Почему лед занимает больший объем чем вода

Трубы, взрывающиеся с морозом, напоминают нам об этом каждую зиму: лед занимает больший объем, чем жидкая вода! Удивительная особенность, которая может быть объяснена на атомном уровне.

В подавляющем большинстве случаев твердое тело тела, где молекулы более упорядочены, занимает меньше места, чем жидкое состояние. Для воды это наоборот.

Дилатометрическая аномалия

Физики называют это «тривиальной аномалией». Некоторые редкие соединения также имеют эту аномалию:

• сурьма;
• lebismuth;
• legallium;
• legermanium;
• leplutonium;
• lesilicium.

Объемный объем льда составляет 0, 91 г / см 3, а объем жидкой воды — 1 г / см 3 .Это падение плотности объясняет, в частности, что лед плавает на воде.

$config[ads_text] not found

Лед занимает больше места: вина с водородными связями

Дилатометрическая аномалия объясняется особой структурой молекулы воды H ₂ O, состоящей из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Действительно, атом кислорода отрицательно заряжен и атомы водорода положительно. Следовательно, молекула воды является поляризованной молекулой.

Эта сильная полярность позволяет создавать связи, называемые «водородными связями», между атомом кислорода и атомом водорода соседней молекулы. Во льду молекулы воды, удерживаемые водородными связями, объединяются в сеть шестиугольников, которая оставляет много вакуума: поэтому лед занимает больше места, чем жидкость.

Водородные связи также обнаруживаются в жидкой воде, но менее устойчиво. Кроме того, это дает воде высокую температуру испарения (около 100 ° C) для такой небольшой молекулы (для сравнения, H ₂ S испаряется при -60 ° C, например), и именно по этой причине для которого жидкая вода существует на Земле при комнатной температуре, и поэтому жизнь может развиваться!

Источник

Почему вода расширяется при замерзании?

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру, тем самым приобретая определенную форму. Эта кристаллическая структура менее плотная, и поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объем увеличивается, и вода «расширяется».

С беглого взгляда фраза «вода расширяется, когда она замерзает» может не иметь смысла, потому что в жидкой форме вода не имеет определенной формы или очертаний и поэтому, кажется, занимает больше места. Кроме того, когда вода замерзает, она принимает четко определенную форму, которая кажется совершенно противоположной «расширению».

Действительно ли вода расширяется при замерзании?

Да, вода расширяется при замерзании. Обратите внимание, что слово «расширяется» в этом предложении означает увеличение объема. Поэтому технически правильно было бы сказать так: объем воды увеличивается при замерзании.

Это утверждение является точным, и вы можете проверить его правомерность с помощью простого эксперимента: если вы снизите температуру воды, вы заметите, что объем воды уменьшается, поскольку она становится все более и более «нетронутой».

Вы можете обратиться к следующей диаграмме, чтобы представить эту зависимость графически:

Обратите внимание, что объем воды начинает увеличиваться при понижении температуры ниже 4 градусов Цельсия.

Теперь давайте поговорим о том, почему увеличивается объем воды или почему она расширяется, когда замерзает и достигает твердой формы.

Почему объем воды увеличивается, когда она замерзает?

Это явление связано с химическим составом воды. Видите ли, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Расположение этих атомов совершенно уникально, что придает воде некоторые особые свойства, такие как высокая теплоемкость воды, поверхностное натяжение, адгезия и когезия.

Является ли вода полярной или неполярной?

Химическая структура молекулы воды.

Такое расположение молекулы воды создает положительно заряженную сторону возле атомов водорода и отрицательно заряженную сторону возле атома кислорода.

Когда две молекулы воды сближаются, положительная сторона одной молекулы цепляется за отрицательную сторону другой молекулы. Когда это происходит в больших масштабах (т.е. с миллионами молекул воды), получается уникальная структура, которая объясняет некоторые химические свойства воды.

В жидком состоянии молекулы воды могут свободно перемещаться, образуя и разрывая водородные связи, что объясняет неправильную форму воды (или любой другой жидкости, если на то пошло). Некоторые молекулы воды часто «уложены» друг на друга, что объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом.

Расположение молекул воды в жидком состоянии.

Однако по мере снижения температуры и охлаждения воды межмолекулярные силы увеличиваются, свобода движения молекул воды уменьшается, и они становятся все менее энергичными (с понижением температуры).

Когда вода достигает точки замерзания, движение ее молекул становится незначительным, и они приобретают более определенную форму, располагаясь в виде шестигранных решеток.

Ниже приведен упрощенный вариант расположения молекул воды в кристаллической форме во льду:

Расположение молекул воды в твердой форме.

Это кристаллическое расположение молекул воды менее плотное, поскольку оно не позволяет молекулам скапливаться (как это происходит в жидкой форме) из-за более сильных межмолекулярных сил.

Такое расстояние между молекулами и их фиксация в таком положении увеличивает объем воды, поэтому говорят, что вода расширяется при замерзании.

Почему лед плавает по воде

Вода расширяется, когда становится льдом, и, поскольку объем обратно пропорционален плотности вещества, лед менее плотен, чем вода. По этой причине лед, вещество, которое кажется более тяжелым, чем его жидкая форма, плавает на воде.

Если бы вода не расширялась при замерзании, лед был бы плотнее воды. Подумайте о влиянии на экосистему планеты! Лед на поверхности озер, морей и океанов утонет, и эти водоемы будут постепенно заполняться снизу вверх. С замерзшими озерами и океанами на Земле не было бы водной жизни.

С этой точки зрения очень хорошо, что вода расширяется в твердой форме!

Источник

Почему лёд тяжелее воды?

Во-первых, как уже сказали много раз, лед легче воды, а не тяжелее.

Во-вторых, почему? Это вполне легитимный вопрос, потому что в большинстве случаев при переходе из твердой фазы в жидкую происходит УВЕЛИЧЕНИЕ объема. Причина заключается в том, что жидкая фаза существует при более высокой температуре, чем твердая. Поэтому в жидкости молекулы сильнее колеблются, чем в твердой фазе, что приводит к увеличению расстояний между ними. Это делает жидкость более «рыхлой», то есть менее плотной, чем твердая фаза.

Но вода и лед ведут себя противоположным образом: при переходе ото льда к воде объем УМЕНЬШАЕТСЯ, а не увеличивается. Причина этого — водородные связи между молекулами H2O. В кристаллической решетке льда каждая молекула H2O связана водородными связями с четырьмя окружающими молекулами Н2О. Это приводит к довольно ажурной кристаллической решетке льда, где молекулы H2O не могут сильно сблизиться, оставляя между собой пустоты. Когда лед превращается в воду, эта кристаллическая структура нарушается. Соседние молекулы по-прежнему связываются водородными связями, но теперь уже каждая молекула H2O оказывается связанной в среднем только с 3.4 другими такими молекулами. Это позволяет молекулам Н2О расположиться более компактно в жидкой воде, чем в твердой фазе льда.

Есть разные фазы льда, помимо обычного, самого распространённого на Земле, некоторые из которых образуются при высоком давлении и имеют плотность больше воды. Поэтому тяжелее тот лёд, в котором молекулы воды расположены более компактно и близко друг к другу.

Вот вырезка из Википедии по фазам льда:

Аморфный лёдАморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд IhОбычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic.
Лёд IcМетастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза.
Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд IIТригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд IIIТетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лёд IVМетастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд VМоноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VIТетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лёд VIIКубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.
Лёд VIIIБолее упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IXТетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд XСимметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XIРомбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XIIТетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа.
Лёд XIIIМоноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIVРомбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XVПсевдоромбическая кристаллическая разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа [5].
Лёд XVIКристаллическая разновидность льда с н

Лёд XVIКристаллическая разновидность льда с наименьшей плотностью (0,81 г/см3)[6] среди всех экспериментально полученных форм льда. Имеет строение топологически эквивалентное полостной структуре КС-II (англ. sII) газовых гидратов.

Источник

Почему вода при замерзании расширяется. Что за напасть?

Все мы помним, что согласно молекулярно-кинетической теории тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются . Это объясняется тем, что при увеличении температуры количество соударений частичек увеличивается, что и заставляет конструкцию «растянуться». Ну а при замерзании процесс обратный.

И всё бы ничего. Но вода. Она такая вода! Если оставить на морозе банку с водой, то как только вода замерзнет, то банку разорвет в клочья. Может быть вам доводилось слышать, как где-то на балконе в сильные морозы лопаются банки. А ещё на морозе лопаются и более серьезные предметы. Так, может лопнуть и расширительный бак, труба водоснабжения или водонапорная башня.

Всё это происходит потому, что вода при кристаллизации расширяется. Если вода расширяется сильнее, чем ей это позволяет сделать имеющийся объем, то вода разворотит этот объем. И всё бы ничего. Но почему вода обладает такой странной особенностью?

Аномалия плотности при охлаждении

Оказывается, это хитрое свойство называется аномалией плотности . Подобная картина характерна не только для воды, но и некоторых других веществ, таких как германий, кремний, галлий, сурьма, висмут, церий .

Если же вернуться к воде, то тут всё довольно интересно. Сначала вода действительно становится всё плотнее при охлаждении и достигает максимальной плотности при температуре +4 градуса по шкале Цельсия . Всё это время объем охлаждаемой воды действительно уменьшается. Но а потом объем охлаждаемой воды начинает увеличиваться даже несмотря на охлаждение, она кристаллизуется и лёд тоже увеличивается в объеме, который превышает объем исходной жидкости.

Это хитрая особенность делает воду идеальным вариантом для заполнения водоема. Ведь будь в реках и озерах другая жидкость, кристаллизация этой жидкости привела бы к тому, что куски того «льда» тонули.Ну а лёд из обычной воды, легче, чем сама вода, потому прекрасно и плавает по поверхности. Так водоем может покрыться коркой льда, а под ним останется вода, которая не будет промерзать и позволит подводным жителям пережить морозы.

Что происходит на «атомном» уровне

Ответ на вопрос «почему» уже существует. Давайте вспомним, как выглядит молекула воды. Её рисуют чуть ли не на каждом заборе.

Источник

“Почему вода легче воды?” в закладки 1

Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.

Мюриэль Мэнделл в своей занимательной книге «Phycisc Experiments for Children» излагает интереснейшие мысли о свойствах воды, на основе которых не только юные физики могут узнать немало нового, но и взрослые освежат свои знания, которые давненько не приходилось применять, поэтому они оказались слегка забытыми.

Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.

1. При нагревании вода увеличивается в объеме

Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.

2. При охлаждении вода сжимается

Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.

Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…

3. …объем воды вновь возрастает при замерзании

Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.

Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?

4. Лед легче воды

Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.

Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.

5. Водопроводная вода содержит минералы

Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.

Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.

Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.

Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую сахарную радугу.

Источник