Исследование свойств воды при кристаллизации



В статье автор исследует свойства воды при кристаллизации.

Ключевые слова: вода, снег, лед, кристаллизация, плавление.

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, однако при температуре в 0 °C она переходит в твердое состояние — лед. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози, вечной мерзлоты.

Актуальность: стремительно развивается глобальное потепление, изменяется климат в Арктике, тают «вечная» мерзлота и льды Северного полюса. Исследование свойств воды при кристаллизации поможет понять эти проблемы.

Объект исследования: процесс кристаллизации воды.

Предмет исследования: свойства воды при кристаллизации.

Цель работы: выполнить опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Задачи: изучить информацию по теме; выполнить опыты по кристаллизации воды; сделать анализ результатов практической части.

Гипотеза: можно предположить, что на процесс кристаллизации воды влияет наличие соли в растворе, температура наружного воздуха.

Методы исследования:изучение,наблюдение,исследование, обоснование, анализ.

Практическая значимость работы: экспериментальное изучение процесса кристаллизации воды.

Вода является одним из самых удивительных веществ на планете Земля. Встретить воду можно практически везде в естественных условиях как на поверхности планеты, так и в ее недрах в трех возможных физических состояниях для веществ: жидкое, твердое, газообразное (то есть вода, лед, водяной пар).

При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.

Вода, как физическое вещество, характеризуется большим сродством сама с собой. Такое сродство у воды является самым большим среди всех жидкостей. Вследствие этого вода на поверхности размещается в виде капель сферической формы, поскольку сфера обладает наименьшей при заданном объеме поверхностью [1, 45].

Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды. Однако, замерзание морской воды происходит при более низких температурах: минус 1,9 градусов Цельсия, при солености 35 %.

Вода обладает очень высокой теплоемкостью, относительно мало нагреваясь при этом.

Температура же в процессе замерзания или при кипении остается неизменной. Дистиллированная вода практически не проводит электрический ток, однако наличие в воде даже небольшого количества солей значительно увеличивает ее токопроводящие свойства [2, 94].

При смешивании соли со снегом наблюдается два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла, и гидрацией ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0 градусов.

Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0 градусов, его посыпают этими солями. Снег обладает удивительным свойством — памятью. Он сохраняет следы. По следам можно изучать физику [1, 108].

«Много снега — много хлеба», «Зима без снега — лето без хлеба», — справедливо утверждают старинные русские пословицы. В якутских народных пословицах и поговорках нет пословиц про хлеб. Однако в якутском фольклоре достаточно загадок про значение снега для флоры и фауны:«Некто, скрипя-кряхтя, снежным домом обзавелся» (куропатка), «Под землей горячая крица лежит» (медведь).

Снег — это лучший утеплитель для земли и растений, особенно рыхлый и лёгкий. Он защищает землю от глубокого промерзания и иссушения, а это важно для корневой системы растений. Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере — от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений [3, 211].

Снег — плохой проводник тепла. Снегом утепляют дома у нас зимой, насыпая его вокруг стен. Издавна снегом с водой утепляют коровники.

С 1980-х годов каждое десятилетие было теплее предыдущего — причина этого явления — парниковый эффект, который мы наблюдаем и в республике Саха (Якутия). Одним из следствий всемирного потепления является таяние ледников. Таяние ледников может привести к подъему уровня моря, что приведет к затоплению прибрежных районов. Нужно сделать все возможное для удержания глобального потепления в пределах 1,5°С [4].

Для проведения опытов с водой необходимо выбрать те, которые наиболее полно характеризуют и подтверждают свойства воды [5, 69]. Проведенный анализ показал, что лучше всего это будет реализовано при выполнении следующих опытов:

1. Замерзание соленой воды.
2. Расширение воды при замерзании.
3. Замерзание мыльных пузырей.
4. Срастание сосульки.
5. Скрип сухого снега.
6. Примерзание к поверхности.
7. Измерение силы трения при движении санок по снегу при разных температурах воздуха.
8. Опыт № 1. Замерзание чистой и соленой воды

Налили в три пластиковых стакана воду — чистую и солёную. Вынесли их на мороз. Чистая пресная вода превратилась в лёд через несколько часов, а солёная замёрзла только при сильном морозе.

Замерзание воды происходит при 0 градусов Цельсия. Это свойство пресной воды. При этом, морской лед отличается от пресноводного в ряде отношений. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35 % температура замерзания меняется от -1.6 до -1.9 град.

Измерения начали 14.11.2023 г., вечером в 18.00. Температура наружного воздуха была равна -10°С. Температуру измеряли уличным термометром и сверялись с показаниями температуры Вилюйской метеостанции. Данные проведенных опытов приведены в таблицах 1–5.

Таблица 1

Измерение температуры наружного воздуха в г. Вилюйск, ноябрь 2023 г.

№	Дата	Температура наружного воздуха		Скорость ветра по данным метеостанции	Направление ветра по данным метеостанции
		Утром	Ночью
1	14.11	-11	-14	2	Юг-юг-восток
2	15.11	-12	- 14	2	Южный
3	16.11	-13	-15	2	Юг-юг-запад
4	17.11	-2	-7	3	Южный
5	18.11	-15	- 23	2	Западный
6	19.11	-20	- 29	1	Восточный
7	20.11	-11	-16	4	Восток-сев-восток
8	21.11	-23	-29	3	Западный
9	22.11	-30	-33	2	Западный
10	23.11	- 33	- 35	2	Запад- юго-запад
11	24.11	-37	-39	2	Юго-запад
12	25.11	-38	-33	2	Запад- юго-запад
13	26.11	-35	-29	2	Запад- юго-запад
14	27.11	-22,8	-17	2	Северо-запад
15	28.11	-13,3	-10	2	Северный
16	29.11	-22,7	-17	2,4–3,5	Западный
17	30.11	- 14,5	-13	4,3–5,4 Порывы до 15м/с	Западный

Таблица 2

Измерение температуры чистой воды, помещенной на улице

Дата	Время	Температура раствора, °С	Образование льда
14.11	18.00 14.11	23	Корка
14.11	19.00	-1	Корка
14.11	21.00	-2	Корка
14.11	22.00	-3	Корка
14.11	23.00	-3	Корка
15.11	06.00	-9	Полностью заледенела

Таблица 3

Измерение температуры 10 % соленой воды, помещенной на улице

Время	Температура раствора, °С	Образование льда
20.00 21 ноября	20	-
21.00	- 4	Мало льда
22.00	- 8	Частично лед
23.00	-8	Частично лед
06.00. 22 ноября	-23	Полностью лед, на поверхности тонкий слой воды

Вывод:

1) чистая вода, вынесенная на мороз 14 ноября, замерзла полностью при ночной температуре -14°С. Ее температура постепенно понижалась с комнатной температуры (23°С), до температуры кристаллизации 0°С;

2) 10 % раствор соленой воды, вынесенный на мороз 21 ноября, замерз полностью при ночной температуре -29°С;

3) 43 % солёная вода, вынесенная на мороз 14 ноября, не замерзала несколько дней, замерзла 23.11 при ночной температуре –33°С. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености.

Опыт 2. Наблюдение вымерзания соли из раствора соленой воды

Налили в одноразовые сосуды воду с солью: 40 % и 10 %. Вынесли их на мороз.

Таблица 4

Измерение температуры 43 % соленой воды, помещенной на улице

Время	Температура раствора, °С	Образование льда
18.00 14.11	23	Нет
19.00	0	Нет
20.00	-5	Нет
21.00	-7	Нет
22.00	-8	Нет
23.00	-8	Нет
06.00 15.11	-7	Нет
18.00 21.11	-18	Нет
06.30 21.11	- 19	Нет
18.00 22.11	-23	Наблюдается вымерзание соли из воды
06.30 23.11	- 23	Полностью кристаллизировалась вода. На поверхности льда находится соль

Оба раствора замерзают по-разному. 22 ноября 2023, температура наружного воздуха -27°С, наблюдается вымерзание соли из воды.

Температура 43 % раствора — 20° С.

Рис. 1. Вымерзание соли из 40 %-го раствора соли при температуре воздуха -27°С.

23.11.2023, 06.30 мин. вода полностью кристаллизовалась. 22.11.2023, температура наружного воздуха -33°С.

Температура 10 % раствора — 15°С. На поверхности наблюдается с вымерзание соли из воды. В центре и по краям находится тонкий слой воды (рис. 2).

Рис. 2. Вымерзание соли из 10 % раствора соли при температура наружного воздуха -33°С.

Наблюдение кристаллизации 43 % соленой воды, помещенной на улице, проводили с 14 ноября по 23 ноября. При небольших морозах (меньше 30°С) 43 % соленая вода не замерзает. При понижении температуры ниже 30°С начинается вымерзание соли из раствора. При температуре -35°С раствор полностью превращается в лед (рис. 5).

Рис. 3. Вымерзание соли в сосудах № 1 (43 %) и № 2 (10 %)

В Сунтарском улусе Республики Саха (Якутия) есть соленое озеро Кэмпэндээйи. В ней солёная вода (90 % рассол) круглосуточно, зимой и летом изливается в бассейн из-под земли по вертикальным трубам. Зимой соль из воды вымораживается. Весной, под действием солнечного тепла, вода постепенно испаряется, и в бассейне накапливается (пищевая) соль.

Летом её сгребают в кучу. Издали кажется, что и летом, в 30-градусную жару все покрыто снегом.

Чем холоднее зима, тем лучше для добытчиков соли. «При сильных морозах из-под земли выходит много соли в виде рассола, которая тут же кристаллизуется, а весной превращается в обычную поваренную соль, которую, как и при царской России, возят на деревянных тележках».

Вывод: вымерзание соли из воды зависит от % содержания соли в растворе. Быстрее соль вымерзла из 10 % раствора, при температуре наружного воздуха –15°С.

Раствор с 43 % содержанием соли не замерзал до 23.11. Соль вымерзла 23.11, при морозе –33°С.

Вымораживание соли можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением соли на поверхность льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются кристаллы соли, которые «окружают» не замерзшую воду.

Вымерзание соли зависит от % содержания соли в растворе. Вымерзание соли в растворах с 30 % содержанием соли и больше происходит при морозах ниже 30°С.

Опыт № 3. Расширение воды при замерзании

Наполнили водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставили их на мороз. Вода в пластиковом стакане замерзая, выпучивается по центру. При замерзании воды в пластиковой бутылке бутылка остается целой.

При замерзании воды в стеклянной бутылке вода разрывает бутылку.

Вывод: замерзая, вода увеличивается в объёме. Замерзшая вода «вылезает» из стакана.

В сильные морозы основная причина аварий на водопроводах — замерзание текучей воды. Происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы, так как плотность льда — 917 кг/м ³ , а плотность воды — 1000 кг/м ³ , то есть объем увеличивается в 1,1 раза, что довольно существенно.

Плотность льда — 917 кг/м ³ , а плотность воды — 1000 кг/м ³ , то есть объем увеличивается в 1,1 раза.

Масса = Плотность *Объем

Объем =

V _льда — объем льда, V _воды — объем воды

= =1,1

При замерзании водыобъем увеличивается в 1,1 раза. Поэтому стеклянная бутылка разрывается.

Опыт № 4. Замерзание мыльных пузырей (22 ноября, температура воздуха -33°С)

Приготовили мыльный раствор из жидкого мыла. Раствор на морозе держали в рукавице, чтобы он не замёрз. На практике мы увидели, что тонкая мыльная плёнка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики, которые сразу лопаются [5].

Вывод: тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды и лопается, так как из-за большой разницы температур объем шара увеличивается.

Рис. 4–6

Опыт № 5. Срастание сосульки

Собрали несколько сосулек. Выбрали из них сосульку толщиной 15 мм и шириной 25 мм, закрепили ее горизонтально при помощи двух штативов. Перекинули через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелили грузом массой 100 г. Наблюдали, как проволока растапливает лёд, проникает всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает. Это подтверждает поглощение тепла при плавлении льда. Лед нарастает сверху, сразу над проволокой, так как стекающая вниз талая вода замерзает при соприкосновении с холодными стенками сосульки.

Вывод: при подвешивании груза к горизонтально закрепленной сосульке, проволока растапливает лед. Стекающая вниз талая вода замерзает, так как температура стенок сосульки 0°С.

Рис. 7. Начало срастания льда

Рис. 8. Конец плавления

Опыт № 5. Скрип сухого снега

В морозные дни звук распространяется на большие расстояния. Снег скрипит только в мороз (ниже -5°C), и звук скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха — чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. Мы записали скрип снега при разных температурах наружного воздуха.

Таблица 5

Измерение зависимости тона скрипа от температуры наружного воздуха

Время	Температура воздух, °С	Тон скрипа
23.00 (21.11)	- 24	Низкий
23.00 (22.11)	-27	Низкий
23.00 (23.11)	- 30	Средний
24.11	-37	Высокий
25.11	-38	Высокий

Скрип образуется из-за того, что при давлении разрушаются мельчайшие кристаллики снега. Хотя каждый из них по отдельности очень мал, но вместе они ломаются довольно громко.

Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются. При температуре воздуха ниже -50°C скрип снега становится таким сильным, что его можно слышать через тройные стекла (этому способствует также большая плотность морозного воздуха).

Вывод:скрип снега изменяется с понижением температуры наружного воздуха, его тон становится выше.

Заключение

Процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней и начальной школе.

В ходе работы выполнили шесть опытов и описали основные результаты, подготовили предложения по проведению опытов. Мы убедились, что кристаллизация воды зависит от наличия соли в растворе воды. С ростом %-го содержания соли снижается температура замерзания. 10 % раствор соленой воды, вынесенный на мороз, замерзает при ночной температуре -29°С; 43 % солёная вода, вынесенная на мороз 14 ноября, не замерзала несколько дней, замерзла при ночной температуре –33°С.

Вымерзание соли из воды зависит от % содержания соли в растворе. Быстрее соль вымерзла из 10 % раствора, при температуре наружного воздуха — 15°С. Соль из 43 %-го раствора вымерзла 23.11, при морозе –33°С.

Вымораживание соли можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением соли на поверхность льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются кристаллы соли, которые «окружают» не замерзшую воду.

Тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды и лопается, так как из-за большой разницы температур объем шара увеличивается.

При подвешивании груза к горизонтально закрепленной сосульке, проволока растапливает лед. Стекающая вниз талая вода замерзает, происходит срастание сосульки, так как температура стенок 0°С.

Скрип снега изменяется с понижением температуры наружного воздуха, его тон становится выше.

При добавлении соли в снег температура смеси резко понижается, кастрюля со снегом примерзает к бумаге и картону, на которой стояла. При смешивании соли со снегом наблюдается сильное охлаждением вследствие большого поглощения теплоты льдом при его плавлении и солью при ее растворении.

Сила трения при скольжении санок по снегу зависит от температуры воздуха: чем мороз крепче, тем больше его значение.

Гипотеза, что на процесс кристаллизации воды влияют наличие соли в растворе и температура наружного воздуха, подтвердилась. Цель достигнута.

Литература:

1. Природа и люди. Хрестоматия по природоведению для учителей. Сост. В. П. Горошенко. М., «Просвещение», 1971.- 336 с.с илл.;
2. Энциклопедия для любознательных от А до Я: энциклопедия/Л. В. Калинина, Ю. В. Шуйская. — М.: Эксмо, 2016. — 256с: ил.;
3. Энциклопедия окружающего мира: энциклопедия/Джон Кларк, Клинт Твист. — М.: Махаон, 2000. — 301с: ил.;
4. https://rg.ru/ecology;
5. https://rosuchebnik.ru/material/issledovanie-svoystv-vody-pri-kristallizatsii-7383/