Лёд плавает в воде, хотя у большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкости. Например, твёрдый металл тонет в расплавленном металле, а воск — в жидком воске. С водой всё наоборот: лёд примерно на 8–9% менее плотный, чем жидкая вода. Разберёмся, почему вода ведёт себя не так, как большинство веществ, и при чём здесь молекулы H₂O.
Почему вода ведёт себя необычно
Вода состоит из молекул H₂O — двух атомов водорода и одного атома кислорода. Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому распределение электрического заряда в молекуле оказывается неравномерным: у кислорода появляется частичный отрицательный заряд, а у водородов — частичный положительный.
Из-за этого соседние молекулы воды притягиваются друг к другу. Между ними возникают водородные связи — сравнительно слабые по отдельности, но очень важные для свойств воды. В жидкой воде водородные связи постоянно перестраиваются: одни разрываются, другие возникают. Благодаря этому молекулы могут располагаться плотнее, чем в кристаллической структуре льда.
При замерзании движение молекул замедляется, а водородные связи организуют их в более устойчивую кристаллическую структуру. В ней между молекулами остаётся больше свободного пространства.
Почему лёд занимает больше места
В распространённом виде льда, который образуется в обычных условиях, молекулы воды образуют разреженную кристаллическую структуру с гексагональной симметрией. Водородные связи удерживают молекулы на определённых расстояниях друг от друга.
В жидкости такой структуры нет. Молекулы постоянно меняют положение, а часть водородных связей разрывается. Благодаря этому они могут сближаться.
Это легко заметить в быту: если полностью заполнить бутылку водой и положить её в морозилку, расширившийся лёд может деформировать или даже расколоть ёмкость.
Почему вода самая плотная при 4 °C
Большинство жидкостей при охлаждении постепенно сжимаются. Вода ведёт себя так только до определённого момента. При охлаждении от комнатной температуры до 4 °C её плотность увеличивается. А вот дальше начинается обратный процесс: при охлаждении от 4 °C до 0 °C вода немного расширяется.
Это важно для зимовки водоёмов. Вода с температурой около 4 °C самая плотная и опускается вниз. Более холодная вода, температура которой ниже 4 °C, менее плотная и остаётся ближе к поверхности. Когда поверхностный слой охлаждается до точки замерзания, образуется лёд. Так водоём постепенно покрывается льдом сверху и не промерзает сразу целиком.
Насколько лёд легче воды
При 0 °C плотность жидкой воды составляет около 1000 кг/м³, а плотность льда — примерно 917 кг/м³. То есть лёд примерно на 8–9% менее плотный, чем вода. Поэтому один и тот же объём льда весит меньше, чем такой же объём воды.
Закон Архимеда и плавающий лёд
Погружённое в жидкость тело вытесняет часть жидкости, та, в свою очередь, действует на него выталкивающей силой. Если тело в среднем менее плотное, чем жидкость, оно всплывает и занимает такое положение, при котором вытесняет достаточно воды для равновесия.
Поэтому деревянный брусок плавает в воде, а металлический шар — тонет.
Это же объясняет, почему плавает стальной корабль. Сам металл плотнее воды, но корабль заполнен воздухом, поэтому средняя плотность всей конструкции оказывается меньше плотности воды.
Почему лёд не даёт озёрам промёрзнуть до дна
Плавучесть льда связана с тем, как устроена жизнь в холодных водоёмах. Зимой поверхность озера остывает первой. Вода с температурой около 4 °C опускается глубже, потому что она самая плотная. Более холодная вода остаётся сверху. Когда температура поверхности достигает точки замерзания, образуется лёд. Он остаётся на поверхности и частично изолирует воду под собой от холодного воздуха.
Под ним сохраняется жидкая вода, где могут пережить зиму рыбы, растения, микроорганизмы и другие обитатели.
Если бы лёд был плотнее воды и тонул, он постепенно накапливался бы на дне. Новый лёд образовывался бы сверху, тоже погружался, и в итоге водоём мог бы промёрзнуть значительно сильнее. Это одна из причин, по которой пресные водоёмы в умеренном климате остаются пригодными для жизни зимой.
Почему айсберг почти весь под водой
Плотность пресной воды составляет около 1000 кг/м³, льда — около 917 кг/м³. Но морская вода ещё плотнее — в среднем около 1025 кг/м³.
Над водой остаётся только небольшая часть.
Отсюда и появилось выражение «верхушка айсберга»: видимая часть намного меньше скрытой под водой.
Вода не единственная
Вода — один из наиболее известных примеров вещества, у которого твёрдая фаза менее плотная, чем жидкая. Похожее свойство есть, например, у висмута, галлия и кремния.
Но у воды есть важное преимущество: её необычные свойства проявляются при температурах, которые постоянно встречаются на Земле. Вода замерзает при обычных зимних температурах, а её максимальная плотность достигается при 4 °C.
Заключение
А причина этой необычной плотности скрыта на уровне молекул: водородные связи формируют в кристаллическом льду разреженную структуру.
Из этого свойства следуют вполне земные последствия — от плавающих льдинок до зимовки озёр. Если бы лёд тонул, жизнь в пресных водоёмах в холодном климате могла бы выглядеть совсем иначе.
