Чем отличаются молекулы воды и молекулы льда?

Понятие молекулы ( и производные от него представления о молекулярном строении вещества, структуры собственно молекулы) позволяет понимать свойства веществ создающих мир. Современные, как и ранние, физико-химические исследования опираются и базируются на грандиозном открытие об атомно-молекулярном строении вещества. Молекула – единая «деталь» всех веществ, существование которой предположил ещё Демокрит. Потому именно её структура и взаимосвязь с другими молекулами (образуя определенное строение и состав) и определяет/объясняет все различия между веществами, их видом и свойствами.

Сама молекула, будучи не самой мельчайшей составной частью вещества (коей является атом) имеет определенную структуру, свойства. Определяется структура молекулы числом вхожих в неё определенных атомов и характером связи (ковалентной) между ними. Состав этот неизменен, даже если вещество преобразуется в другое состояние(как примеру, происходит с водой – об этом пойдет речь дальше).

Характеристики воды, её состояния

Состав такого вещества, как вода (равно как и её химическая формула) знаком каждому. Каждую её молекулу составляют три атома: атом кислорода, обозначающийся буквой «О», и атомы водорода – латинская «Н», в количестве 2-х. Форма молекулы воды не симметрична (схожа с равнобедренным треугольником).

Вода, как вещество, составляющие её молекулы, реагирует на внешнюю «обстановку», показатели окружающей среды — температуру, давление. Зависимо от последних вода способна изменять состояние, которых три:

Наиболее привычное, естественное для воды состояние жидкое. Молекулярная структура (дигидроль) своеобразного порядка, при котором одиночные молекулы заполняют (водородными связями) пустоты.
Состояние пара, при котором молекулярная структура (гидроль) представлена одиночными молекулами между которыми не образуются водородные связи.
Твердое состояние (собственно лед), имеет молекулярную структуру (тригидроль) с прочными и устойчивыми водородными связями.

Помимо данных различий, естественно, разнятся и способы «перехода» вещества из одного состояния (жидкого) в другие. Эти переходы и трансформируют вещество, и провоцируют передачу энергии (выделение/поглощение). Среди них есть процессы прямые – преобразование жидкой воды в пар (испарение), в лед (замерзание) и обратные – в жидкость из пара (конденсация), из льда (таяние). Также и состояния воды — парообразное и лед — могут трансформироваться друг в друга: возгонка – лед в пар, сублимация – обратный процесс.

Специфичность льда как состояния воды

Широко известно, что лед замерзает ( трансформируется из воды) при пересечении температурой в сторону уменьшения границы в ноль градусов. Хотя, в этом всем понятном явлении, есть свои нюансы. К примеру, состояние льда неоднозначно, различны его виды, модификации. Отличаются они первоочередно условиями, при которых возникают – температурой, давлением. Таких модификаций насчитывается аж пятнадцать.

Лед в разных своих видах имеет различное молекулярное строение (молекулы же неотличимы от молекул воды). Природный и естественный лед, в научной терминологии обозначающийся как лед Ih — вещество с кристаллической структурой. То есть, каждая молекула с четырьмя окружающими её «соседками» (расстояние между всеми равное) создают геометрическую фигуру тетраэдр. Другие фазы льда обладают более сложной структурой, к примеру высокоупорядоченная структура тригонального, кубического или моноклинного льда.

Основные отличия льда от воды на молекулярном уровне

Первое и напрямую не относящееся к молекулярному строению воды и льда различие между ними – показатель плотности вещества. Кристаллическая структура, присущая льду, образовываясь, способствует одновременному уменьшению плотности (с показателя почти в 1000 кг/м³ до 916,7 кг/м³). А это стимулирует увеличение объема на 10%.

Основное же отличие в молекулярном строении этих агрегатных состояний воды (жидкого и твердого) в количестве, виде и силе водородных связей между молекулами. Во льду же (твердом состоянии) ими объединены пять молекул, а собственно связи водородные прочнее.

Отличает вещество воды в разных её состояниях (агрегатных) не только структура расположения молекул (молекулярное строение), но и движение их, сила взаимосвязи/притяжения между ними. Молекулы воды в жидком состоянии достаточно слабо притягиваются, обеспечивая текучесть воды. В твердом же льду наиболее сильно притяжение молекул, потому и мала их двигательная активность (она обеспечивает постоянство формы льда).

Научная электронная библиотека

Шишелова Т И, Корзун Н Л, Толстой М Ю,

1.1. Физические свойства воды

Физические свойства в полной мере изложены во многих работах. Вода (Н2O) – простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом, бесцветная жидкость с температурой кипения 100 °С. Химическая формула воды такая простая: Н2О; Н–О–Н [1–8]. Размер одной молекулы воды составляет около 3 Å (ангстрем) или примерно 0,28 нм (нанометра).

Рис. 1. Схема строения
молекулы воды

Рис. 2. Тетраэдрическая структура молекулы воды

Вода состоит из одного относительно большого атома кислорода и двух небольших атомов водорода, вокруг которого вращается облачко общих отрицательно заряженных электронов (рис. 1). Угол H–O–H молекулы H2O в газообразном и жидком виде колеблется от 104,5 до 109°

Во льду все молекулы связаны между собой водородными связями. При этом четыре связи каждой молекулы локально организованы в тетраэдрическую структуру, четыре близлежащие молекулы располагаются в вершинах трехгранной пирамиды, в центре которой находится пятая молекула
воды (рис. 2).

Положительно заряженное ядро атома кислорода, ввиду своей большой массы и заряда, сильнее притягивает к себе электронное облачко, оголяя при этом ядра водорода.

Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами водорода в основании и кислородом в вершине. Расстояние O–H 0,9568 Å (0,1 нм); H–H – 1,54 Å (0,15 нм). Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором [9], показана на рис. 3.

Рис. 3. Строение молекулы воды, предложенное Н. Бором [9]:
а – угол между связями H–H;
б – внешний вид электронного облака молекулы воды

Свойства воды в основном зависят от водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательности атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот.

Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырех водородных связях: два атома водорода – каждый в одной, а атом кислорода – в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвется, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность ее растет, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная
теплота плавления и кипения и высокая теплоемкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Строение электронного облака молекулы воды таково, что во льду каждая молекула связана четырьмя водородными связями с ближайшими к ней молекулами, координационное число молекул в структуре льда равно четырем. О размере молекулы можно судить по величине расстояния между ближайшими молекулами во льду, составляющего 2,67 Å (0,267 нм). Соответственно молекуле воды можно приписать радиус равный 1,38 Å (0,138 нм). Дипольный момент воды равен 1,87 Дебая. Электрический дипольный момент – векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом электрические свойства системы заряженных частиц (распределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на нее внешних полей.

Исследования показали, что в воде сохраняется ближняя упорядоченность, свойственная структуре льда. Следовательно, тенденция каждой молекулы воды к окружению четырьмя ближайшими молекулами и к образованию с ними водородных связей свойственна как жидкому, так и твердому состоянию. Расстояние между ближайшими молекулами при плавлении льда изменяется от 2,76 Å (0,276 нм) до 2,90 Å (0,29 нм). Свойственное среднее расположение ближайших молекул ведет к очень рыхлой, ажурной структуре. Именно с этим связаны аномальные свойства воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом.

Полярность молекул, наличие в них частично некомпенсированных электрических зарядов создает группировки молекул – ассоциаты. Полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. В температурном интервале от 0 до 100 °С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1 %. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой
[Н2O]Х. Причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды.

Неравномерное распределение электрических зарядов приводит к тому, что молекула воды поляризуется, становится маленьким магнитиком.

В магнитном поле Земли молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, собираются в некие нестабильные конструкции под действием притяжения разноименно заряженных полюсов. Нестабильность таких конструкций определяется слабостью водородных связей между молекулами воды, называемых иногда водородными мостиками.

Тетраэдрическая форма отдельной молекулы повторяется в кристаллической структуре льда. Возможно, определенную роль здесь играет то, что угол H–O–H молекулы H2O почти равен идеальному тетраэдрическому углу 109°, а молекулы воды, как мы знаем, объединяются с помощью водородных связей, которые они образуют именно в направлении O–H. Эти трехгранные пирамиды могут также объединяться в некую сверхструктуру. Во льду такая сложная трехмерная сверхструктура из тетраэдров простирается на весь объем (рис. 4).

Рис. 4. Структура Н2О льда

Льдообразная молекула воды содержит как простые молекулы воды, так и кластера льдообразных структур (рис. 5).

Молекула воды

Все живые организмы на планете Земля состоят из воды. Эта жидкость встречается везде и без нее жизнь невозможна. Большая ценность воды обусловлена уникальными свойствами жидкости и простым составом. Чтобы разобраться во всех особенностях, рекомендуется детально ознакомиться со структурой молекулы воды.

Модель строения воды

Молекула воды включает два атома водорода (Н) и один атом кислорода (О). Элементы, из которых состоит жидкость, определяют всю функциональность и особенности. Модель молекулы воды имеет форму треугольника. Вершину этой геометрической фигуры представляет крупный элемент кислорода, а внизу находятся небольшие атомы водорода.

Молекула воды обладает двумя положительными и двумя отрицательными полюсами зарядов. Отрицательные заряды формируются из-за излишка электронной плотности у атомов кислорода, а положительные – из-за нехватки электронной плотности у водорода.

Неравномерное распределение электрических зарядов создает диполе, где диполярный момент составляет 1,87 дебай. Вода обладает способностью растворять вещества, поскольку ее молекулы пытаются нейтрализовать электрическое поле. Диполя приводят к тому, что на поверхности погруженных в жидкость веществ становятся слабее межатомные и межмолекулярные связи.

Вода отличает большой устойчивостью при растворении прочих соединений. В обычных условиях из 1 млрд молекул только 2 распадаются, а протон переходит в строение иона гидроксония (образуется при растворении кислот).

Вода не меняет свой состав при взаимодействии с другими веществами и не влияет на структуру этих соединений. Такая жидкость считается инертным растворителем, что особо важно для живых организмов. Полезные вещества поступают к различным органам через водные растворы, поэтому важно, чтобы их состав и свойства оставались неизменными. Вода сохраняет в себе память о растворенных в ней веществах и может применяться многократно.

Каковы особенности пространственной организации молекулы воды:

Соединение проводится противоположными зарядами;
Появляются межмолекулярные водородные связи, которые исправляют электронную неполноценность водорода с помощью дополнительной молекулы;
Вторая молекула фиксирует водород по отношению к кислороду;
Благодаря этому образуются четыре водородные связи, которые могут контактировать с 4 соседями;
Такая модель напоминает бабочку и имеет углы равные 109 градусам.

Атомы водорода соединяются с атомами кислорода и образуют молекулу воды с ковалентной связью. Водородные соединения более сильные, поэтому, когда они разрываются, то молекулы присоединяются к другим веществам, способствуя их растворению.

Прочие химические элементы, в состав которых входит водород, замерзают при -90 градусах, а закипают при 70 градусах. Но вода становится льдом, когда температура достигает нуля, а закипает при 100 градусах. Чтобы объяснить такие отклонения от нормы, требуется разобраться, в чем особенность строения молекулы воды. Дело в том, что вода – это ассоциированная жидкость.

Это свойство подтверждается и большой теплотой парообразования, что делает жидкость хорошим энергоносителем. Вода – отличный регулятор температуры, способен нормализировать резкие перепады этого показателя. Теплоемкость жидкости повышается, когда ее температура 37 градусов. Минимальные показатели соответствуют температуре человеческого тела.

Относительная молекулярная масса воды составляет 18. Рассчитать этот показатель достаточно легко. Следует заранее ознакомиться с атомной массой кислорода и водорода, которая равна 16 и 1 соответственно. В химических задачах нередко встречается массовая доля воды. Этот показатель измеряется в проценте и зависит от формулы, которую требуется рассчитать.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды

В жидком состоянии молекула воды состоит из моногидроля, дигидроля и тригидроля. Количество этих элементов зависит от агрегатного состояния жидкости. Пар включает одну H₂O – гидроль (моногидроль). Две H₂O обозначают жидкое состояние – дигидроль. Три H₂O включает лед.

Агрегатные состояния воды:

Жидкое. Между одиночными молекулами, которые связаны водородными связями, располагаются пустоты.
Пар. Одиночные H₂O никак не соединяются между собой.
Лед. Твердое состояние отличается прочными водородными связи.

При этом существуют переходные состояния жидкости, например, при испарении или замерзании. Для начала требуется разобраться, отличаются ли молекулы воды от молекул льда. Так замерзшая жидкость имеет кристаллическую структуру. Модель льда может иметь форму тетраэдр, тригональной и моноклинной сингонии, куба.

Обычная и замерзшая вода отличаются плотностью. Кристаллическая структура приводит к меньшей плотности и увеличению объема. Основное различие между жидким и твердым состоянием – это количество, сила и разновидность водородных связей.

Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии. Отличается строение и движение составных частей жидкости, сила связей водорода. Обычно молекулы воды слабо притягиваются друг к другу, размещаются хаотично, поэтому жидкость такая текучая. Лед отличается более сильным притяжением, так как создается плотная кристаллическая решетка.

Многих интересует, одинаковы ли объемы и состав молекул холодной и горячей воды. Важно запомнить, что состав жидкости не меняется ни в одном из агрегатных состояний. Молекулы при нагревании или остывании жидкости отличаются расположением. В холодной и горячей воде разные объемы, так как в первом случае структура упорядоченная, а во втором – хаотичная.

Когда лед тает, то его температура не меняется. Только после того, как жидкость меняется свое агрегатное состояние, показатели начинают подниматься. Для таяния требуется определенное количество энергии, которое называется удельной теплотой плавления или лямбда воды. Для льда показатель равен 25000 Дж/кг.

Познание мира

Вода — определение, структура, характеристики, свойства и функции

Вода — это неорганическое жидкое химическое вещество, не имеющее цвета, запаха и вкуса, которое составляет большую часть гидросферы Земли и жидкостей в организме всех живых существ.

Вода — чрезвычайно важный компонент для существования жизни, поскольку она жизненно важна для всех биологических процессов. Однако, она не имеет калорийности или питательной ценности.
Вода находится в жидком состоянии при стандартных атмосферных температуре и давлении.
Занимает 71% всей суши на Земле и около 70% от общей массы тела человека.
Вода также важна для различных химических процессов, поскольку является универсальным растворителем.

Структура воды

Химическая формула воды — H ₂ O, что указывает на то, что одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Атомы в молекуле воды связаны друг с другом полярными ковалентными связями. Сама по себе молекула электрически нейтральна, но полярна с отрицательными и положительными зарядами, локализованными в разных областях.

В газовой фазе

В молекуле воды s- и p-орбитали валентной оболочки sp 3 гибридизуются с образованием четырех гибридных sp 3 орбиталей, тетраэдрически ориентированных вокруг атома кислорода.
Две гибридные орбитали заняты поодиночке, а неподеленные пары электронов занимают две другие.
Каждая отдельная занятая sp 3 -орбиталь перекрывается наполовину заполненной орбиталью атома H.
В результате атом кислорода связан с двумя атомами водорода двумя ковалентными связями ОН, и на атоме кислорода находятся две неподеленные пары электронов.
Структура молекулы воды имеет угловатую изогнутую структуру.
Молекула воды полярна, потому что кислород более электроотрицателен, чем водород. Таким образом, атом кислорода притягивает к себе общие электроны.
В результате на атоме кислорода развивается частичный отрицательный заряд, а у атома водорода — частичный положительный заряд.

В жидкой фазе

В жидкой фазе молекулы воды удерживаются вместе межмолекулярными водородными связями.
Одна молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, поскольку она может образовывать две связи с неподеленной парой кислорода и отдавать два электрона водороду.
В воде образование четырех водородных связей приводит к межмолекулярной тетраэдрической структуре, образующей открытую структуру и трехмерную сетку связей.

В твердой фазе

Твердая форма воды — это лед, который может существовать в различных кристаллических формах в зависимости от условий замерзания воды.
В обычном гексагональном льду каждый атом кислорода тетраэдрически окружен четырьмя другими атомами кислорода, тогда как один атом водорода находится между каждой парой кислорода.
Таким образом, каждый атом водорода ковалентно связан с одним атомом кислорода и связан с другим атомом кислорода водородной связью.
Такое расположение вызывает упаковку атомов с большими открытыми пространствами, что приводит к уменьшению плотности льда по сравнению с жидкой водой.
Когда лед тает, некоторые водородные связи разрываются, и молекулы воды становятся более плотными.

Водородная связь в воде

Благодаря полярности молекул воды они способны притягивать друг друга. Эти взаимодействия представляют собой слабые притяжения, называемые водородными связями.
Водородная связь в воде — это слабое взаимодействие между частично положительным атомом водорода и частично отрицательным атомом кислорода.
Водородная связь в воде является межмолекулярной и происходит между двумя атомами двух разных молекул.
Одна молекула воды способна образовывать четыре водородные связи, поскольку она может образовывать две связи с неподеленной парой кислорода и отдавать два электрона водороду.
В воде образование четырех водородных связей приводит к межмолекулярной тетраэдрической структуре, образующей открытую структуру и трехмерную сетку связей.
Структура, образованная после образования водородных связей, приводит к тому, что коллективное основное состояние жидкой воды имеет энергию ниже, чем основное состояние в отдельных газообразных молекулах.
Это создает стабильную структуру молекул воды в жидкой воде.
Водородная связь, образованная в воде, является слабой, и ее прочность составляет одну двадцатую от силы ковалентной связи ОН.
Срок службы этих связей также очень короткий, и они непрерывно разрываются и образуются в течение коротких периодов времени. Таким образом, в жидкой воде поддерживается динамическое равновесие.
Точно так же все молекулы воды в жидкой воде имеют по крайней мере одну водородную связь с соседней молекулой воды, при этом свободные молекулы воды практически отсутствуют.

Характеристики / Свойства воды

Физические свойства воды

Чистая вода — это прозрачная бесцветная жидкость без запаха, которая легко улавливает аромат любого растворенного в ней вещества.
Температура замерзания, температура кипения, энтальпия плавления и энтальпия испарения воды выше по сравнению с гидридами других членов той же группы из-за межмолекулярных водородных связей между молекулами.
Вода имеет высокий дипольный момент, что делает ее идеальной средой для растворения самых разных соединений.
Высокая удельная теплоемкость воды позволяет ей поглощать тепло различных биохимических и физиологических реакций, происходящих внутри тела, с минимальным повышением температуры.
Вода плохо проводит тепло и электричество, но добавление небольшого количества кислоты или щелочи делает ее электропроводящей.

Вода как растворитель

Воду также называют универсальным растворителем из-за ее способности растворять самые разные вещества.
Эта способность обусловлена интенсивной водородной связью и полярностью молекул воды.
Полярность воды заставляет воду вести себя по-разному с полярными и неполярными соединениями.
Полярные молекулы воды могут образовывать слабые электростатические взаимодействия с другими полярными молекулами и ионами.
Таким образом, полярные молекулы и ионы взаимодействуют с частично положительными и частично отрицательными концами воды, причем положительные заряды притягивают отрицательные заряды.
Когда количество молекул воды в растворе больше, чем молекул растворенного вещества, взаимодействия приводят к образованию трехмерной водной сферы, называемой гидратной оболочкой, вокруг молекул растворенного вещества.
Формирование гидратной оболочки обеспечивает равномерное диспергирование молекул растворенного вещества по всему раствору.
Однако неполярные молекулы не взаимодействуют с водой и не образуют гидратных оболочек из-за отсутствия заряженных взаимодействий.

Высокая удельная теплоемкость

Благодаря интенсивной водородной связи вода имеет очень высокую удельную теплоемкость и высокую теплоту испарения.
Эти свойства позволяют воде смягчать климат и температуру Земли, смягчая большие колебания температуры.
Аналогичный процесс происходит в организме, где вода предотвращает быстрое повышение температуры тела в результате различных биохимических реакций.
Скрытая теплота плавления и испарения воды также высока, что предотвращает таяние ледников и дрейфующих льдов.

Аномальное расширение воды

Аномальное расширение воды — это ненормальное свойство воды, когда вода расширяется, а не сжимается, когда температура повышается с 4 ° C до 0 ° C.
Таким образом, плотность воды максимальна при 4 ° C и уменьшается с понижением температуры.
Это свойство воды является следствием того, что молекулы воды в замерзающем состоянии удерживаются вместе притяжением HO, а не притяжением OO.
Но поскольку взаимодействие HO не такое сильное, как взаимодействие OO, при замерзании наблюдается небольшое расширение воды.

Биологические функции воды

Некоторые биологические функции воды перечислены ниже:

Вода — это жизненно важная жидкость организма, которая необходима для регулирования таких процессов, как пищеварение, транспортировка питательных веществ и экскреция. Вода растворяет ионные и полярные органические соединения и позволяет транспортировать продукты пищеварения к нужным местам в организме.
Вода регулирует температуру тела за счет потоотделения и испарения.
Вода является средой для всех метаболических реакций в организме, поскольку все метаболические реакции в организме происходят в фазе растворения.
Вода также обеспечивает среду обитания для различных животных в виде прудов, рек, морей и т. д.
Вода необходима для прорастания семян и процесса фотосинтеза, с помощью которого растения готовят себе пищу.
Вода — это среда для переноса минералов из почвы в различные части растений.
Вода помогает поддерживать структуру растений, обеспечивая соответствующее давление на ткани растения.
Вода также способствует образованию различных биологических мембран, взаимодействуя с различными органическими соединениями.
Вода также влияет на основные компоненты всех клеток, такие как ДНК и белки, где водородные связи регулируют сворачивание белков и нуклеиновых кислот.
Структура двойной спирали ДНК также поддерживается молекулами воды, которые упорядоченно окружают ДНК.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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!