Аномальные свойства воды при замерзании.

Цель: Изучение причин изменения плотности воды при снижении температуры. Как известно, вода во внешней среде бывает одновременно в трёх агрегатных Как известно, вода во внешней среде бывает одновременно в трёх агрегатныхсостояниях: в жидком в жидком в твёрдом в твёрдом в газообразном в газообразном

Аномалия воды. Удивительным свойством обладает вода: это единственное вещество на земле, которое при замерзании расширяется. Удивительным свойством обладает вода: это единственное вещество на земле, которое при замерзании расширяется. Плотность воды при понижении температуры сначала возрастает, достигает максимума при 4oС и начинает уменьшаться. Плотность воды при понижении температуры сначала возрастает, достигает максимума при 4oС и начинает уменьшаться. ПОЧЕМУ? ПОЧЕМУ?

Строение воды. Молекула воды имеет угловое строение, угол Н–О–Н составляет 104,5 градусов. Одна молекула Н 2 О- газ, пар. Две неподеленные электронные пары О, образуют две донорно- акцепторные связи с атомами водорода соседних молекул воды. Это водородные связи.

Водородная связь. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ-взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или разных молекул посредством атома водорода: A-H…B. Наличием водородных связей обусловлены уникальные свойства воды. Трехатомная молекула Н 2 О образует четыре водородные связи. В их образовании принимают участие оба атома водорода, а атом кислорода образует две водородные связи с атомами водорода соседних молекул воды. (Электронная плотность О распределяется равномерно) (Электронная плотность О распределяется равномерно) Кристаллическая решетка Н 2 О- лед (схема)

Кристаллическая решётка льда. в структуре льда обычные связи О–Н и водородные ОН структурно неразличимы – длина связей и валентные углы совпадают. в структуре льда обычные связи О–Н и водородные ОН структурно неразличимы – длина связей и валентные углы совпадают. тетраэдр. Каждая молекула воды соединена с четырьмя ближайшими к ней другими молекулами. Образуемые при этом пустоты в структуре льда приводят к уменьшению его плотности по сравнению с жидкой водой.

Величина пустот Большая пустота образована 15 молекулами Н 2 О Большая пустота образована 15 молекулами Н 2 О Результаты эксперимента 1.V пустоты : V Н 2 О = 2,25 : 1 Пустота удлиненная, (льдинки-иголочки) толщина чуть больше диаметра молекулы Н 2 О, длина = 2 диаметрам Н 2 О Т.к. молекула Н 2 О самая маленькая среди подобных молекул, то пустота не позволяет заключать в себе частицы других веществ В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные.

Величина пустот Результаты эксперимента Максимальная плотность в интервале от 15 до 3 градусов: V Н 2 О при 4oС =14,6 мл. V льда =16,05 мл. V льда =16,05 мл. Следовательно V льда увеличился на 9,932 % Следовательно V льда увеличился на 9,932 % Теоретический расчет m Н 2 О = 14,6 г.; n Н 2 О = 0,811 моль; m Н 2 О = 14,6 г.; n Н 2 О = 0,811 моль; n фрагментов из 15 молекул Н 2 О =0,054 моль; n фрагментов из 15 молекул Н 2 О =0,054 моль; это равно n пустот это равно n пустот V Н 2 О = 0,811 моль * 1 объем = 0,811 объема V Н 2 О = 0,811 моль * 1 объем = 0,811 объема 0,054 моль * 2.25 объема = 0,1217 V пустот = 0,054 моль * 2.25 объема = 0,1217 объема. V льда увеличился на 15 % Следовательно V льда увеличился на 15 % Вывод: Теоретически объем льда увеличивается на 15%, практически – на 10%. Следовательно, при таянии льда водородные связи разрушаются на 2/3. Т.е. 30% водородных связей заключены в кластерах.

Кластеры. Молекулы воды могут объединяться в небольшие группы - кластеры. Их жизнь быстротечна, и потому они с трудом поддаются изучению. При температуре 4 о С общая формула кластера Н 14 О 7., а при комнатной температуре среднее между Н 8 О 4 Вода – смесь разных кластеров

Изменение объема воды при снижении температуры. п/п ВРЕМЯОБЪЁМ мл. Температура градус С п/п ВРЕМЯОБЪЁМ мл. Температура градус С , , , , , , , , , , , , , , , ,7 22, , ,05 ЛЁД , , ,6 13

Изменение объема воды при снижении температуры. Температура, *С Объем. мл.

Выводы: Образование кластеров и пустот в них объясняет расширение воды при замерзании. Отсутствие в пустотах материальных частиц не отрицает сохранение в них полей и волн, т. е. кластер может быть хранителем информации.

Заключение: Результаты исследования могут быть полезны в расшифровке структуры воды. Особенность образования кластеров и кристаллической решётки льда - вытеснять все растворённые в воде вещества – может быть заменима в разработке установок по отчистке воды с помощью неполного замораживания.

Автор: Захаренкова Наталья Автор: Захаренкова Наталья МОУ « Коммунаровская средняя общеобразовательная школа 1» Гатчинский район, Ленинградская область, Россия. МОУ « Коммунаровская средняя общеобразовательная школа 1» Гатчинский район, Ленинградская область, Россия. Руководитель: Петролай Валентина Сафроновна Руководитель: Петролай Валентина Сафроновна