Кристаллическая решётка и расширение воды

Большинство веществ в природе сжимаются при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Молекулы замедляют тепловое движение, сильнее притягиваются друг к другу и упаковываются гораздо компактнее. С водой происходит редкое физическое исключение, которое в науке называют температурной аномалией воды.

Каждая молекула воды образована одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. В жидкой воде молекулы находятся в постоянном движении, они скользят друг по другу, сближаются на минимальные расстояния и часто перемешиваются. Жидкость упакована плотно, её средняя плотность при комнатной температуре равна примерно 1000 килограммов на кубический метр.

Когда температура падает до нуля градусов Цельсия, хаотичное движение молекул почти останавливается. Водородные связи между атомами фиксируются под строго определёнными углами. Молекулы выстраиваются в красивую шестиугольную кристаллическую решётку, напоминающую пчелиные соты. Внутри этой конструкции остаётся много свободного пустого пространства.

Из-за пустот внутри кристаллической структуры тот же миллиард молекул занимает больше пространства. Масса вещества остаётся неизменной, а объём увеличивается примерно на девять процентов. Плотность равна отношению массы к объёму, поэтому у льда этот показатель снижается примерно до 917 килограммов на кубический метр.

Закон Архимеда и плавучесть льдин

Поведение любого погружённого тела определяет закон Архимеда. Жидкость давит на нижнюю часть предмета сильнее, чем на верхнюю, создавая направленную вверх выталкивающую силу. Эта сила в точности равна весу объёма воды, который вытеснило погружённое тело.

Если плотность предмета превышает плотность окружающей среды, сила тяжести побеждает, увлекая тело ко дну. Когда плотность материала ниже плотности жидкости, выталкивающая сила поднимает его наверх. Лёд всплывает и замирает на границе воды и воздуха, когда сила тяжести уравновешивается силой Архимеда.

Соотношение плотностей льда и пресной воды составляет 917 к 1000. В результате деления получается коэффициент около 0,92. Это значит, что примерно девяносто два процента объёма ледяной глыбы находится под водой, и только около восьми процентов поднимается над гладью. Именно это соотношение делает айсберги смертельно опасными для морских судов, так как их истинные масштабы скрыты на глубине.

Точка четырёх градусов и спасение жизни в водоёмах

Необычные свойства воды проявляются ещё до её замерзания. При постепенном охлаждении тёплая вода ведёт себя привычно: сжимается, уплотняется и опускается вниз. Этот процесс длится ровно до температуры плюс четыре градуса Цельсия.

При плюс четырёх градусах пресная вода достигает максимальной плотности. Если охлаждать её дальше, начинается обратный процесс: молекулы начинают заранее формировать зачатки решётки, расстояние между ними увеличивается, а плотность падает. Вода с температурой ноль градусов легче воды с температурой плюс четыре градуса.

Осенью и зимой остывающая поверхностная вода опускается на дно только до тех пор, пока весь водоём не охладится до плюс четырёх градусов. Дальнейшее охлаждение оставляет самую холодную воду наверху, ведь она теряет плотность. На поверхности водоёма образуется ледяной панцирь.

Сформировавшийся лёд обладает плохой теплопроводностью и служит теплоизолирующей крышей. На дне глубоких рек и озёр всю зиму сохраняется плюсовая температура около четырёх градусов. Это защищает водоёмы от промерзания до самого грунта и спасает рыб, моллюсков и водоросли от гибели.

Разрушительная сила расширения

Переход воды в лёд сопровождается колоссальным механическим усилием. Если у воды нет свободного выхода наружу, расширяющийся кристаллический каркас способен разорвать практически любую преграду. С проявлениями этой силы люди сталкиваются регулярно в быту и в природе.

  • Забытая в морозильной камере стеклянная бутылка с напитком лопается, поскольку образовавшемуся льду требуется значительно больше места, чем занимала жидкость.
  • Вода затекает осенью в микроскопические трещины дорожного полотна или скальных массивов, а зимнее замерзание крошит асфальт и откалывает куски гранита.
  • Уличные металлические водопроводные трубы без качественного утепления при сильных заморозках трескаются вдоль швов от внутреннего давления льда.

Частые вопросы

Изменится ли уровень воды в стакане, когда плавающий кубик льда растает?

Уровень воды останется прежним. Плавающий лёд вытесняет объём воды, масса которой равна массе этого льда. При таянии кубик превратится в жидкую воду точно такой же массы, и эта вода займёт именно тот подводный объём, который занимал кусок.

Бывает ли лёд, который способен утонуть в воде?

Да, существует лёд из так называемой тяжёлой воды, где обычный водород заменён изотопом дейтерием. Его плотность составляет около 1105 килограммов на кубический метр, поэтому кусок дейтериевого льда быстро тонет в обычном стакане. Также в лабораториях при сверхвысоком давлении получают плотные формы льда с плотно упакованными молекулами.

Почему морской лёд практически пресный, если океан солёный?

При росте ледяных кристаллов молекулы воды выстраивают строгую структуру, вытесняя посторонние ионы натрия и хлора. Соль концентрируется в крошечных каплях концентрированного рассола, которые постепенно вытекают через капилляры обратно в море. Со временем старый морской лёд становится пресным.

Тонут ли другие вещества в своих собственных расплавах?

Почти все известные вещества тонут в расплавленном состоянии собственного материала. Твёрдый кусок железа, свинца, золота или воска опускается на дно ёмкости с жидким расплавом того же металла, так как их твёрдые формы плотнее жидкостей. Вода, висмут, сурьма и галлий являются редкими исключениями из этого правила.