почему лёд легче воды. почему лёд плавает на воде.
Итак, вода остыла, начала замерзать, и по её поверхности поплыли льдины. Но плотность веществ с понижением температуры обычно растёт, а вода этой закономерности не подчиняется. Почему же лёд оказывается легче воды?
Многие считают, что в толще льда остаются многочисленные поры и промежутки, заполненные воздухом. Пузырьки воздуха действительно нередко вмерзают в лёд, и такая „губка“ становится значительно легче воды. Но даже лёд без микроскопических пор и трещин имеет плотность 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода при той же температуре — 0,9984 г/см 3. Дело, значит, только в особенностях структуры льда и воды.
Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H2O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок“.
Молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости (соответствующие атомам водорода) ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими (физики говорят: координационное число льда равно 4).
У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент каждую молекулу воды окружают от 4 до 5 „соседок“, так что среднее их число оказывается равным 4,4. Это означает, что молекулы воды в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, вода плотнее льда. Относительные изменения величин координационного числа (10%) и плотности (9%) очень хорошо совпадают по величине.
Когда лёд тает, освободившиеся холодные молекулы обладают малой энергией и низкой подвижностью. Вначале они сохраняют структуру кристаллической решётки, и плотность воды остаётся низкой. Постепенно регулярный порядок молекул размывается, они группируются теснее, и плотность воды растёт. При температуре 4°С она достигает максимума (0,999973 г/см 3), а потом начинает падать из-за теплового движения молекул, которое становится всё активнее по мере нагрева.
Подобным образом ведут себя и некоторые металлы, например чугун. Это позволяет использовать его как материал для художественного литья. При застывании чугун расширяется и заполняет все, даже самые тонкие детали формы. Чугунные кружевные решётки и настольные скульптуры по моделям известных художников издавна отливали в уральском городе Касли.
Все вещества в природе при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода следует этому правилу, но лишь до известного предела. Она сжимается, охлаждаясь до +4°С. При такой температуре вода обладает наибольшей плотностью и весом. Охлаждаясь дальше и превращаясь в лед при 0°С, она вдруг проявляет “строптивость” и снова . расширяется. При этом вода и лед увеличиваются в объеме, а их плотность и вес уменьшаются. Лед становится легче воды, из которой образовался. Вот почему лед не тает в воде, а плавает на ее поверхности.
В водоемах вода с температурой +4°С как самая тяжелая опускается на дно, а более холодная и легкая поднимается вверх, и часть ее становится льдом. И хотя зимой поверхность водоема скована льдом, на дне температура воды равна +4° С. Не будь этого, водоемы полностью промерзали бы. Языки льда доползли бы от полюсов до экватора, 3емля вся оледенела бы и жизнь на ней прекратилась бы.
Кстати, из-за свойства замерзающей воды увеличиваться в объеме лопаются водопроводные трубы, разрушаются скалы.
Источник
Почему лёд плавает в воде?
Тот парадоксальный факт, что лёд, т.е. твёрдая форма воды, легче самой воды, общеизвестен, хотя мы редко задумываемся о его парадоксальности. Действительно, у подавляющего большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкой. Вода – одно из редких исключений.
Причина кроется в строении атома воды и взаимодействии этих атомов между собой.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так происходит потому, что кислороду не хватает двух электронов до «совершенства» — заполнения внешней орбитали, и он «одалживает» их у атомов водорода (у которых их как раз по одному). Почему так происходит – отдельный вопрос, несколько выходящий за пределы темы нашего разговора.
Атом кислорода значительно больше атома водорода, который вообще является самым маленьким из всех (1 протон, 1 электрон). Поэтому атом кислорода очень сильно притягивает «водородные» электроны – настолько сильно, что почти «отрывает» их от «родного» атома, который в итоге почти лишается их, превращаясь в «голый» протон с зарядом +1. Кислород же, до реакции нейтральный, получает два «лишних» электрона и, соответственно, заряд -2. Получается как бы треугольничек, одна из вершин которого заряжена отрицательно, а две других – положительно. Кстати, угол у вершины этого треугольничка составляет 104 градуса (это немаловажно)
Если мы «набросаем» рядом друг с другом большое множество таких треугольничков, то увидим, что они начнут особым образом ориентироваться в пространстве: положительно заряженные «уголки» одних молекул начинают притягиваться к отрицательно заряженным «уголкам» других. В итоге каждая молекула воды стремится образовать связи с четырьмя другими: каждый атом водорода хочет «приклеиться» к атому кислорода другой молекулы, а к атому кислорода стремятся приклеиваются две молекулы водорода двух других атомов.
Это особое притяжение, возникающее между молекулами воды, называется водородной связью. Эта связь характерна тем, что она срабатывает на существенно больших расстояниях (примерно равных размеру молекулы воды), чем обычные ковалентные связи между молекулами, однако является значительно (на порядок) менее прочной.
Для того, чтобы – с учётом вышеизложенного – понять, почему же лёд легче воды, посмотрим, что будет происходить с водой при её постепенном охлаждении.
Молекулы воды (как и молекулы любой другой жидкости) находятся в постоянном движении, причём чем теплее вода, тем быстрее движутся такие молекулы. Опять же, как и в любой другой жидкости, расстояния между молекулами воды меньше их размеров. То есть, они находятся достаточно близко к друг другу для того, чтобы между ними возникали водородные связи –и они возникают. Однако, как мы уже говорили, эти связи ещё и очень непрочные – их энергия примерно равна энергии теплового движения молекул жидкости. А потому, даже возникнув, такие связи сразу рвутся просто из-за того, что двум связанным молекулам «пришло в голову» разлететься в разные стороны.
Тем не менее, какая-то часть молекул воды в каждый момент времени связана водородными связями, что определяет другие аномальные свойства этого вещества – например, очень большую теплоёмкость, а также ряд других.
Но вот мы охладили жидкость до той температуры, при которой энергия кинетического движения её молекул уже ниже энергии водородной связи. То есть, единожды «попавшись в сети» водородной связи, молекула воды уже не сможет их покинуть, а возникнувшая связь не разрывается. Начинают возникать цепочки сцепленных водородной связью молекул, которые затем объединяются между собой в группы, те – в ещё более крупные объединения. В результате образуется устойчивая структура – кристаллическая решётка. Вода замерзает и превращается в лёд.
Кстати говоря, именно из-за этого кристаллы льда имеют такую форму, какую они имеют – форму, основанную на гексагональной призме (т.е. призме, в сечении представляющей собой правильный шестиугольник). Несложно видеть, что именно такая фигура представляет собой простейший способ упаковки молекул в трёхмерную структуру с учётом того, что каждая из них должна быть связана с четырьмя другими.
Кстати, другие модификации льда, имеющие другое строение кристаллической решётки (а всего таких модификаций 18 штук!) возникают в условиях, когда атомы в решётке удерживаются не только водородными, но и обычными ковалентными связями. Правда, для этого нужны другие температуры и не встречающиеся на Земле давления — либо очень большие, либо, наоборот, слишком маленькие.
А вообще, не будь водородных связей, физические свойства воды существенно бы отличались. Так, вода вскипала бы уже -80 градусах Цельсия, а обращалсь бы в лёд при -100. Ну и, конечно, плотность льда была бы больше плотности воды, и плавать в ней он бы не мог.
К слову, вода – редкое, но не единственное вещество с подобными свойствами. Во фтористом водороде, например, водородные связи имеют даже более сильный характер, отчего теплоёмкость этого вещества даже выше, чем у воды.
Водородные связи играют роль в органической химии и биохимии – например, именно водородные связи стабилизируют спирали ДНК, а также формируют вторичные и третичные структуры многих белков. Полимерные материалы (например, нейлон) также часто обретают свои свойства именно из-за водородных связей между их молекулами.
Так что можно сказать, что самим своим существованием мы с вами обязаны такому явлению, как водородная связь!
Источник
