При кипячении воды образуются пузырьки. Вы когда-нибудь задумывались, что внутри них? Пузыри образуются в других кипящих жидкостях? Вот посмотрите на химический состав пузырьков, на то, отличаются ли пузырьки кипящей воды от пузырьков, образующихся в других жидкостях, и как вскипятить воду без образования пузырьков вообще.
Факты: пузыри кипящей воды
- Первоначально пузырьки в кипящей воде – это пузырьки воздуха.
- Пузырьки в воде, доведенной до кипения, состоят из водяного пара.
- Если вы повторно вскипятите воду, пузырьки могут не образоваться. Это может привести к взрывному кипению!
- Пузырьки образуются и в других жидкостях. Первые пузырьки состоят из воздуха, за ними следует паровая фаза растворителя.
Внутри пузырьков кипящей воды
Когда вы впервые начинаете кипятить воду, пузырьки, которые вы видите, в основном являются пузырьками воздуха. Технически это пузырьки, образующиеся из растворенных газов, выходящих из раствора, поэтому, если вода находится в другой атмосфере, пузырьки будут состоять из этих газов. В нормальных условиях первые пузырьки состоят в основном из азота с кислородом и немного аргона и углекислого газа.
По мере того, как вы продолжаете нагревать воду, молекулы получают достаточно энергия для перехода из жидкой фазы в газообразную. Эти пузыри представляют собой водяной пар. Когда вы видите воду в состоянии «непрерывного кипения», пузырьки полностью состоят из водяного пара. На участках зародышеобразования начинают образовываться пузырьки водяного пара, которые часто представляют собой крошечные пузырьки воздуха, поэтому, когда вода начинает кипеть, пузырьки состоят из смеси воздуха и водяного пара.
И пузырьки воздуха, и пузырьки водяного пара расширяются по мере подъема, потому что на них действует меньшее давление. Вы можете увидеть этот эффект более четко, если надуваете мыльные пузыри под водой в бассейне. К тому времени, как пузырьки достигают поверхности, они становятся намного крупнее. Пузырьки водяного пара вначале становятся больше по мере повышения температуры, потому что все больше жидкости превращается в газ. Кажется, будто пузырьки исходят от источника тепла.
Пока пузырьки воздуха поднимаются и расширяются, иногда пузырьки пара сжимаются и исчезают, когда вода меняется из газовое состояние обратно в жидкую форму. Два места, где вы можете увидеть, как сжимаются пузырьки, находятся на дне кастрюли непосредственно перед закипанием воды и на верхней поверхности. На верхней поверхности пузырек может либо лопнуть и выпустить пар в воздух, либо, если температура достаточно низкая, пузырек может сжаться. Температура у поверхности кипящей воды может быть ниже, чем у нижней жидкости из-за энергии, которая поглощается молекулами воды, когда они меняют фазы.
Если вы дайте кипяченой воде остыть и сразу вскипятите ее, вы не увидите образования растворенных пузырьков воздуха, потому что вода не успела растворить газ. Это может представлять угрозу безопасности, потому что пузырьки воздуха разрушают поверхность воды в достаточной степени, чтобы предотвратить ее взрывное вскипание (перегрев). Вы можете наблюдать это с водой, приготовленной в микроволновой печи. Если вы кипятите воду достаточно долго, чтобы газы вышли, дайте воде остыть, а затем сразу же снова вскипятите ее, поверхностное натяжение воды может предотвратить кипение жидкости, даже если ее температура достаточно высока. Тогда удары по контейнеру могут привести к внезапному бурному вскипанию!
Люди часто заблуждаются, полагая, что пузыри состоят из водорода и кислорода. Когда вода закипает, она меняет фазу, но химические связи между атомами водорода и кислорода не разрываются. Единственный кислород в некоторых пузырьках поступает из растворенного воздуха. Газообразного водорода нет.
Состав пузырьков в других кипящих жидкостях
Если вы кипятите другие жидкости, кроме воды, происходит тот же эффект. Первоначальные пузыри будут состоять из любых растворенных газов. Когда температура приближается к точке кипения жидкости, пузырьки становятся паровой фазой вещества.
Кипение без пузырьков
Хотя вы можете вскипятить воду без пузырьков воздуха, просто переварив ее, вы не сможете достичь точки кипения, не получив пузырьков пара. Это верно и для других жидкостей, включая расплавленные металлы. Ученые открыли метод предотвращения образования пузырей. Метод основан на эффекте Лейденфроста, который можно увидеть, разбрызгав капли воды на горячую сковороду. Если поверхность воды покрыта высокогидрофобным (водоотталкивающим) материалом, образуется паровая подушка, предотвращающая образование пузырьков или взрывное кипение. Этот метод не имеет большого применения на кухне, но его можно применять к другим материалам, потенциально уменьшая сопротивление поверхности или контролируя процессы нагрева и охлаждения металла.