почему вода не смачивает жир
Вода (или любая другая жидкость) смачивает какую-либо поверхность только в том случае, если сила взаимодействия молекул воды (жидкости) с молекулами (или ионами) поверхности больше, чем сила взаимодействия молекул воды (жидкости) между собой. В случае жира (в качестве поверхности) взаимодействие молекул воды с молекулами жира очень слабое, поэтому и не смачивает.
Остальные ответы
разная плотность
Потому что она его попросту не растворяет, а отталкивает
Новое вещество не дает воде замерзнуть даже при -263°C
Ученые из Швейцарской высшей технической школы и Цюрихского университета разработали и синтезировали новый класс сложных липидов (молекул жира), которые смешиваясь с водой, формируют мембраны, препятствующие образованию кристаллов льда даже при экстремально низких температурах.
Эффект достигается за счет того, что созданное вещество образует «мягкую» биологическую субстанцию, называемую липидной мезофазой. Его молекулы самопроизвольно группируется и объединяется, образуя мембраны, которые ведут себя так же, как и молекулы натурального жира. Эти мембраны затем равномерно распределяются и формируют сеть соединенных каналов, диаметр которых менее одного нанометра.
Вода, смешиваясь с липидной структурой, заполняет свободное пространство между мембранами, но каналы настолько узкие, что в них просто недостаточно места для образования кристаллов льда.
С помощью жидкого гелия, исследователи охладили смесь до -263 °C, но даже при температуре близкой к абсолютному нулю кристаллы не образовывались. Вместо этого вода стала «стеклообразной» и оставалась пластичной. Липиды в таких условиях также не замерзают. Ключевым фактором контроля и изменения структуры является соотношение жиров к воде и температура.
На схематическом изображении показаны каналы мембран липидов, заполненные водой (светло-голубой).
Хорошее взаимодействие с жидкостью обеспечивает двойственность липидов, молекулы которых состоят из двух частей: одна отталкивает воду, а другая наоборот притягивает. Однако это также обуславливает сложность их синтеза. Поэтому ученые смоделировали новый класс липидов на мембранах определенных бактерий, которые теперь выделяют их естественным образом, что позволяет им выживать в очень холодных условиях.
Швейцарцы говорят, что изобретение может служить инструментом для других биологических и физических исследователей, а также в других сферах, где требуется предотвратить замерзание воды.
Недавно ученые также разработали недорогую мембрану, способную очень быстро фильтровать масло из воды и нефтяных смесей, не загрязняясь при этом.
текст: Илья Бауэр, фото: ETH Zurich
Диффузия, индукция и смена агрегатного состояния: 10 физических явлений на кухне, с которыми вы сталкиваетесь ежедневно
Ежедневно мы проводим на кухне 1-2 часа. Кто-то меньше, кто-то больше. При этом мы редко задумываемся о физических явлениях, когда готовим завтрак, обед или ужин. А ведь большей их концентрации в бытовых условиях, чем на кухне, в квартире и быть не может. Поэтому опыты по физике на кухне — хорошая возможность объяснить законы этой науки детям!
Тим Скоренко
Getty Images
1. Диффузия
С этим физическим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Его название образовано от латинского diffusio — взаимодействие, рассеивание, распространение. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения тела (объему), и разности концентраций, температур смешиваемых веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) — от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
На кухне это физическое явление можно наблюдать при распространении запахов. Благодаря диффузии газов, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Как известно, природный газ не имеет запаха, и к нему примешивают добавку, чтобы легче было обнаружить утечку бытового газа. Резкий неприятный запах добавляет одорант, например, этилмеркаптан. Если с первого раза конфорка не загорелась, то мы можем чувствовать специфический запах, который с детства мы знаем, как запах бытового газа.
А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей. Хорошей иллюстрацией физики на кухне — диффузии в твердом теле — может быть засолка помидоров, огурцов, грибов или капусты. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы Na и Cl, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе овощей или грибов.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Конечно, все мы знаем, что чай надо заваривать кипятком. Оказывается, при высокой температуре диффузия в жидкостях происходит быстрее
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
2. Смена агрегатного состояния
Мало кто из нас замечал, что в оставленном стакане с водой через несколько дней испаряется такая же часть воды при комнатной температуре, как и при кипячении в течение 1−2 минут. А замораживая продукты или воду для кубиков льда в холодильнике, мы не задумываемся, как это происходит. Между тем, эти самые обыденные и частые кухонные явления легко объясняются физикой. Жидкость обладает промежуточным состоянием между твердыми веществами и газами. При температурах, отличных от кипения или замерзания, силы притяжения между молекулами в жидкости не так сильны или слабы, как в твердых веществах и в газах. Поэтому, например, только получая энергию (от солнечных лучей, молекул воздуха комнатной температуры) молекулы жидкости с открытой поверхности постепенно переходят в газовую фазу, создавая над поверхностью жидкости давление пара. Скорость испарения растет при увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Если температуру повышать, то давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения. Температура кипения снижается при уменьшении внешнего давления. Поэтому в горной местности вода закипает быстрее.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
И наоборот, молекулы воды при понижении температуры теряют кинетическую энергию до уровня сил притяжения между собой. Они уже не двигаются хаотично, что позволяет образоваться кристаллической решетке как у твердых тел. Температура 0 °C, при которой это происходит, называется температурой замерзания воды. При заморозке вода расширяется. Многие могли познакомиться с таким физическим явлением на кухне, когда помещали пластиковую бутылку с напитком в морозилку для быстрого охлаждения и забывали об этом, а после бутылку распирало. При охлаждении до температуры 4 °C сначала наблюдается увеличение плотности воды, при которой достигается ее максимальная плотность и минимальный объем. Затем при температуре от 4 до 0 °C происходит перестройка связей в молекуле воды, и ее структура становится менее плотной. При температуре 0 °C жидкая фаза воды меняется на твердую. После полного замерзания воды и превращения в лед ее объем вырастает на 8,4%, что и приводит к распиранию пластиковой бутылки. Содержание жидкости во многих продуктах мало, поэтому они при заморозке не так заметно увеличиваются в объеме.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
С этим физическим явлением — сменой агрегатного состояния — на кухне хозяйки сталкиваются при кипячении жидкостей, заморозке продуктов, например сливочного масла. Когда мы помещаем воду в морозилку, она остывает, молекулы уже не двигаются хаотично, а образуют кристаллическую решетку, как у твердых тел
3. Абсорбция и адсорбция
Эти два почти неразделимых физических явления, которые получили свое название от латинского sorbeo (поглощать), на кухне наблюдаются, например, при нагревании воды в чайнике или кастрюле. Газ, не действующий химически на жидкость, может, тем не менее, поглощаться ею при соприкосновении с ней. Такое явление называется абсорбцией. При поглощении газов твердыми мелкозернистыми или пористыми телами большая их часть плотно скапливается и удерживается на поверхности пор или зерен и не распределяется по всему объему. В этом случае процесс называют адсорбцией. Эти явления можно наблюдать при кипячении воды — со стенок кастрюли или чайника при нагревании отделяются пузырьки. Воздух, выделяемый из воды, содержит 63% азота и 36% кислорода. А в целом атмосферный воздух содержит 78% азота и 21% кислорода.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Поваренная соль в незакрытой емкости может стать влажной из-за своих гигроскопических свойств — поглощения из воздуха водяного пара. А сода выступает в качестве адсорбента, когда ее ставят в холодильник для удаления запаха.
Научное определение адсорбции — это поглощение пара, газа жидкостью или твердым телом. Например, типичным адсорбентом является активированный уголь. А вот на кухне наблюдать физическое явление адсорбции можно с помощью поваренной соли в емкости без крышки, которая впитывает влагу из водяного пара
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
4. Проявление закона Архимеда
Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на ¾ в зависимости от размера курицы. Погружая тушку в кастрюлю с водой, мы замечаем, что вес курицы в воде заметно уменьшается, а вода поднимается к краям кастрюли.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Это физическое явление объясняется выталкивающей силой или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда, как и сам физический закон, объясняющий это явление.
Свой физический закон Архимед придумал, занимаясь будничным делом — принимая ванну. Легенда гласит, что нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («Нашёл!»)
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
5. Поверхностное натяжение
Многие помнят опыты с пленками жидкостей, которые показывали на уроках физики в школе. Небольшую проволочную рамку с одной подвижной стороной опускали в мыльную воду, а затем вытаскивали. Силы поверхностного натяжения в образовавшейся по периметру пленке поднимали нижнюю подвижную часть рамки. Чтобы сохранить ее неподвижной, к ней подвешивали грузик при повторном проведении опыта. Это же физическое явление можно наблюдать и на вашей кухне в дуршлаге — после использования в дырочках дна этой кухонной посуды остается вода. Такое же явление можно наблюдать после мойки вилок — на внутренней поверхности между некоторыми зубьями также есть полоски воды.
Физика жидкостей объясняет это явление так: молекулы жидкости настолько близки друг к другу, что силы притяжения между ними создают поверхностное натяжение в плоскости свободной поверхности. Если сила притяжения молекул воды пленки жидкости слабее силы притяжения к поверхности дуршлага, то водная пленка разрывается. Также силы поверхностного натяжения заметны, когда мы будем сыпать в кастрюлю с водой крупу или горох, бобы, или добавлять круглые крупинки перца. Некоторые зерна останутся на поверхности воды, тогда как большинство под весом остальных опустятся на дно. Если кончиком пальца или ложкой слегка надавить на плавающие крупинки, то они преодолеют силу поверхностного натяжения воды и опустятся на дно.
Взаимное притяжение и отталкивание молекул. Аллотропия
Мы уже знаем, что молекула и атомы — наименьшие частицы, составляющие то или иного вещества. Однако, иметь знания о составляющих вещество молекулах недостаточно, чтобы описать его свойства. Например, пар и лед состоят из одинаковых молекул воды, но свойства у них отличаются (рисунок 1).
Вспомните конструктор «Лего». Мы высыпаем из коробки просто кучу деталей, которые можно собрать и построить дом или автомобиль, в зависимости от того, каким образом одни и те же детали будут нами соединены.
Аналогично обстоит дело и с веществом. Чтобы его описать, необходимо не только знать атомный и молекулярный состав, но и способы соединения частиц, а также их взаимодействия.
Аллотропия
Аллотропия — это свойство разных простых веществ состоять из одинаковых частиц.
Сами вещества, обладающие таким свойством, называются аллотропными модификациями.
Самым большим количеством аллотропных модификаций обладает углерод (рисунок 2). Его атом получил свое название от вещества, состоящего из атомов угля.
Из таких же самых атомов состоят сажа, графит и алмаз. Просто атомы в них по-другому расположены и по-другому взаимодействуют. Поэтому, их свойства сильно отличаются: из твердого алмаза делают режущие инструменты, а из мягкого графита — стержни для карандашей.
Взаимное притяжение молекул
Если же все молекулы находятся в беспрерывном движении, почему твердые и жидкие тела не распадаются? Значит, молекулы как-то взаимодействуют между собой, взаимно притягиваются друг к другу.
Но, если вы сломаете карандаш, он же не склеится обратно? Из этого можно сделать простой вывод: притяжение между молекулами действует только на очень коротком расстоянии. Притяжение между молекулами разных тел неодинаково, что объясняется различной прочностью.
Рассмотрим следующий опыт. Если у двух цилиндров идеально ровно срезать поверхности и прижать их друг к другу, вам удастся разорвать их только при большой нагрузке (рисунок 3).
Заметим, что притяжение между молекулами становится заметным, когда расстояние между ними не превышает размеров самих молекул.
Если мы попытаемся таким же образом соединить осколки стекла, то из-за неровностей у нас ничего не выйдет – расстояние между молекулами окажется слишком велико. Но если нагреть куски стекла, то стекло станет возможно починить. На том же принципе происходит соединение кусков металла при сварке или пайке.
Но почему тогда между молекулами существуют промежутки? По логике вещей, они должны намертво слипнуться. Но этого не происходит, поскольку между молекулами (атомами) в то же время существуют силы отталкивания.
Когда заметнее проявляется отталкивание, а когда притяжение между молекулами?
На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении – отталкивание (рисунок 4).
На пружине с помощью нитей закреплена стеклянная пластина, ее подносят к емкости с водой так, чтобы она легла на поверхность жидкости.
Когда мы пытаемся оторвать платину от поверхности воды, пружина заметно растягивается. Это доказывает существование притяжения между молекулами.
К тому же, мы можем заметить, что стеклянная пластина теперь покрыта тонким слоем воды. Это означает, что разрыв произошел там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом, а не с поверхностью стекла.
Смачиваемость и несмачиваемость
Какое явление, наблюдаемое в природе, основано на притяжении молекул твердого тела и жидкости?
Это и есть явление смачивания.
Благодаря этому явлению мы можем совершать многие бытовые действия. Например, вытирать мокрые предметы, стирать белье, писать ручкой на бумаге.
Но с другой стороны, вода может и не смачивать тела (парафин/воск/жир). Это означает, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к молекулам твердого тела. Такое явление называют несмачиваемостью. Благодаря ему мы можем во время дождя ходить под зонтом или в непромокаемом плаще и оставаться сухими.
У водоплавающих птиц перья и пух остаются сухими. Какое явление здесь наблюдается?
Это как раз яркий пример явления несмачиваемости. У водоплавающих птиц есть специальные железы, вырабатывающие жир. Когда мы видим, как такие птицы чистят перья, на самом деле они смазывают их этим жиром. Так перья не намокают, и птица может легко держаться на воде и не замерзать.
Задания
Задание №1
Смочите два листочка бумаги: один — водой, другой — растительным маслом. Слипнутся ли они при соприкосновении? Ответ обоснуйте.
Эти листы не слипнутся между собой. Мы будем наблюдать пример несмачивания, ведь вода не смачивает жирные поверхности. Это означает, что молекулы воды притягиваются друг к другу намного сильнее, чем при взаимодействии с молекулами масла.
Задание №2
Кусок мыла сильно прижмите к тарелке, смоченной водой, и поверните несколько раз. Поднимите мыло вверх. Вместе с мылом поднимется и тарелка. Объясните, почему это произошло.
Обратите внимание, что если мы положим мыло на сухую тарелку, то поднять ее мы не сможем. В нашем же случае наблюдается эффект смачивания. Дополнительно мы еще и придавили мыло к тарелке. Расстояние между молекулами воды на тарелке и мыла стало сравнимо с расстоянием молекул в веществе. Их взаимное притяжение позволяет теперь поднять тарелку вместе с мылом.