Вода при нагревании расширяется или сужается. Вода в системах водяного отопления

Класс: 5

Цели урока:

расширить знания о воде, ее свойствах, значении воды, ввести понятия раствор, взвесь, значение растворов в природе и жизни человека;
развить наблюдательность, мыслительную деятельность, воспитывать бережное отношение к воде.

Оборудование:

химическая посуда для опытов,
спиртовка,
вещества для опытов,
костюмы для капелек, к
арточки для самостоятельной работы.

Ход урока

Здравствуйте, ребята! Сегодня наш урок посвящен воде и называется “Ее величество – вода”. На уроке мы расширим свои знания о воде, познакомимся с ее свойствами, а также водой как растворителем веществ. Узнаем, что такое раствор и, что такое взвесь.

Открываем тетради, в которых записываем тему урока “Ее величество – вода”.

Каждый человек пользуется водой для приготовления пищи и других бытовых нужд, для промышленных предприятий, для выращивания растений и животных. Что же такое вода расскажут нам капельки.

Капелька 1: Вода – вещество привычное и необычное. Ученые абсолютно правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода. Почти три четверти поверхности нашей планеты занято морями и океанами. Твердой водой - снегом и льдом - покрыто 20% суши. От воды зависит климат нашей планеты. Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный камень, если бы не вода. Нагреваясь вода забирает тепло, а остывая отлает его. От космического холода предохраняет Землю та вода, которая рассеяна в атмосфере – в облаках в виде пара.

Капелька 2: У воды много удивительных свойств, которые делают ее не похожей на все другие вещества. Но среди них есть одно необычное - это ее бессмертие. Примерно один миллиард тонн воды расходуется человечеством за сутки. Но общее количество воды не уменьшается. Сколько ее было миллионы лет назад, столько же ее и в наше время.

Капелька 3: Велика роль воды в жизни на Земле. Живые организмы нашей планеты приспособились ко всяким условиям: к полному мраку, к жаре и холоду. Но ни одно живое существо не может обходиться без воды. Все растения и животные содержат в себе воду, да и наше собственное тело на три четверти состоит из воды. Знаете ли вы, что при потере человеком 1 литра воды (это примерно 2% массы тела) появляется ощущение жажды. При потери 6-8% влаги человек впадает в полуобморочное состояние. Потеря 10% воды вызывает галлюцинации. А потеря более 12% человек погибает.

Учитель: Так что же такое вода? (Ответы детей) Вода – это химическое вещество, которое имеет свои свойства. В тетрадях записываем: Свойства воды.

С некоторыми свойствами воды вы уже знакомы. Давайте вспомним их, а поможет нам в этом наш учебник (работа с учебником).

Свойства воды:

прозрачна;
бесцветна;
без вкуса и без запаха;
текуча;
может находиться в трех агрегатных состояниях;
может переходить из одного агрегатного состояния в другое.

(Свойства воды записываются в тетрадь)

А теперь давайте познакомимся еще с некоторыми ее свойствами. В этом помогут нам опыты.

Оборудование:

2 колбы с газоотводной трубкой,
2 кристаллизатора.

Вещества:

вода,
горячая вода,

Посмотрим, что произойдет, если мы возьмем две одинаковые колбы с водой, уровень воды отметим меткой. Одну опустим в лед, а другую в горячую воду. Что происходит?

Мы наблюдаем, что в горячей воде, вода находящаяся в колбе поднимается выше метки, а в колбе, которую опускаем в лед, наоборот опускается.

Делаем вывод, что вода при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

Давайте посмотрим другой опыт.

ОПЫТ 2:

(Опыт демонстрируется учеником как выполненное домашнее задание)

Оборудование:

стеклянная бутылка с пробкой.

Вещество:

Ученик: Я взял стеклянную бутылку, налил воды, плотно заткнул пробкой и вынес на мороз. Когда вода замерзла, бутылка лопнула и раскололась на куски. Это произошло потому, что при замерзании вода расширяется.

Однажды ученые поставили опыт, подобный этому, но вместо бутылки взяли чугунный шар, наполнили его водой, завинтили отверстия и поставили на сильный мороз. Вода, замерзая, разорвала шар. Так велика сила расширяющейся воды.

Учитель: Ребята, после демонстрации опытов какой можно сделать вывод? Какими свойствами наряду с теми которые мы записали обладает вода? (Ответы детей)

Давайте в своих тетрадях запишем свойства воды:

вода при нагревании расширяется;
вода при охлаждении сжимается;
вода при замерзании расширяется.

Пришло время закрепить полученные на нашем уроке знания. Ответьте мне, пожалуйста, на вопросы:

Если в чайник или кастрюлю налить воду до краёв и начать нагревать, то через некоторое время вода начинает выплескиваться через край. Почему это происходит? (Вода при нагревании расширяется)
Почему садоводы перед наступлением зимы обязательно спускают воду с труб на садовом участке? (При замерзании вода расширяется и поэтому чтобы трубы не лопнули садоводы сливают воду)
Вода попадает в мельчайшие трещины скал, от чего горные породы разрушаются. С каким свойством воды это связанно? (Разрушение горных пород связано с расширением воды при замерзании)
Известно, что при длительном нагревании вода закипает. Температура кипения равна сто градусов. Кипящая вода используется в быту и на производстве. Где в природе можно встретить горячую воду? (В гейзерах).

При нагревании и кипячении над водой поднимается пар – происходит испарение. Давайте в своих тетрадях запищим определение (работа с тетрадями).

Испарение – это превращение жидкой воды в газообразную.

Испарение происходит при любой температуре, но при более высокой испарение протекает более быстрее. Например: лужи после дождя высыхают и жарким летом и холодной осенью, но летом высыхают быстрее чем осенью.

ОПЫТ З:

(Опыт демонстрируется группой учеников как выполненное домашнее задание)

Оборудование: мерный стакан, 3 чашки, 4 одинаковых стакана.

Вещество:

вода..

Ученик: Мы взяли мерный стакан и отмерили в каждую чашку по 100 мл воды. Чашки с водой поставили одну на подоконник, другую на стол, третью возле батареи. На следующий день сравнили результаты. Взяли одинаковые стаканы в первый налили 100 мл воды (контроль), а в три остальные вылили воду из чашек. Сравниваем полученные результаты: вода из чашки стоявшей на подоконнике испарилась на одну треть, в чашке, которая стояла на столе - на половину, а чашка, стоящая у батареи была вообще сухая – вода испарилась полностью. Сделаем вывод: чем больше температура окружающей среды, тем испарение происходит быстрее.

Учитель: Со значением испарения в жизни человека и животных мы познакомимся на страницах учебника (работа с учебником).

Ответьте мне на вопросы для закрепления.

Что такое испарение воды? (Превращение жидкой воды в газообразную)
Как влияет температура и ветер на испарение воды? (Чем выше температура и сильнее ветер, тем испарение происходит быстрее)
Когда быстрее высохнет бельё: в ветреную или безветренную погоду? (В ветреную)

Посмотрим еще один опыт.

ОПЫТ 4:

Оборудование:

спиртовка,
штативы,
колба с газоотводной трубкой,
металлическая пластина.

Вещество:

вода.

Колбу с водой нагреваем на спиртовке так, чтобы вода закипела, к газоотводной трубке подносим холодную пластину. Пар оседает на пластине в виде капелек.

Вывод: происходит превращение газообразной воды в жидкую.

Этот процесс называется конденсация.

(В тетрадях записываем)

Конденсация – это превращение водяного пара в воду.

Где мы встречаемся с этим явлением? Узнаем из рассказа.

Ученик: С конденсацией водяного пара мы встречаемся в повседневной жизни. Летним вечером или ранним утром, когда воздух холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находящийся в воздухе, при охлаждении оседает на траве, листьях и других предметах в виде маленьких капелек воды. Облака также образуется в результате конденсации водяного пара. Поднимаясь над землей и водоемами в верхние, более холодные слои воздуха, этот пар и образует облака, состоящие из маленьких капелек воды. Если температура воздуха достаточна низкая, то капельки воды замерзают. Из таких облаков выпадает снег, а иногда и град.

Учитель: Спасибо за сообщение.

А сейчас давайте проведем не большую лабораторную работу. На столах у вас находиться все необходимое для работы: химическая посуда и вещества: вода, мел, соль.

Возьмите соль и растворите в воде. Что наблюдаете? (Соль растворилась). Мы получили раствор соли.

Это можно записать схематично так:

растворитель + растворимое вещество = раствор

вода + соль = раствор соли

А теперь возьмем мел, растворим его в воде и сравним с раствором соли. Что мы наблюдаем? (Раствор мела мутный). Профильтруем полученный раствор. Что наблюдаем? (Фильтрат прозрачный, а на фильтре остался осадок). Исходная жидкость называется взвесь.

Вывод:

если частицы вещества не видимы в воде и вместе с водой проходят через фильтр, то такое вещество называют растворимым, а состояние раствором.
если вещество плавает в воде, задерживается на фильтре, то это вещество не растворимое, а состояние взвесью.

Вода настолько уникальный растворитель, что имеет самое почтительное уважение.

Сегодня мы познакомились со свойствами воды. Теперь вы знаете, что вода при нагревании расширяется, при охлаждении сжимается, при замерзании расширяется. Вы также знает, что такое испарение и конденсация и какое значение они имеют, что такое раствор и взвесь. А теперь проверим, как вы усвоили новый материал.

Самостоятельная работа по карточкам

(Дописать нужные слова вместо точек)

Вода при нагревании …………………………………………………………..
Вода при охлаждении …………………………………………………………
Вода при замерзании ……………………………………………………….
Вода кипит при температуре …………………………………………………
Превращение жидкой воды в газообразную- это …………………………..
Превращение пара в воду- это ……………………………………………….
Что такое раствор? ………………………………………………………………
Как отличить раствор от взвеси? ………………………………………………..

Работы сдаем.

На этом наш урок закончен. Всем спасибо. До свидания.

Нас окружает вода, сама по себе, в составе других веществ и тел. Она может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии, но вода всегда вокруг нас. Почему трескается асфальт на дорогах, почему стеклянная банка с водой на морозе лопается, почему в холодное время года запотевают окна, почему самолет оставляет в небе белый след - ответы на все эти и другие «почему» мы будем искать на этом уроке. Мы узнаем, как изменяются свойства воды при нагревании, охлаждении и замораживании, как образуются подземные пещеры и причудливые фигуры в них, как работает термометр.

Тема: Неживая природа

Урок: Свойства воды в жидком состоянии

В чистом виде вода не имеет вкуса, запаха и цвета, но она почти никогда не бывает такой, потому что активно растворяет в себе большинство веществ и соединяется с их частицами. Так же вода может проникать в различные тела (ученые нашли воду даже в камнях).

Если в стакан набрать воды из-под крана, она будет казаться чистой. Но на самом деле, это - раствор многих веществ, среди которых есть газы (кислород, аргон, азот, углекислый газ), различные примеси, содержащиеся в воздухе, растворенные соли из почвы, железо из водопроводных труб, мельчайшие нерастворенные частицы пыли и др.

Если нанести пипеткой капельки водопроводной воды на чистое стекло и дать ей испариться, останутся едва заметные пятнышки.

В воде рек и ручьев, большинства озер содержатся различные примеси, например, растворенные соли. Но их немного, потому что эта вода - пресная.

Вода течет на земле и под землей, наполняет ручьи, озера, реки, моря и океаны, создает подземные дворцы.

Прокладывая себе путь сквозь легкорастворимые вещества, вода проникает глубоко под землю, унося их с собой, и через щелочки и трещинки в скальных породах, образуя подземные пещеры, капает с их свода, создавая причудливые скульптуры. Миллиарды капелек воды за сотни лет испаряются, а растворенные в воде вещества (соли, известняки) оседают на сводах пещеры, образуя каменные сосульки, которые называют сталактитами.

Сходные образования на полу пещеры называются сталагмитами.

А когда сталактит и сталагмит срастается, образуя каменную колонну, это называют сталагнатом.

Наблюдая ледоход на реке, мы видим воду в твердом (лед и снег), жидком (текущая под ним) и газообразном состоянии (мельчайшие частицы воды, поднимающиеся в воздух, которые ещё называют водяным паром).

Вода может одновременно находится во всех трех состояниях: в воздухе всегда есть водяной пар и облака, которые состоят из капелек воды и кристалликов льда.

Водяной пар невидим, но его можно легко обнаружить, если оставить в теплой комнате охлаждавшийся в холодильнике в течение часа стакан с водой, на стенках которого сразу появятся капельки воды. При соприкосновении с холодными стенками стакана, водяной пар, содержащийся в воздухе, преобразуется в капельки воды и оседает на поверхности стакана.

Рис. 11. Конденсат на стенках холодного стакана ()

По этой же причине в холодное время года запотевает внутренняя сторона оконного стекла. Холодный воздух не может содержать столько же водяного пара, сколько и теплый, поэтому какое-то его количество конденсируется - превращается в капельки воды.

Белый след за летящим в небе самолетом - тоже результат конденсации воды.

Если поднести к губам зеркальце и выдохнуть, на его поверхности останутся мельчайшие капельки воды, это доказывает то, что при дыхании человек вдыхает с воздухом водяной пар.

При нагревании вода «расширяется». Это может доказать простой опыт: в колбу с водой опустили стеклянную трубку и замерили уровень воды в ней; затем колбу опустили в сосуд с теплой водой и после нагревания воды повторно замерили уровень в трубке, который заметно поднялся, поскольку вода при нагревании увеличивается в объеме.

Рис. 14. Колба с трубкой, цифрой 1 и чертой обозначен первоначальный уровень воды

Рис. 15. Колба с трубкой, цифрой 2 и чертой обозначен уровень воды при нагревании

При охлаждении вода «сжимается». Это может доказать сходный опыт: в этом случае колбу с трубкой опустили в сосуд со льдом, после охлаждения уровень воды в трубке понизился относительно первоначальной отметки, потому что вода уменьшилась в объеме.

Рис. 16. Колба с трубкой, цифрой 3 и чертой обозначен уровень воды при охлаждении

Так происходит, потому что частицы воды, молекулы, при нагревании движутся быстрее, сталкиваются между собой, отталкиваются от стенок сосуда, расстояние между молекулами увеличивается, и поэтому жидкость занимает больший объем. При охлаждении воды движение её частиц замедляется, расстояние между молекулами уменьшается, и жидкости требуется меньший объем.

Рис. 17. Молекулы воды обычной температуры

Рис. 18. Молекулы воды при нагревании

Рис. 19. Молекулы воды при охлаждении

Такими свойствами обладает не только вода, но и другие жидкости (спирт, ртуть, бензин, керосин).

Знание этого свойства жидкостей привело к изобретению термометра (градусника), где используется спирт или ртуть.

При замерзании вода расширяется. Это можно доказать, если емкость, наполненную до краев водой, неплотно накрыть крышкой и поставить в морозильную камеру, через время мы увидим, что образовавшийся лед приподнимет крышку, выйдя за пределы емкости.

Это свойство учитывается при прокладывании водопроводных труб, которые обязательно утепляются, чтобы при замерзании образовавшийся из воды лед не разорвал трубы.

В природе замерзающая вода может разрушать горы: если осенью в трещинах скал скапливается вода, зимой она замерзает, и под напором льда, который занимает больший объем, чем вода, из которой он образовался, горные породы трескаются и разрушаются.

Вода, замерзающая в трещинах дорог, приводит к разрушению асфальтового покрытия.

Длинные гребни, напоминающие складки, на стволах деревьев - раны от разрывов древесины под напором замерзающего в ней древесного сока. Поэтому в холодные зимы можно услышать треск деревьев в парке или в лесу.

Вахрушев А.А., Данилов Д.Д. Окружающий мир 3. М.: Баллас.
Дмитриева Н.Я., Казаков А.Н. Окружающий мир 3. М.: ИД «Федоров».
Плешаков А.А.Окружающий мир 3. М.: Просвещение.

Фестиваль педагогических идей ().
Наука и образование ().
Открытый класс ().

Составьте короткий тест (4 вопроса с тремя вариантами ответа) на тему «Вода вокруг нас».
Проведите небольшой опыт: стакан с очень холодной водой поставьте на стол в теплой комнате. Опишите, что будет происходить, объясните, почему.
*Нарисуйте движение молекул воды в нагретом, нормальном и охлажденном состоянии. Если нужно, сделайте подписи на своем рисунке.

Расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню - он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного - кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот - отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При бо льших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды , «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H 2 O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный , так называемый тетраэдральный угол , равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water , опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics , выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает , что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Тема: Неживая природа

Урок: Свойства воды в жидком состоянии

Вода течет на земле и под землей, наполняет ручьи, озера, реки, моря и океаны, создает подземные дворцы.

Сходные образования на полу пещеры называются сталагмитами.

А когда сталактит и сталагмит срастается, образуя каменную колонну, это называют сталагнатом.

Рис. 11. Конденсат на стенках холодного стакана ()

Белый след за летящим в небе самолетом - тоже результат конденсации воды.

Рис. 14. Колба с трубкой, цифрой 1 и чертой обозначен первоначальный уровень воды

Рис. 15. Колба с трубкой, цифрой 2 и чертой обозначен уровень воды при нагревании

Рис. 16. Колба с трубкой, цифрой 3 и чертой обозначен уровень воды при охлаждении

Рис. 17. Молекулы воды обычной температуры

Рис. 18. Молекулы воды при нагревании

Рис. 19. Молекулы воды при охлаждении

Такими свойствами обладает не только вода, но и другие жидкости (спирт, ртуть, бензин, керосин).

Вода, замерзающая в трещинах дорог, приводит к разрушению асфальтового покрытия.

Вахрушев А.А., Данилов Д.Д. Окружающий мир 3. М.: Баллас.
Дмитриева Н.Я., Казаков А.Н. Окружающий мир 3. М.: ИД «Федоров».
Плешаков А.А.Окружающий мир 3. М.: Просвещение.

Фестиваль педагогических идей ().
Наука и образование ().
Открытый класс ().

Составьте короткий тест (4 вопроса с тремя вариантами ответа) на тему «Вода вокруг нас».
Проведите небольшой опыт: стакан с очень холодной водой поставьте на стол в теплой комнате. Опишите, что будет происходить, объясните, почему.
*Нарисуйте движение молекул воды в нагретом, нормальном и охлажденном состоянии. Если нужно, сделайте подписи на своем рисунке.