Почему лёд не тонет: аномальные свойства воды и их значение
Лёд не тонет потому, что при переходе из жидкого состояния в твёрдое вода расширяется примерно на 9% и её плотность снижается с 1000 до 917 килограммов на кубометр. Поскольку лёд легче жидкой воды, он держится на поверхности. Это нетипично для большинства веществ и объясняется особым строением молекулы воды.
Почему вода расширяется при замерзании
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного кислорода, и все они расположены несимметрично. Угол между связями О-Н составляет около 104 градусов. Из-за этого молекула полярна: кислородная сторона несёт частичный отрицательный заряд, водородные стороны несут частичный положительный. Такие молекулы притягиваются друг к другу через водородные связи.
В жидкой воде молекулы образуют постоянно меняющуюся сеть водородных связей: каждая молекула в среднем связана с тремя-четырьмя соседями, но эта сеть непрерывно рвётся и перестраивается. При охлаждении тепловое движение замедляется, и при температуре 0 градусов Цельсия молекулы «фиксируются» в кристаллической решётке льда.
Кристаллическая структура льда гексагональная: каждая молекула соединена ровно с четырьмя соседями, образуя правильную открытую решётку с пустотами. Именно эти пустоты и делают лёд «рыхлым» по сравнению с жидкой водой, где молекулы при хаотичном движении упакованы плотнее. Парадоксально, но жидкость плотнее своего твёрдого состояния.
Аномалия максимальной плотности
Вода достигает максимальной плотности не при 0 градусах, а при 4 градусах Цельсия. При охлаждении от 100 до 4 градусов она, как обычно, сжимается. Ниже 4 градусов начинается образование водородных связей, характерных для льда, они «раздвигают» молекулы, и вода начинает расширяться. При замерзании расширение резкое.
Это свойство имеет огромное значение для жизни в водоёмах. Когда зимой температура воздуха падает ниже нуля, поверхность озера или реки охлаждается в первую очередь. При 4 градусах поверхностный слой становится самым тяжёлым и опускается вниз, вытесняя более тёплую воду. Этот процесс перемешивания продолжается до тех пор, пока весь водоём не достигнет 4 градусов. После этого поверхностная вода, охлаждаясь ниже 4 градусов, становится легче и уже не опускается. Дальнейшее охлаждение идёт только сверху вниз, и лёд образуется на поверхности.
Как плавающий лёд защищает жизнь в водоёмах
Ледяной покров выполняет роль теплоизолятора. Теплопроводность льда примерно в четыре раза меньше, чем у воды, а воздух в пузырьках льда снижает её ещё сильнее. В результате даже при морозах в 30–40 градусов, характерных для Сибири и Якутии, большинство водоёмов промерзает лишь на несколько метров, а глубокие озёра и реки сохраняют жидкую воду подо льдом.
Если бы лёд тонул, зимой водоёмы промерзали бы снизу вверх. Тяжёлый лёд опускался бы на дно, оттуда уже не мог таять, следующий слой ложился бы сверху, и глубокие части водоёмов промерзали бы полностью. Большинство пресноводных организмов не пережили бы такой зимы. Аномальное расширение воды при замерзании буквально обеспечивает существование водной жизни в холодных климатических зонах.
Практические последствия расширения воды при замерзании
Расширение воды при замерзании имеет и разрушительную силу. Вода, проникшая в трещины горных пород, при замерзании расширяется с давлением до 2000 атмосфер и разрушает камень. Это морозное выветривание формирует рельеф: горные осыпи, курумники, щебнистые пустоши. В российских горных регионах процесс идёт особенно активно из-за резких суточных перепадов температур.
В строительстве и инженерии расширение воды в порах бетона и трубах при замерзании вызывает их разрушение. Зимнее морозное пучение грунта требует особых фундаментных решений, актуальных для строительства в условиях вечной мерзлоты, занимающей около 65% территории России. Глубина сезонного промерзания грунта в разных регионах служит базовым параметром нормативов строительного проектирования.
Таким образом, плавучесть льда, кажущаяся на первый взгляд простым фактом, вытекает из уникальной молекулярной структуры воды и имеет последствия от экологии водоёмов до инженерного строительства на холодных широтах.
