NộI Dung:
- Nước và mật độ của nó
- Tầm quan trọng của nước đá
- Người giới thiệu
Các băng nổi trên mặt nước do mật độ của nó. Nước đá là trạng thái rắn của nước. Trạng thái này có cấu trúc, hình dạng và khối lượng được xác định rõ ràng. Thông thường khối lượng riêng của chất rắn lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng, nhưng đối với nước thì ngược lại.
Ở điều kiện áp suất bình thường [một bầu khí quyển], băng bắt đầu sinh ra khi nhiệt độ dưới 0 ° C.
Nước và mật độ của nó
Phân tử nước được tạo thành từ hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, với công thức đại diện là H₂O.
Ở áp suất thường, nước ở trạng thái lỏng, từ 0 đến 100 ° C. Khi nước ở trạng thái này, các phân tử chuyển động với một mức độ tự do nhất định vì nhiệt độ đó cung cấp cho các phân tử động năng.
Khi nước ở dưới 0 ° C, các phân tử không có đủ năng lượng để di chuyển từ bên này sang bên kia. Ở gần nhau, chúng tương tác với nhau và được sắp xếp theo những cách khác nhau.
Tất cả các cấu trúc tinh thể mà nước đá có thể có là đối xứng. Sự sắp xếp chính là hình lục giác và với các liên kết hydro tạo ra một không gian lớn hơn nhiều cho cấu trúc so với không gian của nước.
Vì vậy, nếu trong một thể tích nhất định, lượng nước đi vào nhiều hơn nước đá, thì có thể nói rằng trạng thái rắn của nước nhỏ hơn trạng thái lỏng của nó.
Do sự chênh lệch về mật độ này nên xảy ra hiện tượng băng nổi trên mặt nước.
Tầm quan trọng của nước đá
Con người và động vật trên khắp thế giới được hưởng lợi từ đặc tính này của nước.
Khi các tảng băng hình thành trên bề mặt của các hồ và sông, các loài sống dưới đáy có nhiệt độ trên 0 ° C một chút, vì vậy điều kiện sống thuận lợi hơn cho chúng.
Cư dân ở những nơi nhiệt độ có xu hướng giảm xuống rất nhiều tận dụng khu vực ven hồ này để trượt băng và luyện tập một số môn thể thao.
Mặt khác, nếu mật độ của băng lớn hơn của nước, các tảng băng lớn sẽ nằm dưới biển và không phản xạ tất cả các tia tới chúng.
Điều này sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ trung bình của hành tinh. Hơn nữa, sự phân bố của các biển như nó được biết đến ngày nay sẽ không tồn tại.
Nói chung, nước đá rất quan trọng vì nó có vô số công dụng: từ giải khát và bảo quản thực phẩm cho đến một số ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm, trong số những ứng dụng khác.
Người giới thiệu
- Chang, R. [2014]. hóa học [Quốc tế; Thứ mười một; biên tập]. Singapore: Đồi McGraw.
- Bartels-Rausch, T., Bergeron, V., Cartwright, J. H. E., Escripano, R., Finney, J. L., Grothe, H., Uras-Aytemiz, N. [2012]. Cấu trúc, mô hình và quy trình băng: Quang cảnh khắp các bãi băng. Nhận xét về Vật lý hiện đại, 84[2], 885-944. doi: 10.1103 / RevModPhys.84.885
- Carrasco, J., Michaelides, A., Forster, M., Raval, R., Haq, S., & Hodgson, A. [2009]. Một cấu trúc băng một chiều được xây dựng từ các hình ngũ giác. Vật liệu tự nhiên, 8[5], 427-431. doi: 10.1038 / nmat2403
- Franzen, H. F., & Ng, C. Y. [1994]. Hóa lý của chất rắn: Các nguyên tắc cơ bản về tính đối xứng và ổn định của chất rắn kết tinh. River Edge, NJ; Singapore ;: World Scientific.
- Varley, I., Howe, T., & McKechnie, A. [2015]. Ứng dụng nước đá để giảm đau và sưng sau khi phẫu thuật răng hàm thứ ba - một đánh giá có hệ thống. Tạp chí Anh về Phẫu thuật Răng miệng và Răng hàm mặt, 53[10], e57. doi: 10.1016 / j.bjoms.2015.08.062
- Bai, J., Angell, C. A., Zeng, X. C., & Stanley, H. E. [2010]. Lớp phủ một lớp không có khách và sự tồn tại của nó với băng mật độ cao hai chiều. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, 107[13], 5718-5722. doi: 10.1073 / pnas.0906437107
Chúng ta thường biết có 3 trạng thái của vật chất gồm rắn, lỏng và khí, các hạt nhân trong chất rắn dầy đặc hơn chất lỏng và các hạt nhân trong chất lỏng lại dầy đặc hơn chất khí. Đó cũng là lời giải thích về thể rắn của một chất sẽ tụt xuống khi leo trên thể lỏng của chất đó.
Mỗi lần uống nước đá, có lẽ đúng ai đều thấy hiện tượng khá quen thuộc là những tảng đá thường sẽ nổi lên trên mặt nước. Điều này hơi khó hiểu vì cục đá nặng như vậy ghi lại không thể tụt xuống được rượu?
Trong vật lý chúng ta đều biết rằng các chất nở ra khi nóng lên, co lại khi lạnh đi. Nếu cứ theo nguyên lý này để biện minh thì ở như nhau khối lượng, nước đá ở 0oC sẽ có thể tích thứ yếu nước ở thân nhiệt thường. Và theo công thức tính mật độ D = m/V mà xét, nước đá sẽ có mật độ lớn hơn nước lỏng bình thường.
Vì thế, theo logic đá phải tụt xuống nước chứ không thể nổi được? Lý do ở đây là gì? Nó liên quan đến sức đẩy acsimet không?
Vì sao nước đá lại nổi trên mặt nước?
Bạn nghĩ rằng khi nước lỏng bắt đầu đóng băng, các phân tử sẽ liên kết lại với nhau ngày càng chặt chẽ, nhưng đó bất công những gì thực sự xảy ra. Nước có một loại tương tác đặc biệt giữa các phân tử của chúng với nhau mà phần đông các loại chất khác đều không có, nó được gọi là liên kết hydro.
Nước được tạo thành bởi 1 hạt nhân Oxi liên kết với 2 hạt nhân Hydro bằng liên kết cộng hóa trị và liên kết này bị kéo lệch về phía hạt nhân O khiến cho nước bị phân cực. Vì thế các phân tử nước có thể hình thành được các liên kết H.
Các thí nghiệm cho thấy rằng khi thân nhiệt >4oC, các phân tử nước di chuyển mạnh, vì thế các liên kết H bị bẻ gãy khi các phân tử nước va chạm vào nhau do di chuyển nhiệt và lực hút tĩnh điện. Điều này có nghĩa là các liên kết Hydro không đủ mạnh để giữ các phân tử nước lại với nhau.
Nhưng khi thân nhiệt hạ xuống 4oC,các phân tử nước chuyển động mạnh, vì thế các liên kết H bị bẻ gãy khi các phân tử nước va chạm vào nhau do chuyển động nhiệt và lực hút tĩnh điện [ảnh a theo hình dưới đây].
Khi nước lỏng bị làm lạnh, đông đá và tạo thànhtinh thể lục giác mở [tinh thể của tuyết],các phân tử nước phải rời xa nhau. Vì lí do này mà thể tích của đá tăng lên khi chuyển từ lỏng sang rắn, dẫn tới khối lượng riêng của nước đá nhỏ hơn khối lượng riêng của nước lỏng. Do đó mà đá nổi lên trên nước lỏng!
Nếu khó hiểu quá, có thể theo cách giải thích sau để dễ hiểu hơn:
“Trong nước đá, các liên kết ở trạng thái bền nhất, tức lực liên kết là mạnh nhất, vì thế các phân tử nước trong nước đá phải liên kết với nhau theo một cấu trúc mạng nhất định, khác với nước lỏng các phân tử nước liên kết tự do. Do đó, ở thể lỏng, số phân tử nước trong một đơn vị thể tích là nhiều hơn so với ở thể rắn. Điều này khiến cho nước đá có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của nước lỏng. Vậy nên nước đá sẽ nổi trên nước lỏng.”
Điều này là cơ sở cho việc giải thích tại sao băng giá lại có thể nổi trên mặt hồ nước ở những vùng có khí hậu lạnh. Băng giá nổi trên mặt nước,lớp nước ấm hơn sẽ ở phía dưới lớp băng này, vì vậy các loài động vật như cá hay thực vật thủy sinh có thể sống qua mùa đông khắc nghiệt.
Ngoài ra, khi nước lỏng chuyển sang dạng đá, thể thích tăng lên, thế nên ta không được đổ đầy nước vào bình hay chai thủy tinh rồi cho vào tủ lạnh. Bởikhi hình thành nước đá thể tích nước đá giãn nở làm vỡ chai hay bình đựng, rất nguy hiểm!
Video: