Аномалия плотности воды: почему лёд плавает

Коротко: Большинство веществ при охлаждении становятся плотнее, и в твёрдом виде они тяжелее, чем в жидком. Вода — исключение: она наиболее плотна примерно при 4 °C, а лёд легче жидкой воды.

Подробнее: При замерзании молекулы воды выстраиваются с помощью водородных связей в открытую шестиугольную решётку. Эта решётка занимает больше места, чем неупорядоченные молекулы жидкой воды, поэтому при замерзании вода расширяется примерно на девять процентов.

Подробности

• Лёд плавает: Поскольку лёд менее плотный, чем вода, он держится на поверхности. У айсберга над водой видна лишь примерно десятая часть, остальное скрыто под ней.
• Максимум плотности при 4 °C: Если охлаждать воду ниже 4 °C, она снова начинает немного расширяться, хотя ещё остаётся жидкой.
• Озёра замерзают сверху: Осенью холодная поверхностная вода опускается вниз, пока всё озеро не охладится примерно до 4 °C. После этого более холодная и лёгкая вода остаётся наверху и замерзает первой.
• Зимовка: Ледяной покров служит теплоизоляцией, а на дне глубоких озёр вода обычно держится около 4 °C. Благодаря этому рыбы и другие живые существа могут перезимовать.
• Лопнувшие трубы: Если вода замерзает в трубе или бутылке, расширение может разорвать материал. Поэтому трубы в неотапливаемых помещениях зимой следует опорожнять или защищать.
• Морозное выветривание: Вода, попавшая в трещины скал и замёрзшая, расширяет их. Если это повторяется часто, порода постепенно разрушается, а на дорогах появляются выбоины.
• Другие исключения: Некоторые другие вещества, например кремний, галлий и висмут, тоже расширяются при затвердевании, но среди привычных веществ вода — самое заметное исключение.
• Значение для жизни: Если бы лёд тонул, водоёмы могли бы промерзать снизу доверху. Поэтому аномалия важна для жизни в озёрах и морях.
• Связи: Агрегатные состояния воды, плавание тел и выветривание (aggregatzustaende, auftrieb-und-archimedes, gesteine-und-gesteinskreislauf).