Почему вода замерзает?

Вода - архиважное вещество для любого живого существа и для всей планеты в целом. Исключительно благодаря наличию воды на нашей планете когда-то смогла зародиться жизнь и исключительно благодаря физическим и химическим свойствам воды жизнь получила возможность развиваться и распространяться. Но задумывались ли вы когда-нибудь о этих самых свойствах, задавали ли себе вопрос: "Почему вода так просто меняет свои физические состояния и что позволяет ей это делать?"

Вода - неорганическое соединение бинарного типа, т.е. образованное атомами двух разных химических элементов. В состав одной молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода.

На Земле, благодаря нормальным температуре и давлению, подавляющее большинство воды находится в жидком состоянии - около 98%, еще 1,7% приходится на ледники и приблизительно 0,001% содержится в атмосфере в газообразном состоянии. Существование сразу трех агрегатных форм в относительно узких температурных рамках (имеются ввиду климатические условия Земли) обусловлено особыми физическим строением молекул воды и связями между ними.

Почему вода замерзает?

Переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.

При температуре от 1 до 99 градусов Цельсия молекулы воды находятся в постоянном движении, обусловленном тепловой энергией. При этом каждая молекула воды связана одновременно с четырьмя другими молекулами, эта связь постоянно стремиться к образованию определенной упорядоченной структуры, но тепловое движение этому препятствует. Всю эту сложную научную "билиберду" можно объяснить немного проще: все молекулы воды связаны между собой, но их движение относительно друг друга не дает им принять какую-то определенную структуру. Это легко можно проследить на примере, налив воды в стакан - вода моментально примет форму стакана, но сама по себе удержать эту форму не может.

молекулы жидкой воды

Приблизительно так выглядят молекулы воды в жидком состоянии. Каждая молекула соединена с четырьмя другими, и все они находятся в постоянном движении.

При температуре 0 °С энергия молекулярных связей начинает преобладать над энергией теплового движения. В результате термическая энергия больше не препятствует образованию строго упорядоченной структуры. Расстояние между молекулами увеличивается, плотность воды, наоборот, снижается и образуется так называемая кристаллическая структура воды, или попросту лед. Именно благодаря образованию упорядоченной и стабильной структуры лед может держать форму.

кристаллическая решетка воды

Кристаллическая решетка воды. Красные шарики - атомы кислорода, серые - атомы водорода. Серые пунктирные линии - водородные связи.

При температуре 0 °С энергия молекулярных связей преобладает над энергией теплового движения, - формированию упорядоченной структуры больше ничего не мешает и образуется так называемая кристаллическая структура воды, или попросту лед.

При температуре 100 °С происходит разрыв молекулярных связей, в следствии чего молекулы отделяются друг от друга и вода переходит в фазу пара (газообразного состояния). Для разрыва связей необходимо большое количество энергии, т.е. тепла.

В качестве обобщения, можно сказать, что переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.

Несколько интересных фактов о фазовых состояниях воды:

- Задумывались ли Вы когда-нибудь, почему вода замерзает при температуре именно 0 °С и переходит в парообразное состояние при 100 °С? Дело в том, что на основе этих значений и была построена шкала измерения температуры "по Цельсию" шведским ученым Андерсом Цельсием.

- Значения 0 и 100 °С для замерзания и кипения воды соответственно справедливы только для стандартного давления (1 атмосфера или 10 Паскалей). При повышении давления температура кипения воды и плавления льда растет. Например при давлении в 6 атмосфер вода начнет кипеть только при 158 градусах Цельсия.

- Помимо жидкого, газообразного и твердого состояния вода может существовать и в других фазах: перегретая жидкость, пересыщенный пар и переохлажденная жидкость.

- Вода может одновременно находиться в трех агрегатных фазах при строго определенных значениях давления и температуры. Это состояние носит название "Тройная точка воды" и наблюдается при 0,01 °С и 611,657 Па.