У льда плотность больше чем у воды
Плотность воды и льда. Что больше и почему?
Ещё со школьной скамьи все знают о том, что лёд не тонет в воде. Но в чём же причина, ведь, по логике, он должен быть тяжелее, чем вода. Всё дело в том, что на самом деле плотность льда меньше, чем плотность воды. Как такое возможно? Попробуем разобраться.
Почему плотность льда меньше плотности воды?
Почему вода в своём твёрдом состоянии (лёд) легче, чем вода в жидком состоянии? Ведь должно быть наоборот: при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность вещества должна увеличиться, а объём при этом уменьшиться. Это известно всем из школьного курса физики. Исключение составляет обычная вода. Когда она замерзает и переходит в состояние льда, то плотность её при этом уменьшается. А причина – в так называемых водородных связях. Кристаллическая решётка льда похожа на соты, в каждом из шести углов расположены молекулы воды, соединённые водородными связями. Расстояние между молекулами воды в твёрдом состоянии больше, чем в жидком, где они перемещались свободно и могли сближаться.
Что больше, плотность льда или воды: исключение из правил
Итак, мы выяснили, почему плотность льда меньше плотности воды. Но существует ещё одна интересная закономерность. Если воду охлаждать не сразу, а постепенно, то вплоть до температуры +4оС вещество действительно становится плотнее. То есть, на этом этапе никаких отклонений от нормы мы не наблюдаем. А пройдя эту отметку, вода становится легче и, в конце концов, образуется лёд, плотность которого меньше, чем плотность воды. Впервые на это необычное свойство обратил внимание ещё Галилео Галилей.
Причём после того, как температура воды становится ниже отметки +4оС, плотность падает скачкообразно – сразу на 8%. Насколько же различаются плотность воды и льда? Если принять плотность воды за единицу, то плотность льда будет составлять 0,91.
Что нужно знать?
После замерзания объём воды увеличивается на 9%. Именно это становится причиной того, что замёрзшая в трубах вода «рвёт» их.
Но если на коммунальном хозяйстве такие свойства воды сказываются крайне негативно, то обитателям водоёмов они спасают жизнь. Даже в самые холодные зимы озёра и пруды не промерзают до дна. Нижние слои воды охлаждаются до 4о, а верхние слои превращаются в лёд. Плотность льда меньше плотности воды, поэтому он не опускается на дно, позволяя водяным жителям перезимовать. Кроме того, в толще льда ещё и остаются воздушные пузырьки, они делают плотность льда ещё меньше, как и сам вес ледяной пластины.
Наглядно продемонстрировать, например, ребёнку, что вода расширяется при замерзании можно при помощи простого опыта. Достаточно налить воды в пластиковый стаканчик и оставить его на морозе. Через несколько часов можно наблюдать результат: стаканчик будет разорван или деформирован.
Ещё один интересный опыт, который понравится детям: возьмите пластиковую трубочку для коктейля, плотно залепите пластилином, и залейте туда воду, отметив маркером уровень. Поставьте трубочку в морозилку. Когда вода замёрзнет, будет видно, что уровень находится выше, чем первоначальный.
Плотность морской воды
Самая чистая вода
Уникальные свойства льда не ограничиваются его молекулярной структурой. Достаточно распространено мнение о пользе для здоровья именно талой воды. Однако учёные с сомнением относятся к «чудодейственным» свойствам такой воды. Ведь во время таяния льда его кристаллическая структура практически сразу разрушается, а значит, межмолекулярные связи становятся таким же, как и у обычной воды.
Если вы заботитесь о своём здоровье, то лучше установить качественную систему очистки водопроводной воды. А перед этим сдать воду на анализ. Лаборатория «УкрХимАнализ» проведёт анализ водопроводной воды по ключевым показателям (выбирайте пакет «Базовый», «Расширенный» или «Максимальный») и даст необходимые рекомендации, как улучшить её качество.
Почему лёд плавает в воде?
Тот парадоксальный факт, что лёд, т.е. твёрдая форма воды, легче самой воды, общеизвестен, хотя мы редко задумываемся о его парадоксальности. Действительно, у подавляющего большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкой. Вода – одно из редких исключений.
Причина кроется в строении атома воды и взаимодействии этих атомов между собой.
Если мы «набросаем» рядом друг с другом большое множество таких треугольничков, то увидим, что они начнут особым образом ориентироваться в пространстве: положительно заряженные «уголки» одних молекул начинают притягиваться к отрицательно заряженным «уголкам» других. В итоге каждая молекула воды стремится образовать связи с четырьмя другими: каждый атом водорода хочет «приклеиться» к атому кислорода другой молекулы, а к атому кислорода стремятся приклеиваются две молекулы водорода двух других атомов.
Это особое притяжение, возникающее между молекулами воды, называется водородной связью. Эта связь характерна тем, что она срабатывает на существенно больших расстояниях (примерно равных размеру молекулы воды), чем обычные ковалентные связи между молекулами, однако является значительно (на порядок) менее прочной.
Для того, чтобы – с учётом вышеизложенного – понять, почему же лёд легче воды, посмотрим, что будет происходить с водой при её постепенном охлаждении.
Молекулы воды (как и молекулы любой другой жидкости) находятся в постоянном движении, причём чем теплее вода, тем быстрее движутся такие молекулы. Опять же, как и в любой другой жидкости, расстояния между молекулами воды меньше их размеров. То есть, они находятся достаточно близко к друг другу для того, чтобы между ними возникали водородные связи –и они возникают. Однако, как мы уже говорили, эти связи ещё и очень непрочные – их энергия примерно равна энергии теплового движения молекул жидкости. А потому, даже возникнув, такие связи сразу рвутся просто из-за того, что двум связанным молекулам «пришло в голову» разлететься в разные стороны.
Тем не менее, какая-то часть молекул воды в каждый момент времени связана водородными связями, что определяет другие аномальные свойства этого вещества – например, очень большую теплоёмкость, а также ряд других.
Но вот мы охладили жидкость до той температуры, при которой энергия кинетического движения её молекул уже ниже энергии водородной связи. То есть, единожды «попавшись в сети» водородной связи, молекула воды уже не сможет их покинуть, а возникнувшая связь не разрывается. Начинают возникать цепочки сцепленных водородной связью молекул, которые затем объединяются между собой в группы, те – в ещё более крупные объединения. В результате образуется устойчивая структура – кристаллическая решётка. Вода замерзает и превращается в лёд.
Кстати говоря, именно из-за этого кристаллы льда имеют такую форму, какую они имеют – форму, основанную на гексагональной призме (т.е. призме, в сечении представляющей собой правильный шестиугольник). Несложно видеть, что именно такая фигура представляет собой простейший способ упаковки молекул в трёхмерную структуру с учётом того, что каждая из них должна быть связана с четырьмя другими.
Кстати, другие модификации льда, имеющие другое строение кристаллической решётки (а всего таких модификаций 18 штук!) возникают в условиях, когда атомы в решётке удерживаются не только водородными, но и обычными ковалентными связями. Правда, для этого нужны другие температуры и не встречающиеся на Земле давления — либо очень большие, либо, наоборот, слишком маленькие.
К слову, вода – редкое, но не единственное вещество с подобными свойствами. Во фтористом водороде, например, водородные связи имеют даже более сильный характер, отчего теплоёмкость этого вещества даже выше, чем у воды.
Водородные связи играют роль в органической химии и биохимии – например, именно водородные связи стабилизируют спирали ДНК, а также формируют вторичные и третичные структуры многих белков. Полимерные материалы (например, нейлон) также часто обретают свои свойства именно из-за водородных связей между их молекулами.
Так что можно сказать, что самим своим существованием мы с вами обязаны такому явлению, как водородная связь!
Лёд – твердое состояние воды, его свойства, классификация, формы и фото …
Лёд – хорошо знакомое для большинства из нас вещество. Он всегда вокруг нас в зимнюю пору. В быту мы часто пользуемся его уникальными свойствами …
Лёд — что это …
Лёд — это твёрдое состояние воды. Он образуется при понижении температуры воды ниже 0 градусов по Цельсию. Эта температура называется температурой Кристаллизации воды. Лёд, как и снег, состоит из кристаллов льда, с формами которых вы можете ознакомиться в нашей статье Снег кружится.
Приведем ещё несколько определений.
Большой Энциклопедический словарь
Большой Энциклопедический словарь. 2000
Морской словарь
Лед (Ice) — вода в твердом состоянии. Обыкновенный лед легче воды, удельный вес при 0° — 0,9175. Сто объемов Льда образуются из 92 объемов воды, этим объясняется разрушительное действие воды при замерзании в закрытых сосудах, трубопроводах, отсеках и т. п.
Самойлов К. И. Морской словарь. — М.-Л.: Государственное Военно-морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941
Словарь по географии
Лед — Твердая форма воды, образуемая в природе путем замерзания воды на реках, озерах и морях, конденсации атмосферного водяного пара в ледяные кристаллы, уплотнения снега и т.п.
Словарь по географии. 2015
Свойства льда — свойства воды в твердом состоянии
В результате процесса образования льда – кристаллизации воды, выделяется некоторое количество газов и солей. Это свойство используется для очистки питьевой воды, подробно про это мы писали в материале ТАЛАЯ ВОДА, ПРИГОТОВЛЕНИЕ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ → .
Лёд имеет меньшую плотность чем жидкая вода, поэтому он и не тонет. Это свойство относится к аномальным. Поскольку, как правило, большинство веществ, в твердом состоянии имеет большую плотность. Меньшая плотность льда говорит о том, что вода при замерзании увеличивается в объеме. Этот факт необходимо учитывать в быту. Например, если замерзнет водопровод, то образовавшийся в процессе этого лёд может «порвать» трубы.
Свойства воды в твёрдом состоянии как таковые мы уже рассматривали и в других наших материалах — ЛЕДНИК — ХРАНИТЕЛЬ ПРЕСНОЙ ВОДЫ → , БЕЛЫЕ СНЕЖИНКИ НА НОВЫЙ ГОД → , СНЕГ КРУЖИТСЯ → . Тем не менее ещё раз перечислим главные из них ниже.
Виды льда — классификация льдов
Формы льда в природе
В природе встречается несколько проявлений воды в твёрдом состоянии.
почему лёд легче воды. почему лёд плавает на воде.
Итак, вода остыла, начала замерзать, и по её поверхности поплыли льдины. Но плотность веществ с понижением температуры обычно растёт, а вода этой закономерности не подчиняется. Почему же лёд оказывается легче воды?
Многие считают, что в толще льда остаются многочисленные поры и промежутки, заполненные воздухом. Пузырьки воздуха действительно нередко вмерзают в лёд, и такая „губка“ становится значительно легче воды. Но даже лёд без микроскопических пор и трещин имеет плотность 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода при той же температуре — 0,9984 г/см 3. Дело, значит, только в особенностях структуры льда и воды.
Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H2O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок“.
Молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости (соответствующие атомам водорода) ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими (физики говорят: координационное число льда равно 4).
У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент каждую молекулу воды окружают от 4 до 5 „соседок“, так что среднее их число оказывается равным 4,4. Это означает, что молекулы воды в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, вода плотнее льда. Относительные изменения величин координационного числа (10%) и плотности (9%) очень хорошо совпадают по величине.
Когда лёд тает, освободившиеся холодные молекулы обладают малой энергией и низкой подвижностью. Вначале они сохраняют структуру кристаллической решётки, и плотность воды остаётся низкой. Постепенно регулярный порядок молекул размывается, они группируются теснее, и плотность воды растёт. При температуре 4°С она достигает максимума (0,999973 г/см 3), а потом начинает падать из-за теплового движения молекул, которое становится всё активнее по мере нагрева.
Подобным образом ведут себя и некоторые металлы, например чугун. Это позволяет использовать его как материал для художественного литья. При застывании чугун расширяется и заполняет все, даже самые тонкие детали формы. Чугунные кружевные решётки и настольные скульптуры по моделям известных художников издавна отливали в уральском городе Касли.
5 аномальных фактов о воде
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.