Миллиарды лет назад вода на нашей планете начала замерзать и удивлять науку. Почему лед легче воды и может плавать? Новые исследования раскрывают секрет расширения воды при замерзании. Узнайте, как устроена молекула H2O, почему она ведет себя странно и как это помогает выжить рыбам зимой.
Аномалия плотности воды
Вода демонстрирует аномальное поведение по сравнению с другими жидкостями. При охлаждении большинство веществ сжимаются, уменьшаются в объеме. Однако вода сжимается только до 4°C, а затем начинает расширяться при дальнейшем понижении температуры. Это явление получило название аномалии плотности воды.
Одно из немногих исключений прямой зависимости температуры и объема — вода. При охлаждении теплой воды ее объем уменьшается. Это уменьшение продолжается, пока температура не понизится приблизительно до 4°С. При такой температуре вода достигает максимальной плотности и, следовательно, наименьшего объема. При дальнейшем охлаждении воды ниже 4°С она начинает расширяться.
На графике ниже хорошо видно, как меняется плотность воды в зависимости от температуры. Плотность (прямая линия) растет с понижением температуры (пунктирная линия) до 4°C, а затем падает.
Подобный эффект аномального расширения при охлаждении демонстрируют некоторые другие вещества, в частности кремний, германий и висмут. Однако у воды этот эффект проявляется особенно сильно.
Причина на молекулярном уровне
Почему вода при замерзании увеличивается в объеме? Причина кроется в особом строении ее молекулы H2O. Эта молекула ассиметрична: два атома водорода и один атом кислорода расположены под углом 109,5°. Такое строение обуславливает способность молекул воды образовывать водородные связи.
- Молекулы H2O притягиваются друг к другу за счет взаимодействия положительно заряженного конца (атомы водорода) одной молекулы с отрицательно заряженной частью (атом кислорода) другой.
- В жидком состоянии эти связи легко разрываются и восстанавливаются, поэтому молекулы упакованы плотнее.
- В твердом состоянии (льде) молекулы H2O выстраиваются в кристаллическую решетку и занимают больший объем.
То есть плотность льда меньше плотности жидкой воды. Это противоречит обычному поведению веществ, но объясняет способность льда плавать по поверхности. Расширение воды при замерзании на 9% позволяет организмам выживать подо льдом в холодное время года.
Влияние на экосистемы
Почему вода при замерзании расширяется? Это имеет важные экологические последствия.
- Вода замерзает сверху вниз, подо льдом остается незамерзший слой.
- Рыбы и другие организмы переживают зиму на дне водоемов.
- Лед легче воды и не тонет, а образует защитную корку над водой.
| Вещество | Температура плавления, °C | Плотность твердой фазы, г/см3 | Плотность жидкой фазы, г/см3 |
| Вода (H2O) | 0 | 0,9168 | 0,9998 |
| Спирт (C2H5OH) | -114 | 0,812 | 0,789 |
Как видно из таблицы, лед имеет меньшую плотность, чем вода, в отличие от других веществ. Это приводит к положительным экологическим эффектам.
Однако аномальное расширение воды при замерзании иногда имеет и разрушительные последствия. Так, при сильных морозах могут лопаться водопроводные трубы, баки, емкости с жидкостью. Примеры подобных аварий изобилуют в новостных хрониках каждую зиму.
Исследования расширения воды
Явление аномального расширения воды при охлаждении было открыто еще в XVIII веке ученым Габриэлем Фаренгейтом. Он обнаружил, что при температуре чуть выше 0°C плотность воды неожиданно уменьшается. Однако лишь в наши дни появились точные методы для моделирования этого эффекта.
Современные исследователи активно изучают, как почему лед расширяется при замерзании в различных условиях. Например, при высоком давлении вода замерзает в несколько иные формы со льдом VI и льдом VII. Ученые стремятся получить точные зависимости расширения воды от температуры, давления и других параметров.
Особое внимание уделяется влиянию изменения климата на аномалию плотности воды. Потепление может сместить температуру максимальной плотности. А вечная мерзлота тает все быстрее, угрожая выбросом метана в атмосферу.
Любопытные факты о льде
Лед удивляет не только своей способностью расширяться при замерзании воды. Существует множество интересных фактов об этом веществе в природе и технике.
- Самый толстый измеренный слой морского льда в Антарктике достигал 1620 метров.
- Дождь может идти и при температуре ниже 0°C, превращаясь в ледяной дождь при контакте с замерзшими предметами.
- Для получения прозрачного льда используют фильтрованную воду, а также специальные методы заморозки.
Лед часто ассоциируется со снежной зимой. Однако это удивительное вещество присутствует не только на Земле, но и в космосе. Например, на поверхности Европы — спутника Юпитера.
Жизнь и лед
Лед и снег сыграли важную роль в истории человечества. Оледенения меняли климат планеты, вызывая миграции. А замороженные реки и моря препятствовали торговле и военным походам.
Лед часто использовался для хранения продуктов до изобретения холодильника. А в современном мире прозрачный лед нашел применение в строительстве и декоре. В культуре лед нередко противопоставляют огню как одну из четырех стихий. Если огонь символизирует разрушение, то лед олицетворяет холодный покой и сохранение.
Таким образом, необычные свойства льда при замерзании воды имеют огромное значение для всего живого на Земле. И продолжают удивлять ученых спустя столетия после открытия.
