Почему лед легче воды

    Часто авторы книг о льде приводят схематичные рисунки его кристаллической структуры и говорят: «Легко видеть, что лед обладает структурой с многочисленными незаполненными промежутками. Вот почему он легче воды». Однако так объяснять, почему лед плавает в воде, нельзя. Дело в том, что при этом молекулы воды и водородные связи часто рисуют, не обращая внимания на соотношения их размеров, и, что еще важнее, забывают показать структуру воды, с которой надо сравнивать структуру льда.

Главная особенность структуры льда заключается в том, что в кристалле все молекулы воды находятся в окружении четырех других таких же молекул, образующих тетраэдр. Это означает, что координационное число (число молекул, находящихся в непосредственной близости от рассматриваемой) равно четырем.

Если максимально плотно упаковать в ящик шары такого же размера, то координационное число окажется равным двенадцати, т. е. каждый шар будет соприкасаться с двенадцатью другими шарами. Существуют два способа такой упаковки шаров. В одном случае образуется кубическая плотноупакованная структура (гранецентрированная кубическая), а в другом - гексагональная плотноупакованная. Подобными плотноупакованными кристаллическими структурами обладают, например, медь, цинк, серебро и другие простые металлы. В сравнении с ними кристаллическая структура льда, для которой коор­динационное число равно четырем, и в самом деле имеет много незаполненных промежутков.

Но каково координационное число для воды? Вода представляет собой жидкость, поэтому у нее нет такой регулярной, упорядоченной структуры, как у кристаллов льда, и расположение всех ее молекул с течением времени постепенно меняется. Однако, основываясь на усредненных данных рентгеновских измерений, можно определить так называемую функцию радиального распределения. Эта функция показывает, какова средняя концентрация молекул в окрестности рассматриваемой. Найдя максимум функции радиального распределения и форму соответствующей кривой для воды, имеющей температуру 1,5°С, можно убедиться, что при такой температуре расстояние от рассматриваемой молекулы до ближайших к ней других молекул равно 2,90 А, а координационное число - 4,4. Иными словами, в обычной воде каждая молекула окружена в среднем 4,4 другими молекулами, удаленными от нее на 2,90 А, что превышает расстояние между любой молекулой воды и ее ближайшими соседями в структуре льда (2,76 А). Таким образом, из сравнение расстояний между молекулами вовсе не вытекает, что вода плотнее льда. Но у воды координационное число больше четырех. Это обстоятельство и играет ре­шающую роль - в результате у воды структура оказывается более плотной, чем у льда.

Основная причина того, что у льда координационное число равно четырем, кроется в форме молекул воды. Из-за этого же, очевидно, лед легче воды. Из-за этого же, как говорилось выше, происходит уменьшение температуры плавления льда с ростом давления.

Если бы вода была похожа на остальные вещества и лед был бы тяжелее ее, а значит, тонул, то зимой при замерзании прудов лед постепенно нарастал бы не с поверхности, а со дна. В этом случае водяные растения и рыбы не смогли бы пережить зиму. Природа, если вдуматься, сотворена, поистине, совершенно!

Поскольку для воды координационное число равно 4,4, ее можно приближенно представлять себе веществом, обладающим тетраэдрической структурой, что можно интерпретировать как частичное сохранение у воды в жидком состоянии тетраэдрической структуры, похожей на структуру льда.

Идея считать воду в жидком состоянии псевдокристаллом возникла в 1933 г. у англичан Бернала и Фаулера. Согласно их модели, вода в жидком состоянии представляет собой смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, структура кристаллического кварца и плотноупакованная структура обычной воды).

В модели смешанного вещества удается хорошо объяснить разнообразные особенности воды. Например, максимальная плотность воды при +4°С получает следующее толкование. Когда лед тает, его собственная структура частично разрушается и образуются структуры двух других типов, обладающие большей плотностью. С ростом температуры этот процесс развивается, что приводит к увеличению плотности, однако, когда температура переваливает +4 °С, более существенным становится увеличение объема за счет теплового движения молекул, и в результате плотность начинает уменьшаться. Максимум плотности определяется из условия баланса теплового расширения и изменения плотности в зависимости от содержания в смеси структур указанных трех типов.

Помимо модели, в которой вода рассматривается как смесь трех компонент с различными структурами, выдвигались и другие аналогичные модели - двухкомпонентная и пятикомпонентная. Кроме того, предлагалась так называемая однородная модель, согласно которой вода не является смешанным веществом, а представляет собой непрерывную среду со сложным образом искривленными водородными связями. И модели смешанного вещества, и однородная модель - это всего лишь модели, предлагающие ту или иную структуру. Но с их помощью удается хорошо описывать реальные свойства воды. Многие вопросы, относящиеся к структуре и свойствам воды, и по сей день еще ждут своего окончательного разрешения.

   источник http://icepro.ru