Почему лёд плавает в воде и что происходит при замерзании
Лёд плавает, потому что при замерзании вода образует менее плотную структуру. Около 90% обычной льдины остаётся под водой.
Дальше вы узнаете, почему вода расширяется именно при замерзании, какая часть льдины скрыта под поверхностью и почему плавающий лёд после таяния почти не поднимает уровень воды.
В статье вы узнаете:
В кристалле молекулы воды оставляют между собой пустоты
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Электрический заряд распределён по ней неравномерно: сторона около кислорода немного отрицательнее, стороны около водорода немного положительнее.
Разные стороны соседних молекул притягиваются. Такое межмолекулярное притяжение называют водородной связью. В жидкой воде связи постоянно возникают и разрываются, поэтому молекулы могут двигаться и располагаться довольно плотно.
При замерзании обычная вода образует упорядоченную кристаллическую решётку. Каждая молекула занимает место в открытой пространственной сети с заметными промежутками. Та же масса получает больший объём, а плотность уменьшается.
Плотность показывает, сколько массы помещается в выбранном объёме. Если килограмм вещества занимает больше места, его плотность ниже.
У большинства знакомых веществ твёрдая фаза плотнее жидкой. Вода ведёт себя необычно из-за геометрии водородных связей. Обзор молекулярной структуры воды связывает низкую плотность обычного льда именно с открытым тетраэдрическим расположением молекул. [Dill et al., 2017]
Льдина погружается до тех пор, пока не вытеснит свой вес воды
На лёд действует сила тяжести вниз и выталкивающая сила воды вверх. Чем глубже погружается льдина, тем больше воды она вытесняет. Равновесие наступает, когда масса вытесненной воды равна массе льда.
При 0 °C плотность обычного льда составляет около 0,917 г/см³, а жидкой воды около 1,000 г/см³. Поэтому долю объёма под водой можно оценить отношением плотностей:
Получается примерно 91,7% под водой и 8,3% над поверхностью для чистого льда в пресной воде. Воздух внутри льда, соль и температура немного меняют соотношение. Поэтому правило «видна одна десятая айсберга» является хорошим образом, но не точным паспортом каждой льдины.
Геологическая служба США приводит ту же бытовую оценку: при замерзании плотность воды уменьшается примерно на 9%, а большая часть айсберга остаётся под поверхностью. [USGS, плотность воды]
На калькуляторе плотности можно проверить сам принцип без льда. Два тела одинаковой массы имеют разную плотность, если занимают разные объёмы. Калькулятор массы по объёму решает обратную задачу и показывает, почему одинаковые литры льда и воды весят по-разному.
Пресная вода тяжелее всего примерно при 4 °C
Охлаждение большинства жидкостей сближает молекулы и повышает плотность. С водой так происходит примерно до 4 °C. При дальнейшем охлаждении начинает сильнее проявляться более открытая структура водородных связей, и плотность снова немного уменьшается.
Осенью поверхность пресного озера охлаждается. Вода около 4 °C становится плотнее и опускается, перемешивая слои. Когда верхний слой охлаждается ниже 4 °C, он уже остаётся наверху. Там вода достигает 0 °C и замерзает.
Лёд плавает и создаёт сверху крышку. Под ним сохраняется жидкая вода, а более плотный слой около 4 °C может находиться глубже. Схема зависит от глубины, ветра, течений и состава воды, но необычная зависимость плотности помогает пресным водоёмам замерзать сверху, а не превращаться целиком в ледяной блок снизу вверх.
Морская вода ведёт себя иначе из-за соли. Она замерзает при более низкой температуре, а зависимость плотности от температуры меняется. Школьное правило про максимум при 4 °C относится прежде всего к чистой или пресной воде при обычном давлении.
Плавающий лёд уже вытеснил воду своей массы
Положите кубик льда в полный стакан. До таяния он погружён настолько, чтобы вытеснить массу воды, равную собственной массе. После таяния кубик превращается в ту же массу жидкой воды. Она занимает ровно тот объём, который прежде был вытеснен.
В идеальном опыте с пресной водой уровень почти не меняется. Температура, пузырьки воздуха и растворённые вещества дают мелкие поправки, но главный результат сохраняется.
С наземным льдом ситуация другая. Ледник лежит на суше и не вытесняет океан своей массой. Когда его вода попадает в море, к океану добавляется новый объём. Поэтому таяние плавающего морского льда и потеря ледников на суше по-разному влияют на уровень.
Есть наглядная домашняя проверка. Налейте воду почти до края прозрачного стакана, добавьте несколько кубиков и отметьте уровень полоской бумаги. Дождитесь полного таяния при комнатной температуре. Стакан не должен переполниться только из-за плавающих кубиков, если в опыте ничего не доливали и не проливали.
Дополнительный объём льда способен разорвать жёсткую ёмкость
При замерзании вода расширяется примерно на 9%. В мягкой пластиковой бутылке стенки могут немного выгнуться. В полностью заполненной стеклянной бутылке свободного места нет, поэтому растущий лёд создаёт большое давление и способен расколоть стекло.
По той же причине вода разрушает камень и бетон. Она попадает в трещину, замерзает, расширяется и увеличивает повреждение. Один цикл может быть незаметен, а многократное замерзание и оттаивание постепенно раскрывает трещину.
Важно! Не замораживайте полностью заполненные закрытые стеклянные бутылки. Оставляйте свободное место и используйте тару, которую производитель допускает для морозильника.
Итог: лёд плавает, потому что упорядоченная сеть водородных связей удерживает молекулы дальше друг от друга. Масса сохраняется, объём растёт, плотность падает. Из этой молекулярной детали получаются айсберги, замерзающие сверху озёра, треснувшие бутылки и аккуратный опыт со стаканом, уровень которого после таяния почти не меняется.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.