§ 4. Густина речовин

Напевно ви бачили на кухні пательні або каструлі, виготовлені з різних металів.

Алюмінієва пательня (ліворуч) та сталева (праворуч) виглядають майже однаково, мають приблизно однакові розміри, проте різняться за масою. Навіть «зважуючи» їх руками, можна відчути, що алюмінієва пательня значно легша за сталеву. Чому так?

Алюміній і сталь суттєво відрізняються густиною. Густина характеризує масу, яку має певне тіло певного об’єму. Якщо два тіла мають однаковий об’єм, проте виготовлені з речовин із різною густиною, то тіло з меншою густиною буде легшим, а тіло з більшою густиною — важчим.

Густина речовин залежить від багатьох умов. Що щільніше розташовані частинки в речовині, що більша їх маса та менші розміри, то більша густина цієї речовини.

Визначення густини речовин

Густину речовини позначають грецькою літерою ρ (читається «ро»). Для обчислення густини слід масу зразка речовини (тіла) поділити на її об’єм:

До прикладу, у нас є металевий ключ. Зважимо його на терезах та визначимо масу — 27 г (0,027 кг). Також необхідно визначити об’єм ключа.

Ви вже знаєте, що для обчислення об’єму слід помножити довжину, ширину й висоту тіла. Але це прийнятне лише для тіл правильної форми. Для ключа визначити об’єм у такий спосіб неможливо.

Об’єм тіл складної форми можна визначити зануренням їх у воду (мал. 4.1).

Мал. 4.1. У разі занурення ключа у воду об’єм умісту вимірювального циліндра збільшується на 10 мл, тож об’єм ключа дорівнює 10 см 3 (1 мл = 1 см 3 )

Визначивши в такий спосіб об’єм ключа, за формулою обчислимо густину металу, з якого виготовлений ключ:

Для більшості відомих матеріалів густини визначені та наведені в довідниках (див. Додаток). За довідником визначаємо, що метал із густиною 2700 кг/м 3 — це алюміній.

Розглянутий спосіб можна використовувати для визначення густини твердих речовин. Так само можна визначити й густину рідин. У лабораторній техніці для цього використовують пікнометри (мал. 4.2). Залежно від розмірів, пікнометр вміщує точно визначений об’єм рідини. А на терезах можна визначити масу налитої рідини.

Мал. 4.2. У кожного пікнометра наявна риска. Наливаючи рідину до цієї риски (за нижнім краем меніска), вимірюють певний об’єм рідини з дуже великою точністю

Якщо є необхідність часто визначати густину рідин, приміром, молока від різних виробників (на молокозаводі), сечі різних людей (для аналізів у лікарнях), різних напоїв тощо використовують ареометри (мал. 4.3).

Мал. 4.3. Набір ареометрів (а) для рідин із різною густиною. Досліджувану рідину (б), приміром бензин, наливають у високу вузьку посудину. Необхідний ареометр занурюють у рідину, а рівень рідини (в) показує її густину. Залежно від густини рідини ареометр сильніше виштовхується або занурюється в рідину

Порівняння густини речовин та тіл

На поверхні супу часто можна побачити краплини олії. Чому олія завжди плаває на поверхні супу, а шматочки картоплі тонуть?

Відповісти на це запитання можна порівнянням густин речовин або тіл.

Якщо до води (або до іншої рідини) додати декілька різних речовин (тіл), то речовини (тіла) з меншою густиною, ніж у води, спливатимуть, а з більшою — потонуть (мал. 4.4). Густина чистої води — 1000 кг/м 3 (або 1 г/мл).

Мал. 4.4. У металевої гирі густина більша, ніж у води, тому вона завжди буде тонути у воді, а в корка 1 густина менша, тож він плаває на поверхні води

1 Корки виготовляють із кори коркового дуба.

Отже, у супі густина олії менша за густину води, тому вона завжди плаватиме на поверхні води або водних розчинів, а в картоплі та більшості інших овочів густина більша.

Чи траплялося вам кидати лід у напій або питну воду? Чи спостерігали ви річки взимку та навесні? В обох випадках лід плаває на поверхні води (мал. 4.5). Це також відбувається внаслідок різниці густин: тверда вода (лід) має меншу густину (ρ = 920 кг/м 3 ), ніж рідка вода (ρ = 1000 кг/м 3 ).

Мал. 4.5. Лід у склянці з водою (а) та льодохід на Дніпрі (б)

У свіжого сирого курячого яйця густина дещо більша, ніж у прісної води, тому воно тоне. Якщо у воді розчинити одну-дві ложки солі, то густина розчину збільшується, і густина яйця тепер дещо менша густини солоної води, через що воно спливає.

Якщо взяти кілька різних рідких речовин, що не дуже добре змішуються одна з одною, то їх можна акуратно налити в одну посудину й отримати багатошарову систему, як на світлині.

У склянці містяться (знизу догори): мед, молоко та олія, густини яких 1400, 1030 та 800 кг/м 3 відповідно

КЛЮЧОВА ДУМКА ПАРАГРАФА

Густина речовин зумовлена щільністю розташування, розмірами та масою частинок у ній.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

36. Що називають густиною? Від чого вона залежить?

37. Як можна визначити густину твердих і рідких речовин?

38. Як визначити, яка речовина або матеріал потоне у воді, а яка спливатиме?

ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВІ ЗАВДАННЯ

39. Підготуйте невеличку доповідь про життя, діяльність і відкриття давньогрецького науковця Архімеда.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ В ГРУПАХ

40. Сірка має густину більшу, ніж у води. Проте, якщо насипати порошок сірки у воду, вона збирається на поверхні й не тоне. Про які властивості сірки це свідчить?

До завдання 40

41. За малюнком визначте густини квасу та розсолу для маринування. Обговоріть, на чому ґрунтується можливість визначати густину рідин ареометром.

42. У побуті часто використовують спосіб визначення свіжості курячих яєць, зображений на малюнку. Обговоріть, на чому ґрунтується цей спосіб.

43. Обговоріть, як саме різні характеристики речовини (розмір молекул, маса молекул, щільність розташування молекул тощо) зумовлюють їх густину.

44. Під час обіду занотуйте склад будь-якої першої страви (суп, борщ, окрошка тощо). Які висновки можна зробити щодо густин різних компонентів цієї страви?

45. У склянці містяться: цукровий сироп, олія та підфарбована вода. Зважаючи на малюнок, визначте, у якій частині склянки перебуває кожна рідина.

До завдання 45

Зробіть висновки щодо густини магніту, фініка та пінопласту. Установіть відповідність між усіма згаданими речовинами й тілами та значеннями їх густини (кг/м 3 ): 800, 7800, 1300, 1000, 950, 20.

46. Існує легенда про Архімеда та царя Гієрона (царя грецького міста Сіракузи, у якому жив науковець).

Одного разу Гієрон замовив ювеліру виготовити зі злитка золота корону. Ювелір виконав завдання, проте в Гієрона були сумніви щодо чесності ювеліра. Цар запідозрив, що той вкрав частину золота, а замість украденого додав стільки ж срібла. Гієрон доручив Архімедові дізнатися: злодій ювелір чи ні. Архімед тривалий час міркував, адже маса корони була така сама, як і виданого ювелірові злитка золота, а за зовнішнім виглядом наявність домішок срібла визначити неможливо.

Розмірковуючи над завданням, Архімед якось потрапив до бані. Занурюючись у ванну з водою він звернув увагу як змінюється рівень води в ній. У цей момент його осяяла ідея, і з вигуком «Еврика!», що грецькою означає «знайшов», Архімед вибіг із купальні і згодом довів Гієронові шахрайство ювеліра.

За матеріалом § 4 визначте, що саме «знайшов» Архімед у купальні. Як він довів шахрайство ювеліра? Обґрунтуйте цей спосіб із використанням даних Додатка.

47. На малюнку ліворуч зображений алюмінієвий кубик, який плаває у ртуті, а на малюнку праворуч — свинцевий кубик такого самого розміру. Які висновки щодо алюмінію, свинцю і ртуті можна зробити, ґрунтуючись на цій інформації?

48. Порівняйте густини мармуру, деревини, льоду, корку та парафіну (див. Додаток). Кубик з якого матеріалу глибше занурюватиметься у воду, а з якого — менше?

49. Порівняйте густини гуми та води (див. Додаток). Чи потоне гумовий шнур у воді? А чому не тоне у воді надутий гумовий м’яч?

ДОСЛІДЖЕННЯ

Дослідження густини рідин

Ви можете самостійно виготовити багатошарову суміш, яку описано в § 4. Розгляньте запропонований малюнок. Зважаючи на нього, придумайте свою суміш. Доберіть для неї компоненти та виготовте суміш. Зверніть увагу, що всі компоненти слід додавати у склянку дуже акуратно, щоб запобігти їх перемішуванню.

У висновку зауважте, як саме слід виготовляти придуману вами суміш. Чи можна її використовувати для визначення густини певних об’єктів? Утворену суміш сфотографуйте та покажіть своїм однокласникам / однокласницям.

Експериментальне визначення густини тіл

Використовуючи спосіб визначення густини тіла, описаний у параграфі, визначте густину будь-якого невеликого тіла (каблучки, браслета, ключа, ґудзика тощо). За даними Додатка (с. 175), визначте, з якого матеріалу виготовлений досліджений вами предмет. Якщо в ньому відсутній матеріал з такою густиною, знайдіть інформацію про досліджений предмет у додаткових джерелах.

Чи дійсно вода – найкращий вибір у спеку

Наше тіло більш ніж на половину складається з води. Щоб підтримувати таку її кількість в організмі, фахівці радять випивати від шести до восьми склянок рідини щодня.

Вода – найздоровіший з доступних нам напоїв. Вона не містить цукру й калорій, але чи завжди це найкращий спосіб підтримати баланс рідини в організмі?

Відповідь неоднозначна й залежить від вашого віку й способу життя.

“Потреби фізично активної людини, яка працює у спекотний день просто неба, відрізняються від того, хто проводить день у приміщенні з кондиціонером, а потім сідає в машину також з кондиціонером”, – каже Рон Моган, професор Медичної школи Університету Сент-Ендрюс.

Очевидно, що активній людині потрібно випивати більше рідини, ніж тому, хто веде малорухомий спосіб життя, але є деякі нюанси.

Коли ми пітніємо, ми втрачаємо воду і солі, і наше тіло потребує поповнення обох речовин. Якщо ми споживаємо те й інше у надмірній кількості, організм спробує відновити баланс за допомогою осмосу, пропускаючи воду крізь клітинні мембрани.

“Заміна втраченої рідини лише водою означає, що в організмі буде багато води і недостатньо солей, тому, щоб відновити баланс, він позбудеться води, виробляючи сечу”, – пояснює Моган.

Саме тому молоко може бути більш ефективним способом втамувати спрагу, ніж проста вода.

Молоко містить сіль, лактозу й цукор, які потрібні у невеликих кількостях, щоб стимулювати поглинання води в кишківнику, пояснює дослідник.

Автор фото, Mikroman6/Getty Images

Коли нам жарко, ми інстинктивно тягнемось за водою

Кокосова вода також ефективна, тому що вона містить сіль, калій та вуглеводи.

Молоко також містить електроліти та макроелементи, які всмоктуються в організм. Разом з ними вода повільніше рухається по шлунку й тонкому кишківнику, дозволяючи організму краще засвоїти й утримати рідину.

Хоча молоко й містить цукор, воно відрізняється від солодких напоїв, які не втамовують спрагу, а навпаки – зневоднюють організм.

А ось спортивні напої, які містять електроліти й до складу яких входять натрій, калій, магній і кальцій, навпаки добре відновлюють рідину в організмі й є більш ефективними, ніж вода.

Спортсмени втрачають багато поту протягом тривалого часу, тому їм важливо поповнити втрачені електроліти. Однак це непотрібно решті з нас.

Збалансоване харчування разом зі звичайними напоями, які ми споживаємо, дає організму достатньо необхідної рідини, каже Софі Кіллер, консультант з дієтичного харчування для елітних і професійних спортсменів.

Автор фото, Peopleimages/Getty Images

Мікроелементи в молоці допомагають організму поглинути більше рідини

“Спортивні напої містять вуглеводи, які по суті є цукром, і якщо ви весь день сидите за письмовим столом, вам не потрібні додаткові калорії”, – каже вона.

Те саме стосується й солі, яку більшість з нас споживає занадто багато.

Втім, споживання достатньої кількості рідини важливо для всіх, адже дослідження показують, що кожен п’ятий з нас має зневоднений організм протягом певного часу.

Склянка води й шматочок фрукта перед пробіжкою – ідеальний варіант, радить Девід Нейман, професор біології з Апалачського університету. Його досліди показали, що фрукти добре відновлюють запас рідини в тілі.

“Половина банана містить цукор і 24 види поліфенолів. Вони збережуть воду в організмі й доставлять поживні речовини, необхідні для фізичних вправ”, – говорить він.

Ця порада стосується й дітей, каже Габріелла Монтенегро, нутриціолог з Центру досліджень у Гватемалі. Вона виявила, що діти, які регулярно їдять фрукти та овочі, мають достатній рівень рідини в організмі.

Вона радить споживати більше фруктів і овочів насамперед дітям і людям похилого віку, які мають більший ризик зневоднення.

Автор фото, Ruslan Galiullin/Getty Images

Кокосова вода містить основні мінерали та мікроелементи, які організм втрачає під час потовиділення

Власне, споживання будь-яких вуглеводів допомагає уповільнити всмоктування води й зберегти рідину в організмі.

“Найпростіший спосіб – це запивати водою їжу, вона дозволяє воді перетнути мембрани клітин і потрапити туди, де вона й має бути, а не рухатися прямо до сечового міхура”, – каже Софі Кіллер.

Інший спосіб зберегти вологу в організмі – пити чай і каву. Існує думка, що напої з кофеїном зневоднюють, але це так, тільки якщо ми споживаємо багато кофеїну і дуже мало води.

Насправді чай і кава – це хороший спосіб підтримати водний баланс, тому що ми вочевидь питимемо більше, якщо напій нам подобається.

Іноді навіть високі дози кофеїну не призводять до зневоднення, якщо організм до них звик. Так, затяті кавомани менш сприйнятливі до сечогінної дії кофеїну.

Пані Кіллер провела дослідження за участю 50 чоловіків, які регулярно п’ють каву. Вчена з’ясувала, що вживання чотирьох чашок кави на день протягом трьох днів забезпечувало такий самий рівень рідини, що й еквівалентна кількість води.

“У любителів кави нирки адаптуються до утримання рідини з цього напою, – каже вона. – Отже, помірна кількість кави або чаю не зневоднює організм тих, хто звик до вживання кофеїну”.

Утримання рідини в тілі залежить не лише від того, що ми п’ємо, але і як ми п’ємо. Протягом дня нашому організму то бракує рідини, то навпаки її забагато, але сигнал він починає подавати тільки тоді, коли втрачає надто багато води.

Автор фото, Boy_Anupong/Getty Images

Попри поширену думку, чай та кава не зневоднюють організм

Але тоді оптимальний момент для поповнення запасу рідини вже втрачено.

“Коли ви відчуваєте спрагу, в організмі вже відбулися значні зміни”, – каже дослідник Оуен Джеффріс.

Щоб не допустити цього, він радить пити воду протягом дня. Вживання великої кількості рідини за раз призводить до того, що вода швидко пройде крізь тіло і вийде у вигляді сечі, не поповнивши запас рідини в організмі.

“Якщо ви швидко вип’єте літр води, вона переповнить ваш сечовий міхур, але в тілі її не залишиться багато. Сеча буде світлою, але це не означає, що організм отримав достатню кількість рідини”, – каже Кіллер.

Утім, вода все одно залишається одним з найкращих способів підтримати організм у спеку, стверджують експерти.

“Вона завжди доступна, корисна і не шкодить зубам”.

За словами Монтенегро, процеси зволоження організму в останні роки вивчають не так багато і ще є багато невідомого.

“Вода – дуже важлива поживна речовина, – додає вона. – А ми ще далеко не все знаємо про те, як вживання води пов’язане з метаболізмом”.

Прочитати оригінал цієї статті англійською мовою ви можете на сайті BBC Future.

Хочете поділитися з нами своїми життєвими історіями? Напишіть про себе на адресу [email protected], і наші журналісти з вами зв’яжуться.

Хочете отримувати головне в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!