Аномалія густини води: чому лід плаває

Коротко: Більшість речовин під час охолодження стають густішими, і в твердому стані вони важчі, ніж у рідкому. Вода — виняток: вона найгустіша приблизно за 4 °C, а лід легший за рідку воду.

Докладніше: Під час замерзання молекули води вибудовуються за допомогою водневих зв’язків у відкриту шестикутну ґратку. Ця ґратка займає більше місця, ніж невпорядковані молекули рідкої води, тому під час замерзання вода розширюється приблизно на дев’ять відсотків.

Подробиці

• Лід плаває: Оскільки лід менш густий, ніж вода, він тримається на поверхні. В айсберга над водою видно лише приблизно десяту частину, решта прихована під нею.
• Максимум густини за 4 °C: Якщо охолоджувати воду нижче 4 °C, вона знову починає трохи розширюватися, хоча ще залишається рідкою.
• Озера замерзають згори: Восени холодна поверхнева вода опускається вниз, доки все озеро не охолоне приблизно до 4 °C. Після цього холодніша й легша вода залишається вгорі й замерзає першою.
• Зимівля: Льодовий покрив слугує теплоізоляцією, а на дні глибоких озер вода зазвичай тримається близько 4 °C. Завдяки цьому риби та інші живі істоти можуть перезимувати.
• Розірвані труби: Якщо вода замерзає в трубі чи пляшці, розширення може розірвати матеріал. Тому труби в неопалюваних приміщеннях узимку варто спорожнювати або захищати.
• Морозне вивітрювання: Вода, що потрапила в тріщини скель і замерзла, розширює їх. Якщо це повторюється часто, порода поступово руйнується, а на дорогах з’являються вибоїни.
• Інші винятки: Деякі інші речовини, наприклад кремній, галій і вісмут, теж розширюються під час твердіння, але серед звичних речовин вода — найпомітніший виняток.
• Значення для життя: Якби лід тонув, водойми могли б промерзати знизу догори. Тому аномалія важлива для життя в озерах і морях.
• Зв’язки: Агрегатні стани води, плавання тіл і вивітрювання (aggregatzustaende, auftrieb-und-archimedes, gesteine-und-gesteinskreislauf).