§ 21. Три состояния воды

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — состояние вещества, зависящее от расположения и движения его частиц. Частицы — очень маленькие части, из которых состоит вещество. Это понятие помогает объяснить, почему вода бывает твёрдой, жидкой или газообразной, хотя её вещество остаётся тем же.

Твёрдое состояние воды — состояние воды в виде льда, который сохраняет собственную форму и объём. Льдинка не растекается и не принимает форму тарелки, если её туда положить. Это определение помогает отличить лёд от жидкой воды.

Жидкое состояние воды — состояние воды, при котором она сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Например, в стакане вода выглядит одной формы, а в широкой миске — другой. Значит, форма принадлежит сосуду, а не самой воде.

Газообразное состояние воды — состояние воды в виде водяного пара, который не сохраняет ни форму, ни объём. Он распространяется в воздухе и занимает пространство, в котором может находиться. Это определение нужно, чтобы отличать пар от жидкости и льда.

Как это устроено

В разных состояниях частицы воды по-разному расположены и движутся. В льду они находятся близко друг к другу и сохраняют упорядоченное расположение, поэтому не перемещаются свободно, как частицы жидкости. В жидкой воде частицы тоже расположены тесно, но могут менять положение. В водяном паре частицы движутся свободно и находятся дальше друг от друга.

Лёд сохраняет форму и объём, потому что частицы в нём удерживаются возле своих мест и не перетекают из одной части в другую. Когда лёд тает, частицы начинают перемещаться, и твёрдое тело становится жидкостью. Жидкая вода растекается, потому что её частицы могут двигаться относительно друг друга. При этом они остаются близко, поэтому вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда.

Частицы водяного пара свободно движутся в разные стороны и быстро распространяются. Поэтому пар не сохраняет собственную форму, а занимает доступное ему пространство, например весь объём закрытого сосуда. В отличие от жидкости, газ можно сжать сильнее: между частицами пара больше промежутков. Сам водяной пар невидим, а белое облачко, которое иногда видно рядом с горячей водой, образовано мельчайшими капельками.

При нагревании частицы получают больше энергии и движутся активнее. Если нагреть лёд, он плавится и становится жидкой водой; если продолжить нагревание, вода испаряется и переходит в газообразное состояние. При охлаждении движение частиц замедляется: вода замерзает, а водяной пар может конденсироваться, то есть превращаться в капли жидкости. Так нагревание и охлаждение вызывают переходы между состояниями.

Во всех этих случаях меняется расположение и движение частиц, а не само вещество. Лёд, жидкая вода и водяной пар состоят из частиц воды, поэтому переход из одного состояния в другое не создаёт новое вещество. Можно проследить это на обычном примере: лёд тает, полученная вода испаряется, а пар при охлаждении снова становится каплями. Состояние зависит от условий, в которых находится вода.

Сравнение трёх состояний воды

Сначала выбери свойство, которое нужно сравнить, например сохранение формы, а затем прочитай строку слева направо. Так проще увидеть, чем состояния похожи и чем различаются. Если нужно определить состояние образца, проверь, сохраняет ли он форму и объём.

Разбор задач

Определяем состояние воды

Условие: нужно определить состояние воды в кусочке льда, стакане воды и облаке водяного пара. Для начала сравним каждый пример с признаками трёх состояний. Облака в природе могут состоять из капелек воды или кристалликов льда, поэтому видимое облако нельзя считать невидимым водяным паром. Если в задании имеется в виду именно пар, учитываем газообразное состояние.

1. Кусочек льда сохраняет собственную форму и объём, значит, это твёрдое состояние воды.
2. Вода в стакане сохраняет объём, но принимает форму стакана, значит, это жидкое состояние.
3. Водяной пар не сохраняет собственную форму и заполняет доступное пространство, значит, это газообразное состояние. Видимое облако само по себе не доказывает, что перед нами водяной пар.

Ответ: лёд — твёрдое состояние, вода в стакане — жидкое, водяной пар — газообразное. Мы определили состояния по форме и объёму, а не только по тому, как выглядит пример. Если речь идёт о настоящем облаке, следует помнить, что оно состоит из капель воды или кристалликов льда.

Прослеживаем изменения при нагревании

Условие: расположить по порядку изменения воды при нагревании льда до образования пара и назвать каждый переход. Здесь нужно не перескакивать сразу от льда к пару, а представить, что происходит с водой по мере нагревания. Сначала лёд становится жидким, затем жидкость превращается в газ. Между этими переходами вода некоторое время остаётся жидкой.

1. Начинаем со льда — твёрдого состояния воды.
2. При нагревании лёд плавится и превращается в жидкую воду. Переход из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением.
3. Жидкая вода нагревается. Когда она переходит в газообразное состояние, происходит испарение; при кипении пар образуется во всём объёме жидкости.

Ответ: лёд → плавление → жидкая вода → испарение → водяной пар. Нагревание воды между плавлением и испарением не является отдельным переходом в другое состояние: вода всё это время остаётся жидкой. Испарение может идти с поверхности и без кипения.

Объясняем бытовые явления

Условие: объяснить, почему мокрая одежда высыхает, а на холодном стекле появляются капли воды. На первый взгляд эти события разные, но оба связаны с изменением состояния воды. В первом случае жидкая вода уходит с поверхности ткани в воздух. Во втором водяной пар из воздуха превращается в жидкость.

1. На мокрой одежде есть жидкая вода.
2. Часть её частиц покидает поверхность ткани и переходит в воздух в виде невидимого водяного пара. Такой переход называется испарением, поэтому одежда постепенно высыхает.
3. В воздухе есть водяной пар. Около холодного стекла он охлаждается и превращается в жидкие капли — это конденсация.

Ответ: одежда высыхает из-за испарения, а капли на стекле появляются из-за конденсации. В первом явлении жидкость становится газом, во втором газ переходит в жидкость. Эти переходы могут происходить в обычных условиях дома.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать водяным паром видимый белый туман. Так думают, потому что паром называют белое облачко над горячей водой, но оно состоит из крошечных капель, а сам водяной пар невидим. Проверь себя: если видна белая взвесь, не называй её чистым невидимым паром.

• Ошибка — говорить, что у жидкой воды нет объёма, раз она принимает форму сосуда. Форма и объём — разные свойства: вода меняет форму, но её количество в том же сосуде занимает определённое пространство. Проверь себя, перелив воду из узкого стакана в широкую миску: форма изменится, а объём воды сохранится.

• Ошибка — смешивать испарение и кипение. Их путают, потому что оба процесса превращают жидкую воду в пар, но испарение идёт с поверхности при разных температурах, а кипение — во всём объёме при определённой температуре. Проверь себя: при кипении внутри жидкости видны пузырьки, а испарение может происходить и без них.

• Ошибка — думать, что при переходе воды в лёд или пар образуется новое вещество. Изменяется состояние воды, а не само вещество, поэтому лёд и пар остаются водой. Проверь себя: при таянии лёд становится жидкой водой, а при замерзании вода снова превращается в лёд.

Связь с другими темами

Чтобы понять состояния воды, нужно знать, что вещества состоят из мельчайших частиц и могут изменяться при нагревании и охлаждении. Эти знания пригодятся при изучении круговорота воды в природе и погоды: так легче понять, как появляются облака и осадки. Они также помогают объяснить замерзание и таяние, кипение, образование росы, дождя и снега. Наблюдая за водой в быту, можно находить примеры переходов из одного состояния в другое.

Что запомнить

• Вода существует в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.
• Лёд сохраняет форму и объём.
• Жидкая вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Водяной пар не сохраняет собственные форму и объём.
• При нагревании вода может плавиться и испаряться.
• При охлаждении вода может замерзать, а пар — превращаться в капли при конденсации.
• При переходах меняется состояние воды, но вода остаётся тем же веществом.