць. Ця вимірювальна система використовується в багатьох країнах Європи та СНД. В Америці ж температуру вимірюють за допомогою шкали Фаренгейта, яка має 180 поділів. Нею вода переходить з рідкого стану в твердий при 32 градусах.
Однак вода не завжди замерзає при цих температурах, тому дуже чисту воду можна переохолодити до температури — 40 °С і вона не замерзне. Справа в тому, що в дуже чистій воді немає домішок, які є основою для побудови кристалічної структури. Домішками, яких кріпляться молекули, можуть виступати частинки пилу, розчинені солі тощо.
Особливістю води є той факт, що в той час як при замерзанні інші речовини стискаються, вона, перетворившись на кригу, навпаки, розширюється. Відбувається це тому, що коли вода переходить з рідкого стану в твердий, відстань між її молекулами трохи збільшується. І оскільки лід має меншу густину, ніж вода, він плаває на її поверхні.
Говорячи про замерзання води, не можна не згадати і той цікавий факт, що гаряча вода застигає швидше за холодну, як би парадоксально це не звучало. Дане явище було відоме ще за часів Аристотеля, але ні знаменитого філософа, ні його послідовників так і не вдалося розгадати цю таємницю і про феномен забули на довгі роки. Знову про нього заговорили лише в 1963 році, коли школяр з Танзанії Ерасто Мпемба звернув увагу, що при приготуванні морозива швидше застигає ласощі зроблені з підігрітого молока. Хлопчик розповів про це своєму вчителю фізики, але той підняв його на сміх. Лише в 1969 році познайомившись з професором фізики Деннісом Осборном, юнак він зміг знайти підтвердження свого здогаду після спільно проведених експериментів. З того часу висувалося багато гіпотез щодо цього феномену, наприклад, що гаряча вода замерзає швидше за рахунок свого швидкого випаровування, яке призводить до зменшення об'єму води і, як наслідок, швидше застигання. Але жодна з них так і не змогла пояснити природу цього явища.
|
Олександра
24.08.2017 12:05
11.03.2015 21:11
|