Anomalia termica a apei

Anomalia termica a apei

Bine ati venit in lumea fascinanta a anormaliilor termice ale apei! Experimentul nostru Anomalia termica a apei va aduce in fata unei proprietati uimitoare a apei: densitatea sa are o anormalie termica. Pana la o temperatura de 4 °C, apa are un coeficient de expansiune negativ, adica se contracta cand este incalzita. Dupa ce trece prin zero la 4 °C, coeficientul de expansiune devine pozitiv. Astfel, densitatea apei atinge un maxim la 4 °C.

Scopul experimentului nostru este de a verifica aceasta anomalie termica a apei prin masurarea expansiunii sale intr-un vas cu un tub capilar. Pornind de la temperatura camerei, intreaga configuratie este racita intr-un baie de gheata pana la aproximativ 1 °C sub agitatie constanta, sau dupa racirea intr-un congelator, este incalzita incet de temperatura ambianta.

Principiile care stau la baza acestui experiment sunt legate de comportamentul anormal al densitatii. Majoritatea substantelor se dilata cand sunt incalzite, ceea ce inseamna ca densitatea acestora scade odata cu cresterea temperaturii. Totusi, unele materiale se comporta diferit. Acest fenomen este numit densitate anormala. Materialele cu densitate anormala se dilata atat sub, cat si deasupra unei anumite temperaturi. Aceasta temperatura este denumita maximul densitatii.

Cea mai importanta densitate anormala pentru viata noastra este cea a apei, deoarece, fara aceasta proprietate, oceanele planetei noastre ar putea ingheta probabil. Apa pura are un maxim de densitate la aproximativ 4 °C. Apa lichida la temperatura de 4 °C are, prin urmare, o densitate mai mare decat apa lichida la o temperatura apropiata de punctul de inghet. Iarna, se formeaza un gradient de temperatura cu apa rece de 4 °C fiind situata sub apa mai rece de deasupra. Astfel, un curs de apa va ingheta intotdeauna de sus in jos. Deoarece stratul de gheata actioneaza ca un izolator, un curs de apa va ingheta incet si de obicei nu complet, astfel incat sa ramana un strat lichid sub gheata, in care pot supravietui organisme acvatice.

Cauza densitatii anormale a apei este legata de legaturile de hidrogen. Apa este o molecula dipol cu o structura unghiulara. Cele doua molecule de hidrogen au o sarcina partiala pozitiva, iar oxigenul are o sarcina partiala negativa. Deoarece sarcinile opuse se atrag, atomii de oxigen cu sarcina negativa se aliniaza cu atomii de hidrogen cu sarcina pozitiva ai moleculelor adiacente. In starea agregata solida, cand miscarile moleculare sunt minime, se formeaza o matrice cristalina rigida in care un atom de oxigen este coordonat tetraedric cu 4 atomi de hidrogen si invers, un atom de hidrogen cu 4 atomi de oxigen. Structura rezultata ocupa un spatiu minim si exista goluri deschise intre atomi. Pe masura ce miscarile moleculare cresc, aceasta aranjare rigida se dizolva in favoarea unor structuri tot mai flexibile, in care legaturile de hidrogen cu moleculele adiacente continua sa se formeze, dar in care moleculele de apa se potrivesc in goluri. Acest lucru inseamna ca aceste structuri folosesc mai bine spatiul decat matricea cristalina rigida, crescand astfel densitatea. In proces, exista o tranzitie continua care continua chiar si in starea lichida pana la o temperatura de 3.983 °C. Incepand de la aceasta temperatura, miscarile moleculare tot mai puternice duc la separatii mai mari intre molecule decat in ​​cazul majoritatii altor materiale.

Siguranta:

Masuratorile ar trebui intrerupte inainte de a ajunge la 0 °C din motive de siguranta, deoarece aparatul poate fi deteriorat din cauza expansiunii bruste a apei la inghetare.