Лёд остаётся на поверхности воды, хотя большинство веществ после перехода в твёрдое состояние становятся плотнее. Причина кроется в особом расположении молекул воды: при замерзании они образуют кристаллическую структуру, которая занимает больше места, чем та же масса жидкости. Это свойство объясняет и плавающие кубики льда, и повреждения ёмкостей с замёрзшей водой.
Почему вода при замерзании увеличивается в объёме
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Между соседними молекулами возникают водородные связи, которые влияют на их расположение. В жидкой воде молекулы непрерывно перемещаются, а при образовании обычного льда выстраиваются в более упорядоченную и сравнительно открытую решётку.
В такой решётке среднее расстояние между молекулами оказывается больше, чем в жидкости. Поэтому при одинаковой массе лёд занимает больший объём, а его плотность меньше. Международная ассоциация по свойствам воды и водяного пара IAPWS указывает, что при замерзании вода расширяется примерно на 9%.
При какой температуре вода наиболее плотная
При охлаждении от комнатной температуры вода сначала ведёт себя привычно: её плотность увеличивается. Максимум плотности чистой воды при обычном атмосферном давлении приходится примерно на 4 °C. При дальнейшем охлаждении до точки замерзания плотность начинает уменьшаться, а образование льда сопровождается заметным увеличением объёма.
Это не означает, что любой кусок льда обязательно имеет одинаковую плотность. Внутри могут оставаться пузырьки воздуха, а растворённые вещества меняют свойства воды и условия её замерзания. Однако для обычного пресного льда главное соотношение сохраняется: он менее плотный, чем жидкая пресная вода.
Почему лёд не тонет в стакане и озере
Тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности окружающей жидкости. Поэтому большая часть обычного кубика льда находится под водой, а над поверхностью видна только меньшая доля. По разъяснениям Геологической службы США USGS, плотность льда составляет примерно девять десятых плотности жидкой воды.
В озёрах это свойство имеет особое значение. Вода около 4 °C плотнее более холодной поверхностной воды и может опускаться ниже, тогда как лёд образуется сверху и остаётся на поверхности. Ледяной покров замедляет дальнейшее охлаждение водоёма, благодаря чему под ним может сохраняться жидкая вода.
Почему замёрзшая вода повреждает бутылки и трубы
Если жидкость находится в полностью заполненной жёсткой ёмкости, увеличение объёма при замерзании создаёт давление на стенки. В результате стеклянная бутылка может треснуть, а заполненная водой труба — получить повреждение. Насколько велик риск, зависит от формы ёмкости, степени заполнения, материала и возможности воде перемещаться.
Поэтому закрытые стеклянные сосуды не следует наполнять водой до краёв и оставлять на морозе. При этом расширение льда не означает, что любая замёрзшая бутылка обязательно лопнет: важны условия замерзания и наличие свободного пространства. Свойства плотности воды подробно описаны на сайтах IAPWS и USGS.