От лопнувших в морозильнике бутылок до ущерба, причинённого морозом городской инфраструктуре:
когда вода замерзает, ей нужно больше места, чем в жидком состоянии.
Этим вода отличается от большинства сжимающихся при охлаждении жидкостей и газов. Но почему она ведёт себя так необычно?
Большинство веществ расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. У газов этот эффект проявляется особенно заметно. Таким же образом ведут себя жидкости и твёрдые тела. Хороший пример – воздух в воздушном шаре: в холодную погоду шар съёживается, а рядом с радиатором отопления может даже лопнуть.
Молекулам нужно место
Причиной этой закономерности являются молекулы: чем теплее предмет или газ, то есть чем больше энергии получают молекулы, тем быстрее они двигаются. Поэтому молекулы сталкиваются чаще и сильнее, им необходимо больше места, и давление, которое молекулы газа оказывают на оболочку воздушного шара, растёт. Чтобы выдержать давление, нужен бо́льший объём. Поэтому материал расширяется.
Но вода ведёт себя иначе. При охлаждении до приблизительно 4 градусов Цельсия объём воды уменьшается, что вполне ожидаемо. Однако, если температура продолжает падать, то вода начинается расширяться. То есть её плотность достигает максимального значения при 4 градусах. Это свойство называется аномалией плотности воды.
Но откуда она берётся? Всё дело в молекулах: одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода – отсюда следует известная химическая формула Н2О. Однако эти атомы притягивают электроны в молекуле воды с разной силой.
Это создаёт слегка положительный центр тяжести заряда у водорода и отрицательный у кислорода. Когда молекулы воды сталкиваются, атомы водорода одной молекулы притягиваются и присоединяются к атомам кислорода другой молекулы — образуется так называемая водородная связь.
Когда вода охлаждается, нужно ещё больше места
Из-за формирования водородных связей в жидкой воде появляются места, где молекулы упорядочены так же, как и в кристаллах льда. Эти так называемые кластеры не так прочны, как в твёрдом кристалле. При более высоких температурах они очень быстро меняются.
Когда вода охлаждается, появляется всё больше и больше таких кластеров. И им нужно всё больше и больше пространства. По этой причине вода начинает расширяться после достижения порогового значения 4 градуса Цельсия. Если температура опускается ниже нуля, то мельчайшие кристаллы льда образуются из кластеров и одерживают верх. И вода замерзает.
Для многих природных процессов эта необычная особенность воды очень важна. Так как плотность льда немного меньше плотности холодной воды, он может плавать на поверхности водоёма. Благодаря этому вода замерзает сверху вниз, а внизу располагается 4-градусный слой воды с максимальной плотностью. Это позволяет рыбе и другим водным обитателям пережить зиму на дне водоёма и не замёрзнуть.
