Номер 92, страница 203 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.92. Почему порошок серы плавает на поверхности воды, а кусковая сера в воде тонет?

Решение

Данное явление объясняется различием в физических свойствах и взаимодействии с водой цельного куска серы и её порошка. Основную роль играют плотность, сила Архимеда, поверхностное натяжение и смачиваемость.

Почему кусковая сера в воде тонет

Поведение тела, полностью погруженного в жидкость, определяется соотношением его плотности ($ \rho_т $) и плотности жидкости ($ \rho_ж $). Плотность монолитной серы составляет $ \rho_{серы} \approx 2070 \text{ кг/м}^3 $, что значительно превышает плотность воды $ \rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3 $.

На кусок серы в воде действуют две вертикальные силы: направленная вниз сила тяжести $ F_g = m g = \rho_{серы} V g $ и направленная вверх выталкивающая сила Архимеда $ F_A = \rho_{воды} g V $, где $V$ — объем куска серы.

Так как $ \rho_{серы} > \rho_{воды} $, то сила тяжести больше выталкивающей силы ($ F_g > F_A $). В результате равнодействующая сила направлена вниз, и кусок серы опускается на дно.

Почему порошок серы плавает на поверхности воды

Для порошка, состоящего из множества мелких частиц, условия плавания усложняются из-за влияния двух дополнительных факторов:

1. Несмачиваемость (гидрофобность) и поверхностное натяжение. Сера — гидрофобное вещество, она очень плохо смачивается водой. Молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к частицам серы. Когда мелкая и легкая частица порошка попадает на воду, она не может преодолеть силы поверхностного натяжения, которые удерживают молекулы воды вместе, образуя подобие упругой плёнки. Эта плёнка прогибается под весом частицы, и сила поверхностного натяжения, действующая по периметру контакта частицы с водой, создаёт вертикальную составляющую, которая помогает удерживать частицу на плаву.

2. Захваченный воздух. Когда порошок насыпают на воду, между его мелкими, несмачиваемыми частицами задерживается большое количество воздуха. Образуется система "частицы серы + воздух". Средняя плотность этой системы ($ \rho_{ср} $) оказывается значительно меньше плотности воды. Выталкивающая сила Архимеда действует на весь объем, занимаемый порошком вместе с воздухом, и её величины достаточно, чтобы удержать всю массу порошка на поверхности.

Ответ: Кусковая сера тонет, так как ее плотность ($ \approx 2070 \text{ кг/м}^3 $) больше плотности воды ($ \approx 1000 \text{ кг/м}^3 $). Порошок серы плавает на поверхности воды, поскольку его мелкие частицы не смачиваются водой и удерживаются силой поверхностного натяжения, а также потому, что между частицами порошка задерживается воздух, из-за чего средняя плотность образовавшейся системы "сера-воздух" становится меньше плотности воды.