Температура льда: эксперименты нобелевского лауреата Бриджмена

Какова температура льда? Ответ на этот вопрос представляется очевидным – вода при обычном атмосферном давлении замерзает при 0 °C, соответственно температура льда тоже 0 °C, – однако этот ответ не совсем корректен.

Температура замерзания воды зависит от ряда параметров, в том числе:

• от наличия посторонних примесей;

• от давления;

• от скорости ее движения.

Если подвергнуть медленному охлаждению очень чистую (лучше всего дистиллированную) воду, то она может оставаться жидкой и при температуре ниже нуля.

Однако, если в эту переохлажденную воду бросить маленький кусочек льда, щепотку снега или просто пыли, вода мгновенно замерзнет, прорастая по всему объему длинными кристаллами. Это объясняется особенностями процесса кристаллизации. Чистая вода центров кристаллизации практически лишена, поэтому она может довольно сильно переохлаждаться, оставаясь жидкой. В лабораторных условиях температуру воды в жидком состоянии, правда, в очень малых объемах, удавалось довести до минус 70 °C.

Также на свойства воды (льда) напрямую влияет давление. Так, в первой половине ХХ века американский физик Перси Уильямс Бриджмен открыл «горячий лёд», который не тает при температуре парной в русской бане (80 °C). Однако для этого ему потребовалось создать давление более 20 тысяч атмосфер.

Перси Уильямс Бриджмен – кто он

Родился 21 апреля 1882 года, Кембридж, Массачусетс, США

Умер 20 августа 1961 года, Рэндольф, Нью-Гемпшир, США

Лауреат Нобелевской премии по физике 1946 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления, и за открытия, сделанные в связи с этим в физике высоких давлений». 

Рис. 1. Перси Уильямс Бриджмен

Если верить в знаки, то с самого рождения жизнь «указывала» Перси на то, что заниматься нужно физикой. Родился в Кембридже, потом семья переехала в город с говорящим именем Ньютон. Неудивительно, что учитель приходской школы в Ньютоне посоветовал мальчику пойти дальше по научной стезе. Естественно, что Перси решил учиться именно в Гарварде. С ним и была связана большая часть его жизни.

Бакалавром Бриджмен стал в 1904 году. Уже тогда он начал заниматься высоким давлением. Будущего лауреата интересовала наука и свои размышления о ней… И больше ничего. Он никогда не преподавал, дерзил ректору Гарварда (его фраза «Меня не интересует ваш… колледж, дайте мне заниматься наукой» стала крылатой), и в итоге Бриджмен написал более 250 статей и множество монографий.

Опыты и изобретения

Свое первое изобретение, связанное с давлением, он сделал еще в 1905 году. Ученый изобрел герметизированный метод изоляции сосудов высокого давления с газом.

Решение было оригинальным: изолирующая прокладка, сделанная из резины или мягкого металла, сжималась под давлением бо́льшим, чем давление внутри сосуда (она получила название прокладка Бриджмена). В итоге запечатывающая пробка автоматически уплотнялась по мере возрастания давления и никогда не давала течи независимо от величины давления, пока выдерживают стенки сосуда. Любопытно, что это изобретение было сделано тогда, когда Бриджмену было нужно починить сломавшийся аппарат для работы под высоким давлением. 

Рис. 2. Прокладка Бриджмена

В итоге в руках Бриджмена оказался инструмент, которым можно было изучать сотни веществ в условиях высокого давления. Он дошел до показателя 100 тысяч атмосфер, а в некоторых случаях и до 400 тысяч.

В итоге в руках Бриджмена оказался инструмент, которым можно было изучать сотни веществ в условиях высокого давления. Он дошел до показателя 100 тысяч атмосфер, а в некоторых случаях и до 400 тысяч. Фактически впервые экспериментально можно было изучать вещества в тех же условиях, в которых они находятся в недрах Земли.

А раз появился новый инструмент, выведший науку в совершенно неведомую область, открытия посыпались как из рога изобилия. Хотим открыть новую аллотропную модификацию фосфора? Извольте! Попробуем получить «горячий лед»? Всего 20 тысяч атмосфер, и лед не тает при 80 °C!

Бриджмен провел ряд экспериментов, в которых подверг лед давлению в несколько тысяч атмосфер. В результате он получил целую серию новых видов льда, обладавших значительно большими, чем у обычного льда, плотностью и температурой таяния. Один из полученных образцов был более чем в 1,5 раза тяжелее воды, другой оставался твердым при температуре выше температуры кипения воды.

Также ученый открыл сжимаемость атомов (начав со сжатия металлического цезия), изучал графики зависимости точки плавления при высочайших давлениях. Странно даже, что Нобелевская премия пришла так поздно.

«С помощью вашего оригинального прибора в соединении с блестящей экспериментаторской техникой вы весьма существенно обогатили наши знания о свойствах материи при высоких давлениях», — так приветствовали Перси Бриджмена во время церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме 4 декабря 1946 года.

Горячий лед Бриджмена

Исследования Бриджмена показали, что под весьма значительным давлением вода переходит в так называемый «горячий лед». Кроме того, ученый доказал, что может существовать лед не одного вида, а целых шести (в настоящее время известно 19 видов льда, ред.).

Как мы уже упоминали, горячий лед, получается под огромным давлением более 20 тыс. атмосфер и остается твердым при температуре 80 °C. Горячий лед обжог бы нам пальцы, если бы мы могли до него дотронуться. Но прикосновение к нему, однако, невозможно: горячий лед образуется под давлением мощного пресса в толстостенном сосуде из высокопрочной стали. Увидеть его или взять в руки нельзя, и свои свойства горячий лед открывает физикам лишь косвенным образом.

Любопытно, что горячий лед плотнее обыкновенного, плотнее воды: его удельный вес 1,05. Он тонет в воде, между тем как обыкновенный, холодный лед на ней плавает.

Горячий лед в домашних условиях (пошаговая инструкция + видео)

Провести в домашних условиях эксперимент «Горячий лед», чтобы проверить теорию Бриджмена, естественно, не получится. Но химия как наука предлагает нам другой опыт, не менее эффектный.

Рис. 3. Эксперимент «Горячий лед»

Ацетат натрия — вещество, которое понадобится вам для его проведения. Не слышали? А на кухне мы часто получаем его при приготовлении различной выпечки, смешивая соду и уксус. Остается лишь разобраться, как сделать горячий лед из этой пены. Давайте разбираться.

Формула и уравнение реакции

Ацетат натрия (еще ее называют натриевой солью уксусной кислоты) представляет собой белые кристаллы со слегка солоноватым вкусом и запахом, который напоминает уксусный.

Его формула — CH3COONa.

В лаборатории соль получают из уксусной кислоты и карбонатов, гидроксида или гидрокарбоната натрия.

Кому интересно, уравнение реакции следующее: CH3COOH + NaHCO3 → CH3-COON a + H2O + CO2

Хозяйки знают, что процент уксусной кислоты может быть разным. Но нет разницы, какой вы найдете в шкафчике на кухне, просто понадобится разное количество соды.

Пропорции следующие:

• 750 г уксуса 8% и 84 грамма соды;

• 86 г эссенции 70% и 84 грамма соды;

• 200 г уксуса 30% и 87,4 г соды.

В результате реакции у нас получается раствор, но путем выпаривания воды мы получим 82 г ацетата натрия в виде кристаллов.

Химия — наука, которая не терпит варианта «насыпать на глаз». Если хотите, чтобы химический опыт «Горячий лед» удался, составляйте пропорцию из веществ с помощью весов. Более точными являются электронные.

Опыт в домашних условиях

Итак, приступим к колдовству.

1. В небольшой эмалированной кастрюльке смешайте уксус и соду в указанных выше пропорциях, в зависимости от процентного содержания уксуса, найденного на кухне. Поставьте ее на плиту, на маленький огонь и немного подогрейте полученное колдовское варево. Готовьтесь, пены будет много, но как только реакция пройдет и в кастрюле останется вода и ацетат натрия, раствор станет абсолютно прозрачным.

2. Обязательно проверьте, готов ли ваш раствор, капнув капелькой уксуса. Появилась пена? Значит, изначально взят неправильный вес соды, продолжаем по чуть-чуть добавлять уксус, пока пена не перестанет появляться. Ну а если запах уксуса очень сильно бьет в нос, значит, было взято изначально много уксусной кислоты. Добавляйте в раствор понемногу соды, пока не перестанет в кастрюльке образовываться пена, иначе запах уксуса из квартиры долго придется выветривать.

3. Только когда пена перестала подниматься, кастрюльку с варевом можно ставить на огонь, чтобы убрать из нее лишнюю воду. Не забываем следить за происходящим. Как только на поверхности начала образовываться корочка, похожая на лед, сразу снимаем тару с огня и на 5 минут оставляем в покое.

4. Пока колдовской напиток остывает, в чайнике ставим кипятиться воду. Затем медленно, буквально по каплям, начинаем лить кипяток в уже остывшую смесь, чередуя добавление с помешиванием. Делаем процедуру до полного растворения корочки и всех видимых кусочков. Раствор должен быть абсолютно прозрачным, но при этом слегка вязким.

5. Берем абсолютно чистую емкость и наливаем в нее небольшое количество вещества из кастрюльки. Если баночка или кружечка окажутся запачканными - раствор станет кристаллизоваться не тогда, когда вам захочется, а пока будет охлаждаться. Ставим в холодильник и охлаждаем до комнатной температуры. Нужно понимать, что у нас получился перенасыщенный раствор, так что теперь температура процесса кристаллизации ниже, чем обычно.

6. Охладился? Вот он, момент истины. Пора приступить к таинству образования горячего льда!

Прикоснитесь к охлажденному вареву зубочисткой, опущенной острием в поваренную соль. Если все сделано правильно, раствор начнет затвердевать, образуя рисунок из кристаллов, похожих на льдинки, каждый раз новый и неповторимый. При этом высвобождается большое количество энергии, которую вы прочувствуете как волну тепла.

После образования горячего льда его можно использовать для повтора опыта. Просто поставьте емкость на водяную баню и начинайте помешивать ложечкой. Увидели, что корочка из кристаллов образовалась? Повторяем пункты 4-6 и наслаждаемся результатом снова и снова.

Видео в помощь