Номер 2, страница 204, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности. Глава V. Молекулярная физика - номер 2, страница 204.

Условие.

2. Опреснение воды замораживанием

Цель: исследовать возможность опреснения воды замораживанием.

В пол-литровой банке питьевой воды растворите половину чайной ложки соли. Налейте часть соляного раствора в пластиковый стакан, а оставшуюся воду не выливайте из банки — она понадобится в конце опыта.

Вырежьте в поролоновой губке углубление под стакан на половину её высоты. Стакан должен входить в углубление без зазора.

Стакан с соляным раствором на сделанной вами подставке поместите в морозильную камеру холодильника. Через каждый час смотрите, какая часть воды замёрзла. Когда замёрзнет примерно одна треть раствора (лёд будет вверху), выньте стакан из морозильной камеры.

Аккуратно выньте лёд и положите его в тарелку, подождите примерно 5 мин, пока лёд слегка подтает. Слейте образовавшуюся воду, после чего положите лёд в пустой стакан и подождите, пока он полностью растает и получившаяся из него вода нагреется до комнатной температуры.

Сравните теперь на вкус солёность оставленного в банке соляного раствора и воды, образовавшейся из растаявшего льда. Сделайте вывод и опишите его. Найдите в Интернете объяснение обнаруженному вами явлению, а также информацию о применении этого способа опреснения воды.

Решение 2.

Сравнение солёности, вывод и описание по результатам опыта

При сравнении на вкус воды, оставшейся в банке, и воды, полученной из растаявшего льда, обнаруживается существенная разница. Вода в банке остаётся такой же солёной, как и исходный раствор. Вода же, полученная после таяния льда, оказывается практически пресной, с очень низким содержанием соли или вовсе без неё.

Из этого опыта можно сделать вывод, что замораживание позволяет отделить пресную воду от растворённых в ней солей, то есть опреснить её. В ходе замерзания соляного раствора в первую очередь образуются кристаллы льда из чистой воды. Молекулы соли ($NaCl$) не встраиваются в кристаллическую решётку льда ($H_2O$) и вытесняются в оставшийся незамёрзшим раствор. В результате этого концентрация соли в жидкой части раствора увеличивается, а лёд состоит из пресной воды. Именно поэтому лёд образуется сверху — он имеет меньшую плотность, чем оставшийся концентрированный соляной раствор (рассол). Небольшое количество рассола может оставаться на поверхности льда и в его порах, поэтому в эксперименте рекомендуется дать льду немного подтаять и слить первую образовавшуюся воду, чтобы избавиться от наиболее солёных остатков.

Научное объяснение обнаруженного явления

Физическая основа этого явления заключается в различии температур замерзания чистой воды и соляного раствора, а также в особенностях процесса кристаллизации.

1. Понижение температуры замерзания. Растворение соли в воде приводит к понижению температуры её замерзания (криоскопический эффект). Чистая вода замерзает при 0 °C, в то время как соляной раствор замерзает при более низкой температуре, которая зависит от концентрации соли.

2. Процесс кристаллизации. Когда температура раствора опускается до точки замерзания, начинают формироваться кристаллы льда. Кристаллическая решётка льда имеет упорядоченную структуру, в которую могут встроиться только молекулы воды. Более крупные ионы натрия ($Na^+$) и хлора ($Cl^−$) не соответствуют этой структуре и выталкиваются из неё в окружающую жидкость.

Таким образом, по мере замерзания раствора происходит разделение фаз: образуется твёрдая фаза (лёд из пресной воды) и жидкая фаза (рассол с постоянно повышающейся концентрацией соли).

Применение этого способа опреснения воды

Метод опреснения воды замораживанием, также известный как вымораживание или фракционная кристаллизация, находит применение в различных областях:

1. В природе. Этот процесс постоянно происходит в полярных регионах. Морской лёд, особенно многолетний, содержит значительно меньше соли, чем морская вода. Талая вода из такого льда может быть пригодна для питья.

2. В промышленности. Существуют промышленные установки для опреснения воды методом вымораживания. Этот метод считается энергетически более выгодным, чем дистилляция, особенно в холодных климатических зонах, где для заморозки можно использовать низкую температуру окружающего воздуха. Однако он менее распространён, чем метод обратного осмоса, из-за технической сложности эффективного отделения кристаллов льда от рассола.

3. В быту и для выживания. В условиях отсутствия других источников пресной воды, например, в полярных экспедициях или при кораблекрушениях в холодных морях, можно получать питьевую воду, растапливая старый, промытый дождями и талыми водами морской лёд.

4. В пищевой промышленности. Схожий процесс, называемый вымораживанием или фриз-концентрацией, используется для повышения концентрации фруктовых соков, кофе, пива (например, сорт «айсбок») и других жидких пищевых продуктов. При этом удаляется вода в виде льда, а вкус, аромат и ценные вещества исходного продукта концентрируются в оставшейся жидкости.

Ответ: Вода, полученная из растаявшего льда, на вкус практически пресная, в отличие от исходного солёного раствора. Это доказывает, что замораживание является эффективным способом опреснения воды. Явление объясняется тем, что при кристаллизации воды ионы соли вытесняются из формирующейся ледяной решётки, в результате чего лёд состоит из чистой воды, а в оставшейся жидкости концентрация соли повышается. Этот метод применяется в природе (образование морского льда), в промышленности для опреснения и в пищевой промышленности для концентрирования жидкостей (соков, напитков).