Аномальна щільність льоду і води

Вода - загадкова рідина. Це пов`язано з тим, що більшість її властивостей є аномальними, тобто відмінними від інших рідин. Причина криється в її особливій структурі, яка обумовлена водневими зв`язками між молекулами, що змінюються з температурою і тиском. Цими унікальними властивостями володіє і лід. Варто сказати, що визначення щільності можливо здійснити за формулою rho- = m / V. Відповідно, даний критерій можливо встановити через дослідження маси речовини середовища на одиницю об`єму.

Давайте розглянемо деякі властивості льоду і води. Наприклад, аномалія густини. Після танення щільність льоду збільшується, проходячи через критичну позначку в 4 градуси, і лише після цього починає зменшуватися з ростом температури. Разом з тим у звичайних рідинах вона завжди зменшується в процесі похолодання. Цей факт знаходить цілком наукове пояснення. Чим вища температура, тим швидкість молекул більше. Це призводить до розштовхування їх один одним, і, відповідно, речовина стає більш пухким. Загадка води полягає і в тому, що, незважаючи на збільшення швидкості молекул при підвищенні температури, пониження її щільності відбувається тільки при високих температурах.

Друга загадка полягає у питаннях: "Чому лід може плавати на поверхні води?", "Чому вона в річках не замерзає до дна?" Справа в тому, що щільність льоду виявляється нижче, ніж у води. А в процесі плавлення будь-який інший рідини її щільність виявляється меншою, ніж у кристала. Це пов`язано з тим, що в останньому молекули володіють якоюсь періодичністю і розташовані регулярно. Це характерно для кристалів будь-яких речовин. Однак, крім цього, у них молекули «упаковані» досить щільно. У процесі плавлення кристала регулярність зникає, що можливо тільки при менш щільною зв`язку молекул. Відповідно, щільність речовини зменшується в процесі плавлення. Але змінюється цей критерій зовсім небагато, наприклад, при плавці металів він знижується в середньому всього на 3 відсотки. Однак щільність льоду менше щільності води відразу на десять відсотків. Тому можна говорити про те, що цей стрибок аномальний не тільки своїм знаком, але ще й величиною.

Пояснюються дані загадки особливостями структури льоду. Вона являє собою сітку водневих зв`язків, де в кожному вузлі їх чотири штуки. Тому сітку називають четверний. Всі кути в ній дорівнюють qT, тому вона носить назву тетраедріческой. Більш того, вона складається з шестичленних кілець зігнутої форми.

Особливістю структури твердої води є те, що упаковані молекули пухко в ній. Якби вони перебували в тісному взаємозв`язку, то щільність льоду була б дорівнює 2,0 г / см3, а в реальності вона становить 0,92 г / см3. З цього повинен був слідувати висновок, що наявність великих просторових обсягів повинно призвести до появи нестійкості. Насправді сітка не стає менш міцною, але вона може перебудовуватися. Лід - настільки міцний матеріал, що ще предки сучасних ескімосів вчилися будувати з нього свої хатини. І донині жителі Заполяр`я використовують ледобетон як будівельний матеріал. Відповідно, при підвищенні тиску структура льоду змінюється. Саме в цій стійкості полягає головна властивість водневих зв`язків сіток між молекулами Н<sub>2</sub>О. Відповідно, кожна водяна молекула і в рідкому стані зберігає чотири зв`язку водню, але при цьому кути стають відмінними від qT, це і призводить до того, що щільність льоду менше, ніж у води.