完全透明的冰块是怎么冻出来的?
常温的水:自来水,纯净水,矿泉水,过滤水。
小结:
1.均有大小不一的白色花纹。
2.水在凝固时,膨胀的方向是随机的,因此花纹的形状几乎都是不同的。
煮沸的水:自来开水,纯净开水,矿泉开水,过滤开水。
小结:
1.均有花纹,体积相对减少。
2.煮沸可减少白色花纹,但无法完全去除。
如何得到透明冰块?
方法如下:
1.用敞口的保温容器,或给普通容器包上保温材料(泡沫纸or毛巾)并打开盖子,倒入凉白开冷冻。
2.取出冰块,偏上层为透明冰块,而气泡则聚集在底部;切除气泡or裂纹部分简单修饰,得到透明冰块。
原理说明:
冷冻前:液态水分子,混乱无序状态。
冷冻后:固态水分子,六元环结构,高度有序状态。
直接冷冻:均有大小不一的花纹,形状各不相同
沸煮5分钟后冷冻:花纹体积相对减少,但无法完全去除(图2-5)。
小结:不同种类水用冰格制冰,会出现白色花纹;而煮沸的水制冰,花纹大大减少,但无法制得全透明冰块。最终我们还是制出了全透明的冰块,方法在文章最后。
实验原理:
水是怎样结成冰的?
微观上,水结成冰是通过氢键网络重组发生的。当温度降低,水分子通过氢键进行有序重组,形成六元环晶格结构(图8)。每个水分子被固定在一个六边形的连接处,像细铁丝栅栏一样,许多六边形堆积起来,形成固态冰块。
冰块里的花纹是什么?
是未逃逸的空气。气体在水中有一定的溶解度,当温度降低,水分子试图在固体晶格中寻找自己的特定位置,此时水中溶解的气体和其他物质,成了一种障碍物,被正在形成的晶格结构排出。由于冰箱中水的凝固是由外向内的,气体无法顺利逃脱,被逐渐赶往冰块内部,随着水的凝结而形成微小的气泡。
这些气泡可以消去吗?
可减少,但无法完全消去。温度会影响气体在水中的溶解度。温度上升,气体的溶解度下降。因此,将水煮沸几分钟,可去除水中溶解的气体。相反,水温越低,水中溶解的气体越多。煮沸后的水,冷冻过程中仍会溶入少量气体,在冰块内部形成气泡。仅靠将水煮沸无法制得完全透明的冰块。
如何制作透明冰块?
控制冰晶生长的速度和方向。用敞口的保温箱,或将普通容器包上隔热材料(泡沫纸or毛巾);倒入凉白开,敞口放入冰箱冷冻区(图6)。
此时,水结冰的速度放缓,方向由上而下,气泡聚集在底部;24h后取出冰块,将底部的冰块切掉后简单修饰,得到完全透明的冰块(图7)。
另外用制冰机制得的冰块透明度高,其原理是通过水的喷淋、一层一层结成冰,在中间的水未冻结前结束制冰。因而,冰块大多有中空的结构。