Anomalna rozszerzalność wody

Ćwiczenie nr 29

Opis teoretyczny

Budowa wszystkich ciał makroskopowych jest cząsteczkowa, przy czym owe cząsteczki są w ciągłym ruchu i oddziaływają między sobą pewnymi siłami. Siły oddziaływania międzyatomowego są odpowiedzialne za powstawanie cząsteczek. Siły oddziaływania miedzy cząsteczkami prowadzą do tworzenia się struktur wielomolekularnych, w szczególności do powstania ciał stałych i cieczy. Zbliżanie do siebie atomów powoduje pojawienie się sił przyciągających, które najpierw wzrastają w miarę zmniejszania odległości miedzy jądrami atomów, a potem zmniejszają się aż w końcu przechodzą w siły odpychające. Gdy siła oddziaływania jest zerowa dla pewnej odległości r oraz energia potencjalna osiąga minimalną wartość cząstka jest w stanie równowagi trwałej. Ową odległość r nazywamy długością wiązania atomowego. Ze względu na strukturę wiązań możemy wyróżnić wiązania jonowe (powstają w wyniku przyciągania się elektrostatycznego) oraz kowalencyjne (powstaje dzięki 2 elektronom - po jednym z każdego atomu - ale jako para należą jednocześnie do jednego jak i drugiego atomu).

W przypadku cząsteczki wody atomy wodoru połączone są z atomem tlenu wiązaniem kowalencyjnym. W cząsteczce wody ładunek ujemny jest przesunięty w kierunku atomu tlenu (większa zdolność przyciągania elektronów przez atomy tlenu), a co za tym idzie - ładunek dodatni jest przesunięty w kierunku atomów wodoru. W rezultacie cząsteczka wody ma charakter dipolowy (o określonym momencie dipolowym).

W cieczach odległości między cząsteczkami są porównywalne z ich wymiarami, dlatego ważne są też oddziaływania między cząsteczkowe. W wodzie występują tzw. siły van der Wallsa. Są to siły międzycząsteczkowe w krysztale, mające tę samą naturę co siły przyciągania się cząsteczek w gazach.

W przypadku wody, elektrycznie spolaryzowane cząsteczki łączą się z sąsiednimi cząsteczkami wiązaniami wodorowymi (słabe wiązanie tworzące mostek wodorowy). Przyjmuje się, że struktura wody ma charakter kwazikrystaliczny (zmienny w czasie), o uporządkowaniu bliskim względem najbliższych sąsiadów. Woda zawiera cząsteczki swobodne, ale również grupy cząsteczek powiązanych ze sobą wiązaniami wodorowymi. Te właśnie wiązania wodorowe są odpowiedzialne za oddziaływania cząsteczek i za szczególne właściwości wody i lodu. Większość cieczy zwiększa swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Woda jest jednak wyjątkiem. Powyżej 4
zachowuje się „normalnie” jednak w zakresie temperatur od 0
do 4
kurczy się aby w temperaturze 4
mieć najmniejszą objętość (największą gęstość). Wynika z tego, że obniżając temperaturę woda rozszerza się. Jest to skutkiem asocjacji (łączenia się) cząsteczek wody, w wyniku czego w temperaturze 0
tworzy się heksagonalna struktura lodu z dużymi otwartymi przestrzeniami między ściankami kryształu. Konsekwencją takich procesów jest zwiększenie objętości wody o około 10%. W czasie topnienia wiązania wodorowe pękają a kryształki przechodzą w stan ciekłej wody.

OPIS DOŚWIADCZENIA

Aby wykonać nasze doświadczenie posłużyliśmy się aparaturą przedstawianą na poniższym rysunku.

Na początku sporządziliśmy mieszaninę chłodzącą z 450g rozdrobnionego lodu oraz z 40g soli. Naczyńko z wodą destylowaną umieściliśmy w mieszaninie chłodzącej, a następnie położyliśmy na mieszadle magnetycznym.

Gdy temperatura wody w naczyńku osiągnęła 11°C rozpoczęliśmy pomiar zależności wysokości słupa wody w kapilarze od temperatury. Doświadczenie przeprowadzaliśmy dopóty woda destylowana nie osiągnęła 0°C. Wyniki pomiarowe znajdują się na pierwszej stronie oraz na Rysunku 1 (ochładzanie) i Rysunku 2 (ogrzewanie).

Jak widać z Rysunku 1 objętość wody malała podczas ochładzania. Jednakże tylko do temperatury 4°C, po której następował wzrost objętości do temperatury 0°C. W przypadku ogrzewania było odwrotnie, tzn. Przy ogrzewaniu do 4°C objętość malała, a następnie zaczęła rosnąć. Wyniki naszych badań sugerują, iż charakter zmiany objętości przy 4°C jest paraboliczny.

Maksymalny przyrost wysokości słupa wody w doświadczeniu wniósł 30 milimetrów dla temperatury 11
- przy czym 0 milimetrów przyjmujemy dla 4
. Wysokość słupa wody dla 0
wyniosła 12 milimetrów.

Aby obliczyć maksymalną gęstość skorzystamy z danych tablicowych. Otóż gęstość wody dla temperatury 10°C wynosi δ=0,9997*10³ [kg*m^-3]. Masa wody jest stała.

Czyli:

Średnica	0,0017[m]
V1	0,000000635544193821
V2	0,000000567450173055
δ1	0,9997[kg*m^-3]
δ2	1,119664

Przyjąłem, że wysokość kapilarki w temperaturze 10°C jest równa 0,25m+0,03m, natomiast w temperaturze 4°C (największa gęstość była w momencie najmniejszej osiągniętej objętości - czyli w temperaturze 4
). jest równa 0,25m

Wnioski

Doświadczenie to wykazuje anomalną rozszerzalność wody. Jest to dowód na to, iż woda zachowuje się inaczej niż wszystkie inne ciecze, że dla temperatur od 0°C do 4°C cząsteczki wody zaczynają się łączyć, w wynik czego w temperaturze 0°C tworzy się heksagonalna struktura lodu z dużymi otwartymi przestrzeniami między ściankami kryształu.

Jest to bardzo ważny fakt dla życia organicznego w wodzie w czasie zimy. Podczas ochładzania, zgodnie z prawem Archimedesa, woda o temperaturze 4°C opada na dno zbiornika wodnego, krzepnięcie wody rozpoczyna się od powierzchni. Lód, który ma gęstość mniejszą niż woda utrzymuje się na powierzchni.

Analiza błędów

Dokładność pomiaru temperatury wynosi 0,1°C. Odczyt temperatury wydaje mi się, iż był prawidłowy, ponieważ temperatura wody w całym naczyńku była równomierna (dzięki mieszadełku).

Natomiast dokładność pomiaru wysokości słupa w kapilarze wynosi 1mm.

7

7.01.2000

dr T. Biernat

Marcin Grześczyk

I rok „bis” - Fizyka

---