Опыты с водой
Речь пойдет… о воде. Обыкновенной воде, с которой мы встречаемся каждый день — и не раз. Что же в ней необычайного? Дело в том, что вода как в жидком, так и в твердом состоянии (в виде льда) проявляет особые свойства, которые позволяют говорить о ее необычности.
Приведу несколько примеров.
Кто не знает, что лед не тонет в воде, а плавает на ее поверхности. Это значит, что лед легче воды (т.е. имеет меньшую плотность). И уже одной этой особенности достаточно, чтобы выделить лед из других твердых веществ как редкое исключение. Твердые тела обычно обладают большей плотностью, чем жидкости, из которых они образуются в ходе затвердевания (или в которые превращаются в результате плавления).
Благодаря этой особенности льда вода замерзает только на поверхности. Если бы лед тонул в воде, на поверхности образовывались бы новые Пор-Ции льда; они, в свою очередь, опускались бы вниз, и водоем промерзал бы до самого дна. В результате водяные растения были бы скованы льдом, а рыбе и другим животным грозила бы неминуемая гибель.
Но водоемы не промерзают насквозь не только из-за особых свойств льда. На помощь приходит сама вода, находящаяся подо льдом. Она также обладает исключительной способностью: при нагревании от 0°С она не расширяется, как все остальные тела, а сжимается, т.е. вместо того, чтобы увеличивать уменьшает свой объем, и ведет себя таким образом до температуры + 4°С. При более высокой температуре она расширяется, как и все прочие тела. В том, Что вода обладает -«неправильным» тепловым расширением, можно убедиться на опыте, описанном ниже.
В результате в водоеме с замерзшей поверхностью на дно опускаются наиболее плотные слои воды, имеющие температуру около +4°С. Над ними последовательно располагаются более холодные (!) слои, так что непосредственно под ледяным покровом температура воды доходит до 0°С. Благодаря этому дно бассейна не замерзает, более того, там удерживается температура выше 0°С, а это диет живым организмам возможность выжить даже самой суровой зимой.
Почему именно вода стала избранницей природы? Откуда берутся ее своеобразные особенности? Ответ на эти вопросы очень краток: вода обладает необычным молекулярным строением. Вы думаете, я пошутил? Ведь известно, что лед отличается упорядоченным расположением молекул, а вода — хаотическим. И еще одно замечание. Само собой разумеется, что в чемодан или портфель можно поместить больше вещей, если укладывать их методически, а не кое-как. Вроде бы в этих рассуждениях все правильно, но многое зависит и от того, что именно вы хотите положить в портфель или чемодан!
Молекула, или наименьшая частица воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеет форму толстого бумеранга с короткими разветвлениями (атомами водорода). В кристалле льда «бумеранги» образуют регулярную пространственную структуру, в которой они могут соединяться только одним определенным образом, чтобы структура не замыкалась и могла продолжаться до бесконечности. В воде молекулы соединяются таким же самым образом, как и во льду, но благодаря текучести структуры могут образовывать замкнутые конфигурации. Они способны объединяться в пространственно замкнутые группы с более плотным расположением молекул, чем у льда.
Когда температура поднимается выше 0°С, в эти группы входит все большее число молекул и плотность воды повышается. Причина тому — хотя и незначительный, но систематический рост подвижности молекул — как правило, чем выше температура, тем подвижнее молекулы. И только при температуре +4°С хаотическое тепловое движение начинает противодействовать этой тенденции, группировки молекул становятся менее крупными и многочисленными. Таким образом, плотность воды в дальнейшем уменьшается, и вода ведет себя как обычная жидкость. Однако, ее «ухищрения» на этом не кончаются. Есть еще одна особенность воды, имеющая огромное значение для существования живых организмов. Атом любого вещества — это как бы миниатюрная Солнечная система. В центре ее находится тяжелое, очень маленькое по размерам атомное ядро, несущее положительный заряд. Вокруг него, как планеты вокруг Солнца, вращаются легкие отрицательно заряженные электроны. Атомы отличаются по величине заряда (и массе) ядра и по числу электронов. Например, у атома водорода имеется один электрон, а у кислорода — восемь. Атомы водорода и кислорода связываются в молекулу своими электронами. Образно эту картину можно представить себе так: сильный атом кислорода притягивает к себе атомы водорода, в результате чего -«сердцевина» (центральная часть) бумеранга получает отрицательный заряд, а разветвления — положительный.
Весь бумеранг оказывает сильное электрическое воздействие на любую другую молекулу, находящуюся в его поле действия.
С этой точки зрения вода резко отличается от других жидкостей, так например, в ней легко растворяется большинство солей. При этом растворение осуществляется не за счет «отрыва» целых молекул от крупинок соли, а путем отторжения ионизированных атомов, входящих в состав молекул, т.е. положительных и отрицательных ионов. А ионы — это такие атомы (группы атомов), у которых либо слишком мало, либо слишком много электронов, в результате чего они обладают положительным или отрицательным зарядом. Обычная поваренная соль распадается в воде не на молекулы хлористого натрия, а на положительные ионы натрия и отрицательные хлора.
Вода с ее электрически активными молекулами оказывает сильное воздействие на соли и способствует их интенсивному растворению, сопровождаемому электрической диссоциацией. Все это имеет первостепенное значение для жизни на земле, поскольку жизнедеятельность организмов обеспечивается циркулирующими в них жидкостями, которые растворяют различные вещества и перемещают их ионы по всему телу. Биолог отнюдь не преувеличивает, говоря, что без воды не было бы жизни, но прав и физик, уточняя высказывание биолога: если бы вода была обыкновенной жидкостью, возникновение жизни все равно было бы невозможно. Только необычным свойствам воды обязана природа существованием живых организмов.
Опыт:
Для проведения опыта понадобится полиэтиленовая бутылочка (от лекарства) с плотно закрывающейся полиэтиленовой пробкой, очень тонкая стеклянная или пластмассовая трубка, небольшая кружка и лед. В пробке нужно сделать отверстие и вставить в него трубку. Один конец трубки должен доходить до середины заткнутой пробкой бутылочки, а другой — выступать из нее на несколько сантиметров. Место соединения трубки с пробкой следует залить толстым слоем стеарина. Возьми немного воды, слегка подкрашенной чернилами или марганцовкой. Наполни бутылочку доверху водой и плотно заткни пробкой с торчащей из нее трубкой. Проследи, чтобы внутри не осталось пузырьков воздуха. Вода заполнит всю бутылочку и часть трубки. Наблюдая за уровнем воды, ты сможешь убедиться, как меняется ее объем. Для этого прикрепи к бутылочке полоску миллиметровой бумаги. Она послужит в качестве шкалы. Поставь бутылочку в кружку со льдом и посмотри, как будет вести себя уровень воды в трубке.
На первых порах уровень воды быстро упадет, потом слегка поднимется и долго будет неподвижным. В тот момент, когда лед в кружке начнет таять, вода снова оживет. Сначала станет постепенно… снижаться, затем пойдет кверху и больше уже не опустится. Советую тебе воспользоваться термометром, обычным маленьким комнатным термометром. Надеюсь, что мама разрешит тебе опустить его в ледяную ванну. С помощью термометра легче вести наблюдения и делать выводы.
Ну, а теперь ты, наверное, сам сумеешь объяснить, что означают изменения уровня воды в трубке.
ЗБИГНЕВ ПЛОХОЦКИЙ
Журнал “Горизонты техники для детей” №83г.