Кубик льда держится на поверхности стакана, а зимой озёра покрываются льдом сверху. Такое поведение воды необычно: большинство веществ в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком. Объяснение связано с расположением молекул и водородными связями.
Что происходит с молекулами воды
При охлаждении молекулы воды сначала движутся медленнее и располагаются ближе друг к другу. Плотность пресной воды достигает максимума примерно при 4 °C. При дальнейшем охлаждении структура начинает меняться.
При замерзании водородные связи удерживают молекулы в более открытой кристаллической решётке. В ней расстояния между молекулами в среднем больше, чем в жидкой воде, поэтому тот же объём льда содержит меньшую массу.
Почему лёд оказывается наверху
Плотность показывает, какая масса приходится на определённый объём. Лёд менее плотный, чем жидкая вода, поэтому выталкивающая сила удерживает его на поверхности. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA), при замерзании объём воды увеличивается примерно на 9%.
Именно поэтому замёрзшая вода может повреждать закрытые ёмкости и трубы. Увеличение объёма создаёт давление, если льду некуда расширяться.
Почему озёра не промерзают сразу до дна
Когда осенью вода в озере охлаждается, более плотные слои опускаются. После достижения примерно 4 °C дальнейшее охлаждение поверхностной воды делает её менее плотной. Она остаётся сверху и там превращается в лёд.
Ледяной покров замедляет теплообмен с холодным воздухом. Благодаря этому подо льдом может сохраняться жидкая вода. Для водных экосистем такая особенность имеет большое значение.
Что меняется в солёной воде
Соль влияет и на температуру замерзания, и на плотность. Морская вода обычно замерзает при температуре ниже 0 °C. По данным NOAA, при образовании морского льда значительная часть соли остаётся в окружающей воде.
Следовательно, плавучесть льда и зимнее поведение водоёмов объясняются физическими свойствами воды, а не наличием пузырьков воздуха в каждом кусочке льда.