Okeānā dreifē polārie ledus bloki un aisbergi, un pat dzērienos ledus nekad nenogrimst dzelmē. Var secināt, ka ledus ūdenī negrimst. Kāpēc? Ja tā padomā, šis jautājums var šķist nedaudz dīvains, jo ledus ir ciets un – intuitīvi – tam vajadzētu būt smagākam par šķidrumu. Lai gan šis apgalvojums attiecas uz lielāko daļu vielu, ūdens ir noteikuma izņēmums. Ūdens un ledus izceļas ar ūdeņraža saitēm, kas padara ledu cietā stāvoklī vieglāku nekā tad, kad tas ir šķidrā stāvoklī.
Zinātnisks jautājums: kāpēc ledus negrimst ūdenī
Iedomāsimies, ka 3. klasē atrodamies stundā "Pasaule apkārt". “Kāpēc ledus negrimst ūdenī?” skolotāja jautā bērniem. Un bērni, kam nav dziļu zināšanu fizikā, sāk spriest. - Varbūt tā ir maģija? saka viens no bērniem.
Patiesi, ledus ir ārkārtīgi neparasts. Praktiski nav citu dabisko vielu, kas cietā stāvoklī varētu peldēt uz šķidruma virsmas. Šī ir viena no īpašībām, kas padara ūdeni par tik neparastu vielu, un, atklāti sakot, tas maina planētu evolūcijas ceļu.
Ir dažas planētas, kas satur milzīgu daudzumu šķidru ogļūdeņražu, piemēram, amonjaku, taču, sasalstot, šis materiāls nogrimst apakšā. Iemesls, kāpēc ledus negrimst ūdenī, ir tas, ka, sasalstot, ūdens izplešas un līdz ar to samazinās arī tā blīvums. Interesanti, ka ledus izplešanās var salauzt akmeņus – ūdens apledošanas process ir tik neparasts.
Zinātniski runājot, sasalšanas process rada ātrus laikapstākļu ciklus, un noteiktas ķīmiskās vielas, kas izdalās uz virsmas, var izšķīdināt minerālvielas. Kopumā ar ūdens sasalšanu ir saistīti procesi un iespējas, ko citu šķidrumu fizikālās īpašības neliecina.
Ledus un ūdens blīvums
Tātad atbilde uz jautājumu, kāpēc ledus negrimst ūdenī, bet peld pa virsmu, ir tāda, ka tam ir mazāks blīvums nekā šķidrumam, taču tā ir pirmā līmeņa atbilde. Lai labāk saprastu, jums ir jāzina, kāpēc ledus blīvums ir mazs, kāpēc lietas vispār peld, kā blīvums izraisa peldēšanu.
Atcerieties grieķu ģēniju Arhimēdu, kurš uzzināja, ka pēc noteikta objekta iegremdēšanas ūdenī ūdens tilpums palielinās par skaitli, kas vienāds ar iegremdētā objekta tilpumu. Citiem vārdiem sakot, ja jūs novietojat dziļu trauku uz ūdens virsmas un pēc tam ievietojat tajā smagu priekšmetu, ūdens tilpums, kas tiks ielejams traukā, būs precīzi vienāds ar objekta tilpumu. Nav svarīgi, vai objekts ir pilnībā iegremdēts vaidaļēji.
Ūdens īpašības
Ūdens ir pārsteidzoša viela, kas pamatā baro dzīvību uz zemes, jo tas ir vajadzīgs ikvienam dzīvam organismam. Viena no svarīgākajām ūdens īpašībām ir tā, ka tam ir vislielākais blīvums 4°C temperatūrā. Tādējādi karstais ūdens vai ledus ir mazāk blīvs nekā auksts ūdens. Mazāk blīvas vielas peld virs blīvākām vielām.
Piemēram, gatavojot salātus, ievērosiet, ka eļļa atrodas uz etiķa virsmas – tas izskaidrojams ar to, ka tai ir mazāks blīvums. Tas pats likums ir spēkā arī, lai izskaidrotu, kāpēc ledus negrimst ūdenī, bet grimst benzīnā un petrolejā. Vienkārši šīm divām vielām ir mazāks blīvums nekā ledus. Tātad, ja jūs iemetīsit piepūšamo bumbu baseinā, tā peldēs pa virsmu, bet, ja jūs iemetīsit akmeni ūdenī, tā nogrims dibenā.
Kādas izmaiņas notiek ar ūdeni, kad tas sasalst
Iemesls, kāpēc ledus negrimst ūdenī, ir ūdeņraža saites, kas mainās, kad ūdens sasalst. Kā zināms, ūdens sastāv no viena skābekļa atoma un diviem ūdeņraža atomiem. Tie ir savienoti ar kovalentām saitēm, kas ir neticami spēcīgas. Tomēr cita veida saite, kas veidojas starp dažādām molekulām, ko sauc par ūdeņraža saiti, ir vājāka. Šīs saites veidojas tāpēc, ka pozitīvi lādētie ūdeņraža atomi tiek piesaistīti blakus esošo ūdens molekulu negatīvi lādētajiem skābekļa atomiem.
Kad ūdens ir silts, molekulas ir ļoti aktīvas,daudz kustas, ātri veido un sadala saites ar citām ūdens molekulām. Viņiem ir enerģija tuvoties viens otram un ātri pārvietoties. Tātad, kāpēc ledus negrimst ūdenī? Ķīmija slēpj atbildi.
Ledus fizikālā ķīmija
Ūdens temperatūrai nokrītot zem 4 °C, šķidruma kinētiskā enerģija samazinās, tāpēc molekulas vairs nepārvietojas. Viņiem nav enerģijas, lai kustētos, un tie ir tikpat viegli kā augstā temperatūrā saplīst un veidot saites. Tā vietā tie veido vairāk ūdeņraža saišu ar citām ūdens molekulām, veidojot sešstūra režģa struktūras.
Tie veido šīs struktūras, lai noturētu negatīvi lādētās skābekļa molekulas. Sešstūru vidū, kas veidojas molekulu darbības rezultātā, ir liels tukšums.
Ledus grimst ūdenī - iemesli
Ledus faktiski ir par 9% mazāk blīvs nekā šķidrs ūdens. Tāpēc ledus aizņem vairāk vietas nekā ūdens. Praktiski tam ir jēga, jo ledus izplešas. Tieši tāpēc nav ieteicams sasaldēt stikla ūdens pudeli – sasalušais ūdens var radīt lielas plaisas pat betonā. Ja jums ir litra pudele ledus un litra pudele ūdens, tad ledus ūdens pudele būs vieglāka. Molekulas šajā brīdī atrodas tālāk viena no otras nekā tad, kad viela ir šķidrā stāvoklī. Tāpēc ledus ūdenī negrimst.
Kad ledus kūststabilā kristāla struktūra sadalās un kļūst blīvāka. Kad ūdens sasilst līdz 4°C, tas iegūst enerģiju un molekulas virzās ātrāk un tālāk. Šī iemesla dēļ karstais ūdens aizņem vairāk vietas nekā auksts un peld virs auksta ūdens - tam ir mazāks blīvums. Atcerieties, ka, atrodoties ezerā, peldoties ūdens virskārta vienmēr ir patīkama un silta, bet, nolaižot kājas, jūtat apakšējā slāņa aukstumu.
Ūdens sasalšanas procesa nozīme planētas funkcionēšanā
Neskatoties uz to, ka jautājums "Kāpēc ledus negrimst ūdenī?" 3. klasei ir ļoti svarīgi saprast, kāpēc šis process notiek un ko tas nozīmē planētai. Tādējādi ledus peldspējai ir būtiska ietekme uz dzīvību uz Zemes. Ezeri ziemā aizsalst aukstās vietās – tas ļauj zivīm un citiem ūdensdzīvniekiem izdzīvot zem ledus segas. Ja dibens būtu aizsalis, tad pastāv liela varbūtība, ka aizsalis viss ezers.
Šādos apstākļos neviens organisms nebūtu izdzīvojis.
Ja ledus blīvums būtu lielāks par ūdens blīvumu, tad okeāni nogrimtu ledū, un ledus vāciņi, kas tad būtu apakšā, neļautu nevienam tur dzīvot. Okeāna dibens būtu pilns ar ledu – un par ko tas viss pārvērstos? Cita starpā polārais ledus ir svarīgs, jo tas atstaro gaismu un neļauj planētai Zeme kļūt pārāk karsta.
