Домашний эксперимент, страница 106, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

"Плавающий картофель". В литровую стеклянную банку до половины наливают воды и кладут клубень картофеля. Он остается на дне. Добавляют насыщенный раствор хлорида натрия $NaCl$, и клубень всплывает. Если долить чистой воды, то он снова опустится на дно. Обычно картофель в воде тонет, но при добавлении насыщенного раствора хлорида натрия, плотность которого выше плотности картофеля, клубень всплывает. При доливании чистой воды раствор разбавляют, плотность его снова изменяется, и клубень опускается на дно.

Явление, описанное в тексте, полностью основано на законе Архимеда. Поведение тела (в данном случае, клубня картофеля) в жидкости определяется соотношением между силой тяжести, действующей на тело, и выталкивающей силой (силой Архимеда), действующей на него со стороны жидкости.

Сила тяжести $F_g$ направлена вертикально вниз и рассчитывается как произведение массы тела $m_т$ на ускорение свободного падения $\text{g}$: $F_g = m_т g$. Массу тела можно выразить через его плотность $\rho_т$ и объем $V_т$: $F_g = \rho_т V_т g$.

Выталкивающая сила (сила Архимеда) $F_A$ направлена вертикально вверх. Она равна весу жидкости в объеме погруженной части тела. Если тело погружено полностью, то сила Архимеда равна $F_A = \rho_ж g V_т$, где $\rho_ж$ — плотность жидкости, а $V_т$ — объем тела (равный объему вытесненной жидкости).

Тело тонет, если сила тяжести больше максимальной выталкивающей силы: $F_g > F_A$, что эквивалентно условию $\rho_т > \rho_ж$.

Тело всплывает, если сила тяжести меньше выталкивающей силы: $F_g < F_A$, что эквивалентно условию $\rho_т < \rho_ж$. После всплытия тело будет плавать на поверхности, погрузившись частично, так, что вес вытесненной им жидкости станет равным его силе тяжести.

Рассмотрим три этапа эксперимента:

1. Клубень картофеля в банке с чистой водой

Клубень картофеля, помещенный в чистую воду, опускается на дно. Это происходит потому, что средняя плотность картофеля $\rho_{карт}$ больше плотности чистой воды $\rho_{воды}$ (около 1000 кг/м³).

Условие плавания в этом случае: $\rho_{карт} > \rho_{воды}$.

Следовательно, действующая на картофель сила тяжести $F_g = \rho_{карт} V_{карт} g$ оказывается больше, чем выталкивающая сила со стороны воды $F_A = \rho_{воды} V_{карт} g$. Равнодействующая этих сил направлена вниз, и клубень тонет.

Ответ: Картофель тонет в чистой воде, так как его плотность больше плотности воды, из-за чего сила тяжести превышает выталкивающую силу Архимеда.

2. Добавление насыщенного раствора хлорида натрия (NaCl)

При добавлении в воду поваренной соли (NaCl) и ее растворении мы получаем солевой раствор. Плотность солевого раствора $\rho_{раствора}$ выше плотности чистой воды. Плотность насыщенного раствора хлорида натрия составляет около 1200 кг/м³. Эта плотность оказывается выше средней плотности картофеля.

Теперь условие плавания выглядит так: $\rho_{карт} < \rho_{раствора}$.

Из-за увеличения плотности жидкости выталкивающая сила $F_A = \rho_{раствора} V_{карт} g$ становится больше силы тяжести $F_g = \rho_{карт} V_{карт} g$. Равнодействующая сил направлена вверх, что заставляет клубень всплывать на поверхность.

Ответ: При добавлении соли плотность жидкости увеличивается и становится больше плотности картофеля. В результате выталкивающая сила Архимеда становится больше силы тяжести, и картофель всплывает.

3. Добавление чистой воды в соленый раствор

Когда в насыщенный солевой раствор снова доливают чистую воду, происходит разбавление раствора. Концентрация соли в воде уменьшается, что приводит к снижению общей плотности жидкости. Плотность нового, разбавленного раствора $\rho_{разб. раствора}$ становится меньше, чем плотность насыщенного раствора, и в какой-то момент она снова становится меньше плотности картофеля.

Условие плавания опять меняется и становится таким же, как в первом пункте: $\rho_{карт} > \rho_{разб. раствора}$.

Выталкивающая сила $F_A$ уменьшается, и сила тяжести $F_g$ вновь начинает преобладать. Равнодействующая сил снова направляется вниз, и клубень опускается на дно.

Ответ: Доливание чистой воды разбавляет соленый раствор, уменьшая его плотность. Когда плотность раствора становится меньше плотности картофеля, выталкивающая сила уменьшается, и картофель снова тонет под действием силы тяжести.