Почему вода расширяется при замерзании

Вода расширяется при замерзании из-за особого расположения молекул в кристаллической решётке льда. При превращении жидкой воды в обычный лёд её объём увеличивается приблизительно на 9%. Масса при этом не меняется, поэтому плотность уменьшается: при 0 °C плотность чистой воды близка к 999,8 кг/м³, а плотность пресного льда — примерно 917 кг/м³.

Как обычно ведут себя вещества при охлаждении

Большинство веществ при охлаждении сжимается. Частицы движутся медленнее, среднее расстояние между ними уменьшается, а плотность растёт. Вода следует этому правилу лишь до температуры около 4 °C. Именно при 3,98 °C плотность чистой воды при нормальном давлении достигает максимума.

При дальнейшем охлаждении от 4 до 0 °C вода начинает понемногу расширяться. После образования льда увеличение объёма становится намного заметнее. Такое поведение называют аномальным тепловым расширением воды.

Роль водородных связей

Молекула воды имеет угловую форму и полярна: возле атома кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд, а возле атомов водорода — частичный положительный. Благодаря этому соседние молекулы притягиваются и образуют водородные связи.

В жидкой воде эти связи постоянно возникают и разрушаются. Молекулы могут сближаться и заполнять промежутки между соседями. При замерзании их движение ослабевает, а связи закрепляют молекулы в более упорядоченной пространственной структуре.

Как устроена решётка льда

При обычном атмосферном давлении образуется главным образом гексагональный лёд Ih. Каждая молекула в идеальной структуре связана с четырьмя соседними молекулами. Такая тетраэдрическая сеть содержит относительно большие пустоты. В жидкой воде упаковка в среднем компактнее, хотя её мгновенная структура тоже определяется водородными связями.

Именно открытая решётка, а не увеличение размеров самих молекул, объясняет расширение. Химическая формула остаётся H₂O: меняются взаимное расположение молекул и расстояния между ними.

Насколько увеличивается объём воды

Если взять 1 литр воды около точки замерзания и полностью превратить его в обычный лёд при атмосферном давлении, объём льда будет приблизительно 1,09 литра. Точная величина зависит от температуры, давления, растворённых веществ и количества пузырьков воздуха.

Расширение происходит не мгновенно во всём объёме. Кристаллизация обычно начинается возле стенок, поверхности или частиц, которые служат центрами образования льда. Оставшаяся жидкость вытесняется и испытывает растущее давление.

Почему лёд плавает

Тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности окружающей жидкости. Лёд занимает больший объём при той же массе и поэтому оказывается легче равного объёма воды. Над поверхностью выступает лишь часть льдины, а большая её доля находится под водой.

Это свойство имеет огромное значение для водоёмов. Ледяной покров формируется сверху и частично изолирует воду от холодного воздуха. Более плотная вода с температурой около 4 °C остаётся глубже, поэтому озеро не обязательно промерзает до дна.

Почему лопаются бутылки и трубы

Если воде достаточно свободного пространства, она просто увеличивает объём. В полностью заполненной и закрытой жёсткой ёмкости расширение ограничено стенками. Тогда давление может стать настолько большим, что деформирует трубу, разрывает соединение или раскалывает стекло.

Опасность зависит от формы ёмкости, прочности материала, степени заполнения и того, где начинается кристаллизация. Поэтому нельзя считать безопасной любую бутылку только потому, что она заполнена не до самого края.

Морозное выветривание

Вода проникает в поры и трещины горных пород, бетона и дорожного покрытия. При замерзании она расширяется и воздействует на стенки трещины. После оттаивания внутрь может попасть новая вода. Многократные циклы постепенно ослабляют материал и отделяют частицы.

Разрушение связано не только с простым увеличением объёма. В пористых материалах важны перемещение незамёрзшей воды, рост ледяных линз и распределение давления. Поэтому скорость повреждения зависит от влажности, размера пор, температуры и числа переходов через 0 °C.

Всегда ли замерзающая вода расширяется

Обычный лёд при низком давлении менее плотный, чем жидкая вода. Однако у воды известно множество высокобарических фаз льда. Некоторые из них образуются при очень большом давлении и имеют более плотную структуру. В привычных природных и бытовых условиях встречается преимущественно лёгкий гексагональный лёд.

Растворённые соли понижают температуру замерзания. При образовании морского льда большая часть солей вытесняется в рассол, поэтому свойства морской воды и льда отличаются от свойств чистой воды.

Краткие ответы

На сколько процентов расширяется вода при замерзании

Приблизительно на 9%, если сравнивать жидкую воду около 0 °C с обычным пресным льдом.

Почему лёд менее плотный

В его кристаллической решётке молекулы расположены более рыхло и между ними остаются сравнительно большие промежутки.

Расширяется ли вода до замерзания

Да. После достижения максимальной плотности около 4 °C дальнейшее охлаждение вызывает небольшое расширение ещё до образования льда.