Red Wood
июнь 2017.
3030

Почему вода при замораживании расширяется, в то время как все остальное, наоборот, сужается?

Ответить
Ответить
Комментировать
1
Подписаться
1
1 ответ
Поделиться
АВТОР ВОПРОСА ОДОБРИЛ ЭТОТ ОТВЕТ

Лед, образующийся при  атмосферном давлении - это молекулярный кристалл с достаточно ажурной гексагональной решеткой. Симметрия этого кристалла определяется симметрией молекулы воды + ее возможностями по образованию водородных связей (это одна из возможных укладок, есть и другие, которые приводят к другим модификациям льда, но при нормальном давлении реализуется вот эта). В принципе, равновесные расстояние между частицами в кристалле определяется симметрией и силой взаимодействия частиц друг с другом. В молекулярных кристаллах это взаимодействие довольно слабое, поэтому расстояния обычно довольно большие.
С другой стороны, хотя эти межмолекулярные взаимодействия и достаточно слабые, по сравнению, скажем, с взаимодействиями в ионных или атомных кристаллах, но у воды (за счет большого дипольного момента) они все-таки гораздо более сильные, чем у большинства других молекул. В связи с этим, реализуется довольно уникальная (хотя и не совершенно уникальная) ситуация, при которой разупорядоченное, точнее слабоупорядоченное состояние (жидкость) обладает большей плотностью, чем упорядоченное состояние (лед). Грубо говоря, более мелкие структурные элементы (кластеры воды в жидкости, которые внутри себя тоже обладают гексагональной структурой) могут уложиться плотнее, чем полностью упорядоченная решетка. Это происходит из-за того, что расстояния между молекулами воды в решетке льда хоть и оптимальны для этой гексагональной укладки, но не являются минимально возможными между двумя молекулами воды при характерной для воды силе водородных связей.
С увеличением температуры растет кинетическая энергия молекул воды. При этом средний размер кластера уменьшается (хорошо для более плотной укладки), но зато равновесные расстояния между молекулами увеличиваются (плохо для более плотной укладки). В связи с этим, на кривой зависимости плотности воды от температуры мы видим максимум - сначала (до примерно 4оС) уменьшение среднего размера кластеров (грубо говоря, уход от упорядоченного льда) приводит к увеличению плотности, но потом верх берут силы отталкивания между молекулами за счет увеличения их средней кинетической энергии и плотность уменьшается.

9

а что если в титановом кубе проделать глубокое отверстие, залить туда воду, заварить отверстие, а потом куб заморозить, куб разорвется?

0
Ответить

На этот вопрос можно ответить только зная многие количественные характеристики - на качественном уровне ответ: может быть и так и эдак. Замораживание воды приведет к увеличению ее объема и созданию давления на титановую оболочку. Этого давления может быть достаточно, чтобы порвать титановый куб, а может быть и нет. Зависит от соотношения объемов титана и воды: много воды порвет тонкую титановую стенку, мало воды не порвет толстую титановую стенку.

0
Ответить

ясно

0
Ответить
Ещё 1 комментарий

Возможно ли, что вода расширяется при понижении температуры по следующей причине?

1) вода при понижении температуры до +4 сжимается. Далее внешний слой жидкости, сохраняя объем, пытается сжаться еще, при этом здесь образуется частичный вакуум, который заполняется молекулами газа. Т.е. молекулы воды особым образом сближаются(выстраиваются в особый порядок, или  одни молекулы  сближаются , другие отдаляются, или как-то по другому), при этом жидкость пытается сохранить объем и образуются пустоты заполняемые молекулами газа.  Из-за образования частичного вакуума, потеря водой тепла   в окружающую  среду уменьшается. При этом  слой  воды,  теряя энергию,  также нагревает слои воды ниже, которые расширяются, создавая давление.

2)Представим емкость с водой, подвешенную  в  воздухе. При понижении температуры жидкости до +4 градусов, она будет сжиматься.  От +4 до 0 градусов расширится и превратится в лед. Это, возможно,  происходит из-за того, что вода в определенный момент  накапливает энергию, которая стремится от центра объема жидкости к краям. Чем дальше от центра объема жидкости, тем больше расширяется вода. Внешний слой жидкости  в определенный момент  замерзает, пытаясь сохранить свой объем. Т.е. при замерзании воды ее молекулы  пытаются сблизится, при этом образуются полости(точки) вакуума, заполняемые газами растворенными в воде.  Возможно, верхние слои  воды  при замерзании не могут сжаться (или сжимаются незначительно) и сохраняют свою плотность, т.к. поддерживаются энергией.   Нижние слои жидкости при замерзании раньше  образуют полости  вакуума т.к.  холоднее верхних. При дальнейшем замерзании воды к центру объема, образующийся вакуум создает  каналы во льде, тянущиеся к центру объема жидкости, в которые жидкость  выгоняет растворенные в ней газы.   Примеси и газы, растворенные в воде  выталкиваются из области с более  энергичными молекулами жидкости, в область с менее энергичными, т.е. слои жидкости с меньшей плотностью выталкивают примеси и газы в слои с большей плотностью, т.е. к центру объема жидкости. Растворенные в жидкости частицы газа здесь, объединяясь в пузыри, выделяются  из воды.

0
Ответить
Прокомментировать
Ответить