Що відбувається з водою, коли вона замерзає; Наука в діалозі

Що відбувається з водою, коли вона замерзає?

При замерзанні молекули води утворюють кристали. Молекули зв’язані між собою за допомогою так званих водневих зв’язків. Вони засновані на слабких електростатичних силах притягання між позитивно зарядженими атомами водню та негативно зарядженими атомами кисню молекул води. Ці зв'язки існують і в рідкій воді. Однак їх там постійно відновлюють. За пікосекунди зв’язки розриваються і утворюються нові. (Пікосекунда дорівнює мільйонній частці мільйонної частки секунди.)

Якщо температура (при нормальному тиску) опускається нижче точки замерзання, що дорівнює нулю градусів Цельсія, приваблива взаємодія між молекулами води стає більшою, ніж теплове збудження. Кристалічна структура може розвиватися. У кристалі кожна молекула води оточена чотирма іншими. Ця структура називається тетраедричною. У той же час шість молекул води завжди з’єднуються, утворюючи кільце. Хіміки називають цю кристалічну решітку гексагональною.

Процесу кристалізації сприяють так звані ядра кристалізації, які утворюються внаслідок збурень у вигляді частинок пилу або невеликих вібрацій. Без цих ядер кристалізації, тобто якщо вода дуже чиста, і це також невелика кількість у кілька мікролітрів, вода може охолоджуватися до мінус 38 градусів Цельсія, не перетворюючись на лід. Ця переохолоджена вода знаходиться в метастабільному стані.

Коли він замерзає, вода розширюється. Молекули в кристалі льоду займають більше місця, ніж у (рідкій) воді. Отже, лід має меншу щільність і може плавати по воді. Як тільки вода замерзне, щільність більше не змінюється відповідно. У природних умовах на землі зустрічається лише одна форма льоду. Різні форми трапляються при вищих тисках та/або нижчих температурах. На сьогодні відомо 14 різних форм кристалічного льоду. Вони відрізняються один від одного відстанню між атомами кисню, але по суті різними положеннями атомів водню. Крім того, існують аморфні форми льоду, які не мають впорядкованої кристалічної структури. Наразі в космосі знайдено лише аморфний лід.

На відміну від більшості інших рідин, температура плавлення льоду падає при підвищенні тиску. Тоді вода замерзає лише при температурі нижче нуля градусів Цельсія. Хіміки називають це аномалією тиску води. Це дає можливість кататися на ковзанах. Тиск, який чинить на льоді вага фігуриста, знижує температуру плавлення та розморожує верхній шар льоду. Фігурист може легко ковзати по цій плівці води.

У льоду кристалічна структура періодично продовжується у всіх напрямках. Однак коли крижаний кристал може вільно рости в космосі, створюється сніг. Складається з багатьох окремих філігранно розгалужених кристалів льоду. Окремі кристали створюються, коли найдрібніші крапельки води прикріплюються до кристалізаційного ядра, наприклад, частинки пилу, і замерзають.

Температура льоду на ковзанах становить близько мінус чотирьох градусів Цельсія. Глибше охолодження було б занадто енергоємним. Температура не повинна бути вищою через тепловіддачу. Повітря в залі має значно вищу температуру і може розморозити верхній шар льоду. Однак холодний лід мінус чотири градуси також охолоджується знизу, так що шар льоду залишається досить твердим на поверхні. Тим часом були успішні зусилля з виробництва штучного льоду енергозберігаючим способом при мінус двох градусах.

На запитання відповів проф. Ральф Людвіг, кафедра фізичної хімії Ростокського університету.