Große Enzyklopädie von Öl und Gas. Material vorbereitung. Studienvorbereitung
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- Teilnehmer: Kovalev Pavel Alekseevich
- Leiterin: Schik Galina Jakowlewna
Einführung
Wasser ist nicht nur eines der notwendigsten, sondern auch eines der erstaunlichsten Phänomene auf unserem Planeten. Die Rolle des Wassers bei der Entstehung und Erhaltung des Lebens auf der Erde, bei der chemischen Struktur lebender Organismen, bei der Klima- und Wetterbildung ist äußerst wichtig. Wasser ist der wichtigste Stoff für alle Lebewesen auf der Erde.
Einführung
Der größte Teil der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt (Ozeane, Meere, Seen, Flüsse, Eis). Auf der Erde befinden sich ungefähr 96,5 % des Wassers in den Ozeanen, 1,7 % der weltweiten Reserven sind Grundwasser, weitere 1,7 % befinden sich in den Gletschern und Eiskappen der Antarktis und Grönlands, ein kleiner Teil befindet sich in Flüssen, Seen und Sümpfen und 0,001 % in Wolken, die aus in der Luft schwebenden Eispartikeln und flüssigem Wasser gebildet werden.
Wasser befindet sich unter normalen Bedingungen in einem flüssigen Zustand, aber bei einer Temperatur von 0 ° C verwandelt es sich in einen festen Zustand - Eis und kocht (wird zu Wasserdampf) bei einer Temperatur von 100 ° C.
Bei der Erstellung der Celsius-Temperaturskala wurden die Werte 0 °C und 100 °C entsprechend den Schmelztemperaturen von Eis und kochendem Wasser gewählt.
Eis kommt in der Natur in Form von Eis selbst (Festland, schwimmend, unterirdisch) sowie in Form von Schnee, Raureif, Reif vor. Unter dem Einfluss seines Eigengewichts erhält Eis plastische Eigenschaften und Fließfähigkeit.
Natürliches Eis ist normalerweise viel sauberer als Wasser, denn wenn Wasser kristallisiert, dringen als erste Wassermoleküle in das Gitter ein.
Die gesamten Eisreserven auf der Erde betragen etwa 30 Millionen km³. Die Haupteisreserven konzentrieren sich auf die Polkappen (hauptsächlich in der Antarktis, wo die Dicke der Eisschicht 4 km erreicht).
In den Ozeanen ist das Wasser salzig, was die Eisbildung verhindert, sodass sich Eis nur in polaren und subpolaren Breiten bildet, wo die Winter lang und sehr kalt sind. Einige flache Meere in der gemäßigten Zone frieren zu.
Darüber hinaus gibt es Daten über das Vorhandensein von Eis auf den Planeten des Sonnensystems (z. B. auf dem Mars), ihren Satelliten, auf Zwergplaneten und in den Kernen von Kometen.
Das Studium der Eigenschaften des Wassers ist für die Menschheit notwendig.
Gleichzeitig kann der Prozess der Wasserkristallisation zu Hause sowie im Unterricht in der High School untersucht werden.
Die Relevanz der Arbeit liegt im Einsatz im Physikunterricht, um Schülerinnen und Schülern die Eigenschaften von Wasser bei der Kristallisation näher zu bringen.
Gegenstand der Forschung ist die Kristallisation von Wasser.
Gegenstand der Forschung ist die Untersuchung der Eigenschaften von Wasser während der Kristallisation.
Ziel der Arbeit ist es, Experimente zur Wasserkristallisation durchzuführen und Vorschläge für deren Umsetzung zu erarbeiten.
Die Hauptaufgabe besteht darin, die Eigenschaften von Wasser während der Kristallisation zu untersuchen.
Um die Hauptaufgabe zu lösen, ist Folgendes erforderlich:
Die theoretische Bedeutung der Arbeit liegt in der Systematisierung der grundlegenden Eigenschaften des Wassers und der Bedeutung der Wasserkristallisation für die Flora und Fauna der Erde.
Die praktische Bedeutung der Arbeit ist die Untersuchung des Prozesses der Wasserkristallisation während der Experimente sowie die Ausarbeitung von Vorschlägen zur Durchführung von Experimenten im Klassenzimmer der High School.
1. Vorbereitung auf das Studium
1.1 Analyse der Grundeigenschaften von Wasser
Wasser ist eine der erstaunlichsten Substanzen auf dem Planeten Erde. Sie können Wasser fast überall unter natürlichen Bedingungen sowohl auf der Oberfläche des Planeten als auch in seinen Tiefen in drei möglichen Aggregatzuständen für Substanzen antreffen: flüssig, fest, gasförmig (dh Wasser, Eis, Wasserdampf).
Natürlich gibt es Substanzen, die in flüssiger, fester oder gasförmiger Form gewonnen werden können. Es gibt jedoch keine ähnliche chemische Substanz, die in den oben genannten drei physikalischen Zuständen natürlich vorkommt.
Wassereigenschaften:
- Wasser ist eine Substanz, die keine Farbe, keinen Geruch, keinen Geschmack hat.
- Wasser ist die einzige der Wissenschaft bekannte Substanz auf dem Planeten Erde, die natürlicherweise in drei physikalischen Zuständen vorkommt: fest, flüssig, gasförmig.
- Wasser ist ein universelles Lösungsmittel, das mehr Salze und andere Substanzen lösen kann als jede andere Substanz.
- Wasser ist sehr schwer zu oxidieren. Wasser ist chemisch ziemlich stabil, das heißt, es ist ziemlich problematisch, es in seine Bestandteile zu zerlegen oder zu verbrennen.
- Fast alle natürlichen Metalle können durch Wasser oxidiert werden, und besonders harte Gesteine werden unter seinem Einfluss zerstört.
- Wasser als physikalische Substanz zeichnet sich durch eine große Affinität zu sich selbst aus. Diese Affinität zu Wasser ist die höchste unter allen Flüssigkeiten. Dadurch wird Wasser in Form von kugelförmigen Tropfen auf die Oberfläche aufgebracht, da die Kugel bei gegebenem Volumen die kleinste Oberfläche hat.
- Das Gefrieren von Wasser erfolgt nicht unter den Temperaturbedingungen seiner größten Dichte (bei 4 Grad Celsius), sondern bei null Grad Celsius. Dies sind die Eigenschaften von Süßwasser. Das Gefrieren von Meerwasser tritt jedoch bei niedrigeren Temperaturen auf: minus 1,9 Grad Celsius bei einem Salzgehalt von 35 %.
- Wasser hat eine sehr hohe Wärmekapazität und erwärmt sich gleichzeitig relativ wenig. Außerdem hat Wasser eine ziemlich hohe latente Schmelzwärme (etwa 80 cal/g) sowie eine Verdampfungswärme (etwa 540 cal/g). Wasser kann erhebliche Mengen an zusätzlicher Wärme aufnehmen. Die Temperatur beim Einfrieren oder Kochen bleibt unverändert.
- Destilliertes Wasser leitet praktisch keinen elektrischen Strom, jedoch erhöht das Vorhandensein selbst einer geringen Menge Salze im Wasser seine Leitfähigkeitseigenschaften erheblich.
Schneeeigenschaften:
- Beim Mischen von Salz mit Schnee werden zwei Prozesse beobachtet: die Zerstörung der Kristallstruktur des Salzes, die bei der Aufnahme von Wärme auftritt, und die Hydratation von Ionen. Der letzte Prozess findet mit der Abgabe von Wärme an die Umgebung statt. Bei Speisesalz und Calciumchlorid hat das erste Verfahren Vorrang vor dem zweiten. Wenn also Schnee mit diesen Salzen vermischt wird, wird der Umgebung aktiv Wärme entzogen. Ein weiteres Merkmal von Salzlösungen ist, dass ihr Gefrierpunkt unter 0 Grad liegt. Damit der Schnee auf den Bürgersteigen bei Temperaturen unter 0 Grad schmilzt, wird er mit diesen Salzen bestreut.
- Schnee hat eine erstaunliche Eigenschaft – das Gedächtnis. Er behält den Überblick. Auf den Spuren kannst du zum Beispiel Physik studieren. Je größer das Tier, desto tiefer die Spur von ihm, also desto mehr Druck übt es auf den Schnee aus. Die Spuren eines Hundes sind tiefer als die seiner Welpen. Mäuse, Liebkosungen hinterlässt seichte Linien. Die Natur hat Huftieren die Fähigkeit gegeben, ihre Hufe zu spreizen und ihren Fußabdruck zu vergrößern. Das hilft ihnen im Winter bei der Fortbewegung durch verschneite Wälder und Felder nicht so tief im Schnee einzusinken.
1.2 Bedeutung der Wasserkristallisation für Flora und Fauna
Wir lieben Schnee nicht nur, weil er uns herrliche Winterlandschaften beschert. Es gibt viele rationale Gründe für unsere Liebe zum Schnee. „Schnee auf den Feldern - Brot in den Tonnen“, „Winter ohne Schnee - Sommer ohne Brot“, sagen alte russische Sprichwörter zu Recht. Die Schneedecke ist ein enormer Feuchtigkeitsspender, der für die Felder so notwendig ist, gleichzeitig ist sie eine Art riesige Decke, die die Erdoberfläche vor kalten Winden schützt. Der Akademiker B. I. Vernadsky betonte, dass die Schneedecke „nicht nur ein warmer Reifen für Wintergetreide, sondern ein lebensspendender Reifen“ ist und im Frühjahr mit Sauerstoff gesättigtes Schmelzwasser produziert. Es ist bekannt, dass die Menge an stickstoffhaltigen Verbindungen im Boden im Sommer proportional zur Höhe der gefallenen Schneedecke ist. Kein Wunder, dass die Schneegewinnung heute als eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Erzielung hoher und stabiler Erträge gilt.
Schneereserven beeinflussen maßgeblich den Wasserstand in Flüssen, bestimmen großflächig den Klimawandel.
Außerdem ist Schnee ein guter Baustoff für verschiedene Gebäude im Norden – von Iglus (Eskimo-Behausungen) bis hin zu großen Lagerhallen. Im schwedischen Lappland, 200 Kilometer vom Polarkreis entfernt, befindet sich das größte Hotel der Welt, das vollständig aus Eis und Schnee besteht.
Es dient als Grundlage für Winterstraßen und sogar Flugplätze.
Dank des Schnees bewundern wir jedes Jahr fabelhafte Winterlandschaften, spielen Schneebälle, bauen verschneite Städte, Festungen, fahren Ski, Schlitten, ein wunderbarer Neujahrsurlaub kommt zu uns in Schneeausrüstung.
Der Wert von Eis ist kaum zu unterschätzen. Eis hat einen großen Einfluss auf die Lebensbedingungen und das Leben von Pflanzen und Tieren, auf verschiedene Arten menschlicher Wirtschaftstätigkeit. Eis, das das Wasser von oben bedeckt, spielt in der Natur die Rolle einer Art schwimmendem Schirm, der Flüsse und Stauseen vor dem weiteren Zufrieren schützt und das Leben der Unterwasserwelt erhält. Wenn die Dichte des Wassers beim Gefrieren zunimmt, würde Eis schwerer als Wasser sein und zu sinken beginnen, was zum Tod aller Lebewesen in Flüssen, Seen und Ozeanen führen würde, die vollständig gefrieren würden, sich in Eisblöcke verwandeln würden und die Die Erde würde zu einer Eiswüste werden, was unvermeidlich zum Tod aller Lebewesen führen würde.
Eis kann eine Reihe von Naturkatastrophen mit schädlichen und zerstörerischen Folgen verursachen - Vereisung von Flugzeugen, Schiffen, Bauwerken, Straßenbetten und Böden, Hagel, Schneestürme und Schneeverwehungen, Flussstaus mit Überschwemmungen, Eiserdrutsche usw kühle Lebensmittel, biologische und medizinische Präparate, für die es speziell hergestellt und geerntet wird.
1.3 Auswahl und Begründung von Experimenten für die Forschung
Um Experimente mit Wasser durchzuführen, müssen diejenigen ausgewählt werden, die die Eigenschaften von Wasser am vollständigsten charakterisieren und bestätigen.
Die durchgeführte Analyse zeigte, dass dies am besten implementiert werden würde, wenn die folgenden Experimente durchgeführt würden:
- Einfrierendes Salzwasser.
- Die Ausdehnung von Wasser beim Gefrieren.
- Einfrieren von Flüssigkeiten unter äußerer Einwirkung von Schnee.
- Seifenblasen einfrieren.
- Eiszapfenwachstum.
- Das Knirschen von trockenem Schnee.
- Einfrieren an der Oberfläche.
2. Recherche durchführen
2.1 Vorbereitung des materiellen Teils
Für die Experimente wurden genommen:
- Gegenstände - ein Topf, eine Glasflasche, eine Plastikflasche, Einweggläser, dünner Kupferdraht, eine Röhre;
- Substanzen - Schnee, Eiszapfen, Salz, Wasser, Seifenlösung, Saft.
2.2 Versuchsdurchführung mit Beschreibung der Hauptergebnisse
1. Einfrieren von Salzwasser.
Gießen Sie Wasser in zwei Formen - sauber und sehr salzig. Die Förmchen kalt herausnehmen oder ins Gefrierfach stellen. Sie werden feststellen, dass sich reines Süßwasser in Eis verwandelt hat und Salzwasser bei sehr starkem Frost gefriert.
Das Gefrieren von Wasser erfolgt nicht unter den Temperaturbedingungen seiner größten Dichte (bei 4 Grad Celsius), sondern bei null Grad Celsius. Dies sind die Eigenschaften von Süßwasser.
Gleichzeitig unterscheidet sich Meereis in vielerlei Hinsicht von Süßwasser. Bei Salzwasser sinkt der Gefrierpunkt mit zunehmendem Salzgehalt. Im Salzgehaltsbereich von 30 bis 35 ppm variiert der Gefrierpunkt von -1,6 bis -1,9 Grad. Die Bildung von Meereis kann als Gefrieren von Süßwasser angesehen werden, wobei Salze in Meerwasserzellen innerhalb der Eismasse verdrängt werden. Wenn die Temperatur den Gefrierpunkt erreicht, bilden sich Eiskristalle und „umhüllen“ das ungefrorene Wasser.
2. Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren.
Füllen Sie einen Plastikbecher, eine Plastikflasche und eine Glasflasche mit Wasser. Setzen Sie sie in die Kälte. Gefrieren, Wasser nimmt an Volumen zu, „kriecht“ aus dem Glas, zerbricht die Glasflasche auch bei halber Füllung. Die Plastikflasche bleibt unverändert.
Gefrorenes Wasser hat einzigartige Ausdehnungseigenschaften. Dank dieser Eigenschaften schwimmt Eis auf Wasser, das in Form einer Flüssigkeit vorliegt.
Im Winter kommt es aufgrund dieser Eigenschaft des Wassers zu Unfällen an Wasserleitungen. Bei starkem Frost ist die Hauptursache für solche Unfälle das Einfrieren von fließendem Wasser. Es dehnt sich aus, so dass das resultierende Eis die Rohre leicht bricht, da die Dichte von Eis 917 kg / m3 und die Dichte von Wasser 1000 kg / m3 beträgt, dh das Volumen nimmt um das 1,1-fache zu, was ziemlich signifikant ist.
3. Einfrieren von Flüssigkeit unter äußerem Einfluss von Schnee.
Gießen Sie den Saft in ein Plastikglas (Reagenzglas) und geben Sie ihn in eine Pfanne mit salzigem Schnee. Der Saft gefriert und Sie werden sehr bald Eis am Stiel genießen.
Beim Mischen von Salz mit Schnee wird die Kristallstruktur des Salzes zerstört, was durch die Aufnahme von Wärme entsteht. Wenn also Schnee mit Salz gemischt wird, wird dem Saft aktiv Wärme entzogen und der Saft verwandelt sich in Eis.
4. Einfrieren von Seifenblasen.
Bereite eine Seifenlösung vor. Bewahren Sie die Lösung in einem Fäustling in der Kälte auf, damit sie nicht gefriert. Bläschen mit einem Safthalm. Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen dem Inneren der Blase und der Außenseite entsteht eine große Auftriebskraft, die die Blasen sofort nach oben trägt. Ein dünner Seifenfilm gefriert bei Kälte schnell und verwandelt die Bläschen in Eiskugeln.
So gefriert der dünnste Film einer Seifenblase in Sekundenschnelle.
5. Verschmelzung von Eiszapfen.
Nimm einen Eiszapfen. Werfen Sie einen dünnen Draht durch, dessen Enden mit Gewichten beschwert sind. Beobachten Sie, wie der Draht das Eis schmilzt, tiefer in den Eiszapfen eindringt. Das Wasser über dem Eiszapfen gefriert wieder.
Dies bestätigt die Eigenschaft der Wärmeaufnahme durch eine größere Eismasse.
Eis wächst von unten, knapp über dem Draht, da das herabfließende Schmelzwasser gefriert, wenn es mit den kalten Wänden des Eiszapfens in Kontakt kommt.
6. Knarren von trockenem Schnee.
Kristallzucker in eine Schüssel geben und mit einem Löffel zerdrücken. Sie hören ein charakteristisches Knarren. Befeuchten Sie den Sand und reiben Sie erneut. Das Knarren ist weg. An frostigen Tagen legt Schall weite Strecken zurück.
Schnee knarrt nur, wenn es kalt ist (unter -5 °C), und das Geräusch des Knarrens ändert sich je nach Lufttemperatur - je härter der Frost, desto höher der Ton des Knarrens. Mit genügend Erfahrung können Sie die Lufttemperatur anhand des knarrenden Schneegeräusches abschätzen. Das Knarren entsteht dadurch, dass unter Druck kleinste Schneekristalle zerstört werden. Außerdem sind sie einzeln sehr klein, um einen Ton für das menschliche Ohr zugänglich zu machen, aber zusammen brechen sie ziemlich laut. Zunehmender Frost macht die Eiskristalle härter und spröder. Bei jedem Schritt brechen die Eisnadeln. Bei Temperaturen unter -50°C wird das Knirschen des Schnees so stark, dass es durch die Dreifachscheiben zu hören ist (dies wird auch durch die hohe Dichte der frostigen Luft begünstigt).
7. Einfrieren an der Oberfläche.
Salz mit Schnee in einem Verhältnis von etwa 1 zu 6 in die Pfanne geben. Rühren Sie die Mischung gründlich um. Wenn Sie nun die Pfanne umstellen wollen, dann muss sie samt Hocker hochgehoben werden.
Es bestätigt auch die Aufnahme von Wärme aus der Umgebung.
Wenn Salz mit Schnee vermischt wird, entsteht eine Lösung, begleitet von einer starken Abkühlung aufgrund der großen Wärmeaufnahme des Eises während seines Schmelzens und des Salzes während seiner Auflösung. So sinkt beispielsweise die Temperatur einer Mischung aus 29 Gramm Salz und 100 Gramm Eis auf -21 °C. Und wenn Sie 143 Gramm Salz und 100 Gramm Eis nehmen, kann die Temperatur auf -55 °C gesenkt werden.
2.3 Versuchsvorschläge
Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften von Wasser sollten im Unterricht in Sekundar- und Grundschulen durchgeführt werden.
Für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe besteht die Möglichkeit, die Versuche Nr. 3, 6 und 7 im Unterricht unter Anleitung eines Lehrers und die Versuche Nr. 4 und 5 - wahlweise oder selbstständig zu Hause - durchzuführen.
Fazit
Daher ist das Studium der Eigenschaften des Wassers für die Menschheit notwendig.
Der Prozess der Wasserkristallisation kann sowohl zu Hause als auch im Unterricht in Sekundar- und Grundschulen studiert werden.
Folgende Aufgaben wurden in der Arbeit gelöst:
- Führen Sie eine Analyse der grundlegenden Eigenschaften von Wasser durch.
- Untersuchung der Bedeutung der Wasserkristallisation für die Flora und Fauna der Erde.
- Bestimmen Sie die wichtigsten Experimente für die Studie.
- Führen Sie Experimente durch und beschreiben Sie die wichtigsten Ergebnisse.
- Bereiten Sie Vorschläge für die Durchführung von Experimenten im Klassenzimmer der High School vor.
Die Bedeutung der Arbeiten zur Systematisierung der Haupteigenschaften des Wassers und die Bedeutung der Wasserkristallisation für die Flora und Fauna der Erde wurde bestätigt.
Man nennt den Übergang eines Stoffes von einem festen kristallinen Zustand in einen flüssigen Zustand schmelzen. Um einen festen kristallinen Körper zu schmelzen, muss er auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, dh Wärme zugeführt werden.Man nennt die Temperatur, bei der ein Stoff schmilztder Schmelzpunkt der Substanz.
Der umgekehrte Vorgang – der Übergang von einem flüssigen in einen festen Zustand – findet statt, wenn die Temperatur sinkt, d. h. Wärme wird entfernt. Man nennt den Übergang eines Stoffes von einem flüssigen in einen festen ZustandHärten , oder KristallLyse . Man nennt die Temperatur, bei der ein Stoff kristallisiertKristalltemperaturgen .
Erfahrungsgemäß kristallisiert und schmilzt jede Substanz bei gleicher Temperatur.
Die Abbildung zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der Temperatur eines kristallinen Körpers (Eis) von der Heizzeit (vom Punkt ABER auf den Punkt D) und Abkühlzeit (ab Punkt D auf den Punkt K). Es zeigt die Zeit auf der horizontalen Achse und die Temperatur auf der vertikalen Achse.
Aus der Grafik ist ersichtlich, dass die Beobachtung des Prozesses ab dem Moment begann, als die Temperatur des Eises -40 ° C betrug, oder, wie sie sagen, die Temperatur zum Anfangszeitpunkt tfrühzeitig= -40 °С (Punkt ABER auf der Karte). Bei weiterer Erwärmung steigt die Temperatur des Eises (in der Grafik ist dies die Fläche AB). Die Temperatur steigt auf 0 °C, den Schmelzpunkt von Eis. Bei 0°C beginnt Eis zu schmelzen und seine Temperatur steigt nicht mehr an. Während der gesamten Schmelzzeit (also bis das gesamte Eis geschmolzen ist) ändert sich die Temperatur des Eises nicht, obwohl der Brenner weiter brennt und somit Wärme zugeführt wird. Der Schmelzvorgang entspricht dem horizontalen Abschnitt des Diagramms Sonne . Erst nachdem alles Eis geschmolzen und zu Wasser geworden ist, beginnt die Temperatur wieder zu steigen (Abschn CD). Nachdem die Wassertemperatur +40 ° C erreicht hat, wird der Brenner gelöscht und das Wasser beginnt abzukühlen, d. H. Wärme wird entfernt (dazu kann ein Gefäß mit Wasser in ein anderes, größeres Gefäß mit Eis gestellt werden). Die Wassertemperatur beginnt zu sinken (Abschn DE). Wenn die Temperatur 0 °C erreicht, hört die Temperatur des Wassers auf zu sinken, obwohl noch Wärme abgeführt wird. Dies ist der Prozess der Kristallisation von Wasser - die Bildung von Eis (horizontaler Schnitt EF). Bis das gesamte Wasser zu Eis wird, ändert sich die Temperatur nicht. Erst danach beginnt die Temperatur des Eises zu sinken (Abschn FK).
Die Ansicht des betrachteten Graphen wird wie folgt erläutert. Standort an AB Durch den Wärmeeintrag erhöht sich die durchschnittliche kinetische Energie der Eismoleküle und ihre Temperatur steigt. Standort an Sonne Die gesamte Energie, die der Inhalt des Kolbens aufnimmt, wird für die Zerstörung des Kristallgitters von Eis aufgewendet: Die geordnete räumliche Anordnung seiner Moleküle wird durch eine ungeordnete ersetzt, der Abstand zwischen den Molekülen ändert sich, d.h. Moleküle werden so umgeordnet, dass der Stoff flüssig wird. Die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle ändert sich nicht, die Temperatur bleibt also unverändert. Eine weitere Erhöhung der Temperatur von geschmolzenem Eiswasser (in der Gegend CD) bedeutet eine Erhöhung der kinetischen Energie von Wassermolekülen aufgrund der vom Brenner zugeführten Wärme.
Beim Kühlen von Wasser (Abschnitt DE) wird ihm ein Teil der Energie entzogen, Wassermoleküle bewegen sich mit geringerer Geschwindigkeit, ihre durchschnittliche kinetische Energie sinkt - die Temperatur sinkt, das Wasser kühlt ab. Bei 0°C (Horizontalschnitt EF) Moleküle beginnen sich in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen und bilden ein Kristallgitter. Bis dieser Vorgang abgeschlossen ist, ändert sich die Temperatur des Stoffes trotz der abgeführten Wärme nicht, wodurch die Flüssigkeit (Wasser) beim Erstarren Energie freisetzt. Genau diese Energie nahm das Eis auf und verwandelte sich in eine Flüssigkeit (Abschnitt Sonne). Die innere Energie einer Flüssigkeit ist größer als die eines Festkörpers. Während des Schmelzens (und Kristallisierens) ändert sich die innere Energie des Körpers schlagartig.
Metalle, die bei Temperaturen über 1650 ° C schmelzen, werden genannt feuerfest(Titan, Chrom, Molybdän usw.). Wolfram hat unter ihnen den höchsten Schmelzpunkt - etwa 3400 ° C. Refraktärmetalle und ihre Verbindungen werden als hitzebeständige Werkstoffe in der Flugzeug-, Raketen- und Raumfahrttechnik sowie der Atomkraft eingesetzt.
Wir betonen noch einmal, dass der Stoff beim Schmelzen Energie aufnimmt. Bei der Kristallisation hingegen gibt es es an die Umgebung ab. Durch die Aufnahme einer bestimmten Menge an Wärme, die während der Kristallisation freigesetzt wird, erwärmt sich das Medium. Das ist vielen Vögeln bekannt. Kein Wunder, dass sie im Winter bei frostigem Wetter auf dem Eis sitzen, das Flüsse und Seen bedeckt. Durch die Energiefreisetzung bei der Eisbildung wird die Luft darüber um einige Grad wärmer als im Wald an den Bäumen, was Vögel ausnutzen.
Schmelzen von amorphen Stoffen.
Das Vorhandensein eines bestimmten Schmelzpunkte ist ein wichtiges Merkmal kristalliner Substanzen. Auf dieser Grundlage können sie leicht von amorphen Körpern unterschieden werden, die ebenfalls als Festkörper klassifiziert werden. Dazu gehören insbesondere Glas, sehr viskose Harze und Kunststoffe.
Amorphe Substanzen(anders als kristallin) haben keinen bestimmten Schmelzpunkt - sie schmelzen nicht, sondern erweichen. Beim Erhitzen wird beispielsweise ein Stück Glas erst weich von hart, es lässt sich leicht biegen oder dehnen; bei einer höheren Temperatur beginnt das Stück seine Form unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft zu verändern. Beim Erhitzen nimmt die dickflüssige Masse die Form des Gefäßes an, in dem sie liegt. Diese Masse ist zunächst dick wie Honig, dann wie Sauerrahm und wird schließlich fast so dünnflüssig wie Wasser. Eine konkrete Temperatur für den Übergang eines Feststoffs in eine Flüssigkeit kann hier jedoch nicht angegeben werden, da sie nicht existiert.
Die Gründe dafür liegen in dem grundsätzlichen Unterschied zwischen der Struktur amorpher Körper und der Struktur kristalliner. Atome in amorphen Körpern sind zufällig angeordnet. Amorphe Körper ähneln in ihrer Struktur Flüssigkeiten. Bereits in massivem Glas sind die Atome zufällig angeordnet. Das bedeutet, dass eine Erhöhung der Temperatur des Glases nur den Schwingungsbereich seiner Moleküle vergrößert, ihnen nach und nach immer mehr Bewegungsfreiheit gibt. Daher erweicht das Glas allmählich und zeigt nicht den scharfen "Fest-Flüssig"-Übergang, der für den Übergang von einer Anordnung von Molekülen in einer strikten Ordnung zu einer ungeordneten charakteristisch ist.
Schmelzende Hitze.
Schmelzende Hitze- Dies ist die Wärmemenge, die einem Stoff bei konstantem Druck und einer konstanten Temperatur gleich dem Schmelzpunkt zugeführt werden muss, um ihn vollständig von einem festen kristallinen Zustand in einen flüssigen zu überführen. Die Schmelzwärme ist gleich der Wärmemenge, die bei der Kristallisation eines Stoffes aus einem flüssigen Zustand freigesetzt wird. Während des Schmelzens wird die gesamte der Substanz zugeführte Wärme verwendet, um die potenzielle Energie ihrer Moleküle zu erhöhen. Die kinetische Energie ändert sich nicht, da das Schmelzen bei konstanter Temperatur erfolgt.
Wenn man experimentell das Schmelzen verschiedener Substanzen derselben Masse untersucht, kann man feststellen, dass unterschiedliche Wärmemengen erforderlich sind, um sie in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Um beispielsweise ein Kilogramm Eis zu schmelzen, müssen Sie 332 J Energie aufwenden, und um 1 kg Blei zu schmelzen, 25 kJ.
Die vom Körper abgegebene Wärmemenge wird als negativ angesehen. Daher bei der Berechnung der Wärmemenge, die bei der Kristallisation eines Stoffes mit einer Masse freigesetzt wird m, sollten Sie dieselbe Formel verwenden, jedoch mit einem Minuszeichen:
Verbrennungswärme.
Verbrennungswärme(oder Heizwert, Kalorien) ist die Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung von Kraftstoff freigesetzt wird.
Zur Erwärmung von Körpern wird häufig die bei der Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Energie genutzt. Herkömmlicher Kraftstoff (Kohle, Öl, Benzin) enthält Kohlenstoff. Während der Verbrennung verbinden sich Kohlenstoffatome mit Sauerstoffatomen in der Luft, was zur Bildung von Kohlendioxidmolekülen führt. Die kinetische Energie dieser Moleküle erweist sich als größer als die der Ausgangsteilchen. Die Erhöhung der kinetischen Energie von Molekülen während der Verbrennung wird als Energiefreisetzung bezeichnet. Die bei der vollständigen Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Energie ist die Verbrennungswärme dieses Kraftstoffs.
Die Verbrennungswärme von Kraftstoff hängt von der Art des Kraftstoffs und seiner Masse ab. Je größer die Masse des Kraftstoffs ist, desto größer ist die Wärmemenge, die bei seiner vollständigen Verbrennung freigesetzt wird.
Man nennt die physikalische Größe, die angibt, wie viel Wärme bei der vollständigen Verbrennung von 1 kg schwerem Kraftstoff freigesetzt wird spezifische Verbrennungswärme von Kraftstoff.Die spezifische Verbrennungswärme wird mit dem Buchstaben bezeichnetqund wird in Joule pro Kilogramm (J/kg) gemessen.
Wärmemenge Q bei der Verbrennung freigesetzt m kg Kraftstoff wird durch die Formel bestimmt:
Um die bei der vollständigen Verbrennung eines Brennstoffs beliebiger Masse freigesetzte Wärmemenge zu ermitteln, ist es notwendig, die spezifische Verbrennungswärme dieses Brennstoffs mit seiner Masse zu multiplizieren.
Der Prozess der Umwandlung, oder besser gesagt, der Übergang eines Stoffes von einem flüssigen Stoff in einen festen Zustand wird als bezeichnet Kristallisation. Das auffälligste Beispiel für eine solche chemische Reaktion ist Eis. Das Ergebnis des Prozesses wird Kristall genannt.
Um den Prozess zu starten, muss in der Lösung, an der das Experiment durchgeführt wird, ein Zustand der Übersättigung erzeugt werden. Der Phasenübergang einer Flüssigkeit verläuft wie folgt:
- Flüssigkeitstemperatur ändert sich.
- Ein Teil des Lösungsmittels wird entfernt.
- Es gibt eine Kombination der beiden vorherigen Schritte.
- Aus den entstehenden Schmelzen erfolgt der Prozess der Kristallisation.
Kristallisation und Verfahren zur Gewinnung von Kristallen aus einer Flüssigkeit
Es gibt zwei Kristallisationsverfahren: isotherm und polythermal.
Bei der ersten Methode wird die Lösung intensiv gekühlt, während Kristalle auszufallen beginnen und die Menge an Lösungsmittelflüssigkeit gleich bleibt.
Bei der isothermen Kristallisation entstehen Kristalle durch Verdampfung. Der Prozess hat seinen Namen, weil die gesamte Reaktion bei einer konstanten Temperatur stattfindet, die dem Siedepunkt der Lösung entspricht. In der Praxis werden beide Verfahren gemeinsam eingesetzt. Dabei verdampft ein Teil des Lösungsmittels durch Sieden, während gleichzeitig die Flüssigkeit abgekühlt wird.
Eine weitere Möglichkeit ist die Kristallisation, bei der der Lösung Substanzen zugesetzt werden, die ein gutes Wasseraufnahmevermögen besitzen und die Auflösungsanfälligkeit des in der Flüssigkeit enthaltenen Salzes verringern. Eine Variante dieser Entwicklung von Ereignissen wird Aussalzen genannt. Dabei kommen Medikamente zum Einsatz, die „Wasser binden“ können (dadurch wird Natriumsulfat auskristallisiert, dabei wird Ammoniak oder Alkohol zugesetzt) oder sie haben das gleiche Ion wie das verwendete Salz. Ein Beispiel ist eine chemische Reaktion, die auf die Kristallisation von Kupfersulfat oder Natriumchlorid abzielt.
Um einen Kristall zu züchten, beginnt man mit einem kleinen Teilchen, das als "Samen" bezeichnet wird. Mit anderen Worten, es ist eine Art Zentrum, um das sich im Laufe einer chemischen Reaktion ein Kristall zu bilden beginnt. In diesem Fall laufen der Vorgang der Keimbildung und der Kristallisationsvorgang selbst gleichzeitig ab. Ist dies beispielsweise nicht der Fall, bilden sich Keime schneller, es treten viele zu kleine Kristalle auf, im umgekehrten Fall sind es wenige, dafür aber größere.
Dank dieser Eigenschaft ist es möglich, die Menge und Geschwindigkeit, mit der die Kristallisation auftritt, zu steuern. Dies geschieht durch folgende Faktoren:
- Die Lösung muss schnell abgekühlt werden.
- Flüssigkeiten können nicht ruhen.
- Sie brauchen eine höhere Temperatur.
- Das Molekulargewicht der Kristalle sollte niedrig sein.
Alle oben genannten Nuancen tragen dadurch zum Erscheinungsbild von Produkten mit kleinem Kaliber bei, um größere Kristalle zu erhalten, ist Folgendes erforderlich:
- Langsame Abkühlung.
- Flüssigkeit in Ruhe.
- Deutlich niedrigere Temperatur.
- Hohes Molekulargewicht.
Um den Moment zu erleichtern, in dem sich die Keime zu bilden beginnen, werden Elemente einer kristallinen Substanz in Form eines fein verteilten Pulvers in die Lösung eingebracht. In diesem Fall erfolgt der Kristallisationsprozess selbst aufgrund der anschließenden Einführung von Partikeln desselben Elements. Die Menge der eingebrachten Substanz hängt von der Größe des gewünschten Kristalls ab, beispielsweise wird für einen größeren eine kleine Menge Impfmaterial verwendet.
Die Größe der Kristalle ist wichtig für ihre Weiterverarbeitung, zum Beispiel können große Kristalle beim Waschen und Filtrieren viel Feuchtigkeit abgeben. Sie trocknen schneller, setzen sich ab und sind leichter zu filtern.
Da der Hauptzweck der Kristallisation darin besteht, die Endsubstanz idealerweise rein und ohne Verunreinigungen zu erhalten, werden die resultierenden Kristalle normalerweise Umkristallisationsprozessen unterzogen, bei denen überschüssige Verunreinigungen entfernt und wiederholt gewaschen und getrocknet werden.
Die Kristallisationstemperatur von Wasser in diesem Zeitraum entspricht dem Druck pp. Es kommt zu einer Verschiebung des Phasengleichgewichts und ein Teil des nicht gefrierenden Wassers wird zu Eis. Das System nimmt wieder vorübergehend einen Zustand an, der bei einer bestimmten Temperatur stabil ist (Abschnitt 5 - 6), dann wird der Vorgang wiederholt t (Abschnitt 6 - 7), aber der Druckwert p sinkt auf den Wert p und bleibt konstant. Dies zeigt die Beendigung des Relaxationsprozesses an.
Bei der Bestimmung der Kristallisationstemperatur von Wasser und Salzlösung muss eine Unterkühlung vermieden werden.
Bei Unterdruck sollte die Kristallisationstemperatur von Wasser ansteigen, aber für die erreichten Spannungen ist die Temperaturverschiebung vernachlässigbar. Außerdem hat für andere Substanzen die auf das Flüssigkristallgleichgewicht bezogene Ableitung dTldps das entgegengesetzte Vorzeichen. Bei reinen Substanzen gibt es keine besonderen Vorkristallisationsphänomene, daher kann eine Abnahme der Festigkeit durch den Einfluss von Verunreinigungen verursacht werden, beispielsweise durch die Freisetzung von Gasblasen.
In dieser Arbeit ist die höchste Temperatur die Kristallisationstemperatur von Wasser. Zur Justierung wird das Thermometer in ein Porzellanglas mit einer Mischung aus zerstoßenem Eis und destilliertem Wasser gestellt. Der Quecksilberspiegel in der Kapillare sollte innerhalb der Grenzen der Divisionen 3 5 - 4 5 deg liegen.
Der Kampf gegen das Gefrieren von Waren durch die Verwendung von Prophylaxemitteln in Form von Additiven oder deren Beschichtung der Innenflächen von Autos kann durch das Auffinden von Substanzen erfolgen, die die Kristallisationstemperatur von Wasser senken, die Auswahl von oberflächenaktiven hydrophoben Substanzen und die Verringerung des Dispersionsgrades von Materialien, die dem Gefrieren ausgesetzt sind. Bei der Auswahl von vorbeugenden Maßnahmen ist die Hauptbedingung, dass die verwendeten Reagenzien eine hohe chemische Affinität zu den Partikeln des Materials im Vergleich zur chemischen Affinität von Wasser dazu haben müssen. Hydrophobe Substanzen sind Substanzen, die keine chemische Affinität zu Wasser haben.
Das Rohr (Rohr) mit geschweißten Stopfen wird mit Wasser gefüllt und unter natürlichen Bedingungen oder in Kühlaggregaten gekühlt. Bei der Kristallisationstemperatur von Wasser kommt es zu einer Volumenzunahme und dadurch zu Spannungen in der Rohrwand. Der Spannungswert wird durch die eingefüllte Wassermenge gesteuert. Solche Rohrprüfungen erfordern keine spezielle Ausrüstung und sind praktisch sicher. Ein Riss in einem solchen Rohr breitet sich in einem konstanten Spannungsfeld hauptsächlich aufgrund der Energie der elastischen Verformung der Wand aus. Es sind diese Zerstörungen, die typisch für Lawinenzerstörung von echten Gaspipelines sind. Darüber hinaus eröffnet es die Möglichkeit, durch die Verwendung eines speziellen Konuseinsatzes, der im Inneren des Rohres installiert wird, eine Wechselbeanspruchung entlang der Rohrlänge zu erzeugen. Auf diese Weise können Sie die Werte kritischer Spannungen in der Wand festlegen, um die Einleitung der Rissinitiierung zu starten und die Ausbreitung des Risses in allen offensichtlich festen Zonen der geschweißten Rohrverbindung zu stoppen.
Die Hauptrolle beim Auftreten von Vergaservereisung spielen die atmosphärischen Bedingungen, und das verwendete Benzin beeinflusst den Kühlgrad des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Dem Benzin können jedoch Vereisungsschutzadditive zugesetzt werden, die entweder die Kristallisationstemperatur von Wasser senken oder durch oberflächenaktive Eigenschaften verhindern, dass sich Eis auf Vergaserteilen absetzt.
Notieren Sie die Thermometerwerte für 4 min alle 20 s unter gelegentlichem Rühren. Markieren Sie in der Grafik die Temperatur, bei der das Auftreten der ersten Eiskristalle beobachtet wird - dies ist die Kristallisationstemperatur von Wasser. Manchmal ist das Wasser unterkühlt, und wenn Eis erscheint, steigt seine Temperatur leicht an und beginnt dann wieder zu fallen.
In diesem Fall steigt die Temperatur des Wassers, wenn Eis auftritt. Die Kristallisationstemperatur von Wasser sollte als die Temperatur angesehen werden, die sich nach einem solchen Sprung einstellt. Dazu das Reagenzglas aus dem Gerät nehmen, mit der Hand erhitzen, bis sich die Eiskristalle auflösen.
Kurve 0B drückt das Gleichgewicht in einem zweiphasigen Wasser-Eis-System aus. Bei Atmosphärendruck stellt sich dieses Gleichgewicht bekanntlich bei einer Temperatur von 0°C ein. Da Wasser bei der Kristallisation an Volumen zunimmt, fördert eine Druckerhöhung nach dem Le-Chatelier-Prinzip das Schmelzen von Eis und senkt die Kristallisationstemperatur von Wasser. Am Punkt O schneiden sich alle drei Kurven, was das Gleichgewicht in diesen Zweiphasensystemen charakterisiert. Dieser Punkt entspricht dem Gleichgewicht zwischen allen drei Phasen: Eis - Wasser - Dampf und wird Tripelpunkt genannt.
Physikalische Methoden - thermisch (Kochen), Destillation und Gefrieren. Salze mit vorübergehender Härte thermisch entfernen. Destilliertes Wasser, das keine Salze enthält, wird durch Destillation in speziellen Destillationsanlagen gewonnen. Das Gefrieren basiert auf der Differenz zwischen den Kristallisationstemperaturen von Wasser und Verunreinigungen.
Wasser ist nicht nur eines der notwendigsten, sondern auch eines der erstaunlichsten Phänomene auf unserem Planeten.
Es ist bekannt, dass praktisch alle Stoffe natürlichen oder künstlichen Ursprungs in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen können und diese je nach Umweltbedingungen verändern. Und obwohl Wissenschaftler mehr als ein Dutzend Phasenzustände kennen, von denen einige nur im Labor erhalten werden können, kommen in der Natur am häufigsten nur drei solcher Zustände vor: flüssig, fest und gasförmig. Wasser kann sich in allen drei Zuständen befinden und unter natürlichen Bedingungen von einem in den anderen übergehen.
Wasser in seinem flüssigen Zustand hat lose gebundene Moleküle, die in ständiger Bewegung sind und versuchen, sich zu einer Struktur zusammenzuballen, was aber aufgrund der Hitze nicht gelingt. In dieser Form kann Wasser absolut jede Form annehmen, ist aber nicht in der Lage, sie alleine zu halten. Beim Erhitzen beginnen sich die Moleküle viel schneller zu bewegen, sie entfernen sich voneinander, und wenn das Wasser allmählich in einen gasförmigen Zustand übergeht, dh in Wasserdampf übergeht, lösen sich die Bindungen zwischen den Molekülen schließlich auf. Wenn Wasser niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, verlangsamt sich die Bewegung von Molekülen stark, molekulare Bindungen werden sehr stark und Moleküle, die nicht mehr durch Hitze gestört werden, werden zu einem Kristall angeordnet 
Sechseckige Struktur. Wir alle haben ähnliche Sechsecke gesehen, die in Form von Schneeflocken zu Boden fielen. Der Prozess der Umwandlung von Wasser in Eis wird als Kristallisation oder Erstarrung bezeichnet. Im festen Zustand kann Wasser jede Form, die es annimmt, für lange Zeit beibehalten.
Der Prozess der Kristallisation von Wasser beginnt bei einer Temperatur von 0 Grad Celsius, die 100 Einheiten hat. Dieses Messsystem wird in vielen europäischen Ländern und in der GUS verwendet. In Amerika wird die Temperatur mit der Fahrenheit-Skala gemessen, die 180 Unterteilungen hat. Durch sie gelangt Wasser bei 32 Grad von einem flüssigen in einen festen Zustand.
Allerdings gefriert Wasser bei diesen Temperaturen nicht immer, daher kann sehr reines Wasser auf eine Temperatur von -40 °C unterkühlt werden und gefriert nicht. Tatsache ist, dass in sehr reinem Wasser keine Verunreinigungen vorhanden sind, die als Grundlage für den Aufbau einer kristallinen Struktur dienen. Verunreinigungen, an denen Moleküle anhaften, können Staubpartikel, gelöste Salze usw. sein.
Eine Eigenschaft von Wasser ist die Tatsache, dass andere Stoffe beim Gefrieren komprimiert werden, es sich jedoch ausdehnt, wenn es sich in Eis verwandelt. Dies geschieht, weil beim Übergang von Wasser vom flüssigen in den festen Zustand der Abstand zwischen seinen Molekülen leicht zunimmt. Und da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat, schwimmt es auf seiner Oberfläche.
Apropos Gefrieren von Wasser, man darf nicht umhin, die interessante Tatsache zu erwähnen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, so paradox es auch klingen mag. Dieses Phänomen war bereits zur Zeit von Aristoteles bekannt, aber weder der berühmte Philosoph noch seine Anhänger schafften es, dieses Geheimnis zu lüften, und das Phänomen geriet für viele Jahre in Vergessenheit. Erst 1963 kam man wieder darüber ins Gespräch, als Erasto Mpemba, ein Student aus Tansania, bemerkte, dass bei der Herstellung von Speiseeis eine Delikatesse aus erwärmter Milch schneller hart wird. Der Junge erzählte das seinem Physiklehrer, aber der lachte ihn aus. Erst 1969, nach einem Treffen mit dem Physikprofessor Dennis Osborne, konnte der junge Mann nach gemeinsam durchgeführten Experimenten eine Bestätigung seiner Vermutung finden. Seitdem wurden viele Hypothesen zu diesem Phänomen aufgestellt, zum Beispiel, dass heißes Wasser aufgrund seiner schnellen Verdunstung schneller gefriert, was zu einer Verringerung des Wasservolumens und damit zu einer schnelleren Verfestigung führt. Aber keiner von ihnen konnte die Natur dieses Phänomens nicht erklären.
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Alexandra
24.08.2017 12:05
11.03.2015 21:11
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