Аномальная плотность льда и воды

Вода – загадочная жидкость. Это связано с тем, что большинство ее свойств являются аномальными, т.е. отличными от других жидкостей. Причина кроется в ее особой структуре, которая обусловлена водородными связями между молекулами, изменяющимися с температурой и давлением. Этими уникальными свойствами обладает и лед. Стоит сказать, что определение плотности возможно осуществить по формуле ρ = m/V. Соответственно, данный критерий возможно установить через исследование массы вещества среды на единицу объема.

Давайте рассмотрим некоторые свойства льда и воды. Например, аномалия плотности. После таяния плотность льда увеличивается, проходя через критическую отметку в 4 градуса, и только после этого начинает уменьшаться с ростом температуры. Вместе с тем в обычных жидкостях она всегда уменьшается в процессе похолодания. Этот факт находит вполне научное объяснение. Чем выше температура, тем скорость молекул больше. Это приводит к расталкиванию их друг другом, и, соответственно, вещество становится более рыхлым. Загадка воды состоит и в том, что, несмотря на увеличение скорости молекул при повышении температуры, понижение ее плотности происходит только при высоких температурах.

Вторая загадка заключается в вопросах: "Почему лед может плавать на поверхности воды?", "Почему она в реках не замерзает до дна?" Дело в том, что плотность льда оказывается ниже,  чем у воды. А в процессе плавления любой другой жидкости ее плотность оказывается меньшей, нежели у кристалла. Это связано с тем, что в последнем молекулы обладают некой периодичностью и расположены регулярно. Это характерно для кристаллов любых веществ. Однако, кроме этого, у них молекулы «упакованы» достаточно плотно. В процессе плавления кристалла регулярность исчезает, что возможно только при менее плотной связи молекул. Соответственно, плотность вещества уменьшается в процессе плавления. Но меняется этот критерий совсем немного, например, при плавке металлов он понижается в среднем всего на 3 процента. Однако плотность льда меньше плотности воды сразу на десять процентов. Поэтому можно говорить о том, что этот скачок аномален не только своим знаком, но еще и величиной.

Объясняются данные загадки особенностями структуры льда. Она представляет собой сетку водородных связей, где в каждом узле их четыре штуки. Поэтому сетку называют четверной. Все углы в ней равны qT, поэтому она носит название тетраэдрической. Более того, она состоит из шестичленных колец изогнутой формы.

Особенностью структуры твердой воды является то, что упакованы молекулы рыхло в ней. Если бы они находились в тесной взаимосвязи, то плотность льда была бы равна 2,0 г/см3, а в реальности она составляет 0,92 г/см3. Из этого должен был следовать вывод, что наличие больших пространственных объемов должно привести к появлению неустойчивости. На самом деле сетка не становится менее крепкой, но она может перестраиваться. Лед - настолько крепкий материал, что еще предки современных эскимосов учились строить из него свои хижины. И по сей день жители Заполярья используют ледобетон как строительный материал. Соответственно, при повышении давления структура льда меняется. Именно в этой устойчивости состоит главное свойство водородных связей сеток между молекулами Н₂О. Соответственно, каждая водяная молекула и в жидком состоянии сохраняет четыре связи водорода, но при этом углы становятся отличными от qT, это и приводит к тому, что плотность льда меньше, чем у воды.