Изменение объема и плотности вещества при плавлении и отвердевании.

При плавлении происходит переход от упорядоченного расположения частиц в решетке твердого тела к их беспорядочному расположению в жидкости; поэтому можно ожидать, что при плавлении и отвердевании вещества будет происходить заметное изменение его объема. Опыт подтверждает это предположение. Например, при затвердевании расплавленного в пробирке нафталина в нем образуется углубление.

Оказывается, что у огромного большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. Очевидно, при этом изменяется и плотность этих веществ: при плавлении плотность уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Это легко подтвердить опытами. Например, кристаллики твердого нафталина тонут в расплавленном нафталине.

Проделав такого рода опыт с висмутом, мы Рис. 12.2. убедимся в том, что твердый висмут плавает в жидком висмуте. Лед также плавает в воде. Некоторые вещества, например, висмут, лед, галлий, германий, кремний, чугун, при плавлении сжимаются, а при отвердевании расширяются. Эти отклонения от общего правила объясняются особенностями строения кристаллических решеток этих веществ. Так, кристаллическая решетка германия и кремния отличается невысокой плотностью упаковки атомов, и при плавлении эти вещества уменьшаются в объеме.

IMG_20140725_0001_cr

На рис. 12.2 показано расположение молекул льда в пространственной решетке, где видно, что молекулы Н2О расположены вплотную друг к другу, но при этом образуют ажурную конструкцию, в которой имеются значительные внутренние пустоты. При плавлении расстояния между ближайшими молекулами Н2О увеличиваются, как и у других веществ, но ажурное строение кристалла ломается и за счет заполнения молекулами внутренних пустот общий объем вещества уменьшается. Поэтому вода оказывается плотнее льда.

Исследования показали, что после плавления в воде остаются отдельные части кристаллической решетки, в которых сохраняются пустоты. Они постепенно разрушаются лишь в процессе дальнейшего нагревания воды. Поэтому вода сжимается при нагревании до температуры 4°С. При 4°С процессы исчезновения пустот и увеличения расстояний между молекулами при нагревании компенсируются, и при дальнейшем нагревании вода начинает расширяться. При охлаждении воды все описанные процессы происходят в обратном порядке. Таким образом, вода имеет наибольшую плотность лишь при 4°С.

Это свойство воды имеет огромное значение в природе. Расширение воды при замерзании ведет к разрушению горных пород, предохраняет водоемы от промерзания и т. п. (Подумайте, почему на дне рек и озер зимой сохраняется температура 4°С.)

Изменение объема металлов при плавлении и отвердевании имеет существенное значение в литейном деле.