Чому лід плаває у рідкій воді

Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці. Або тут.

Вода — це життя.
Ми її п'ємо, ми в ній купаємося, ми зрошуємо, готуємо, а також вмиваємось.
Це найпоширеніша молекула в нашому тілі.
Будь-яка форма життя, відома нам, загинула б без води.
Але, найголовніше, без води у нас не було б чаю з льодом.
Мм, чай з льодом!
Чому ці кубики льоду плавають?
Якби це були кубики твердого аргону в чашці з рідким аргоном, то вони б потонули.
Теж саме стосується більшості інших речовин, але тверда вода, тобто лід, чомусь має меншу густину, ніж рідка вода.
Чому так?
Ви вже знаєте, що кожна молекула води складається з двох атомів гідрогену зв’язаних з одним атомом оксигену.
Погляньмо на кілька молекул в краплині води за температури, скажімо, 25 градусів за Цельсієм.
Молекули згинаються, розтягуються, обертаються і переміщаються в просторі.
Тепер давайте знизимо температуру, що зменшить середню кінетичну енергію цих молекул, тож вони будуть згинатися, розтягуватися, обертатися і переміщатися повільніше.
А це означає, що в середньому вони займатимуть менше місця.
Здавалось би, що, як тільки рідка вода починає замерзати, молекули просто упаковуються все тісніше і тісніше.
Але, все відбувається не так.
Молекули води між собою взаємодіють за допомогою особливого типу зв’язку, який називається водневим зв’язком.
Тепер згадаємо, що в ковалентному зв’язку два електрони розподіляються зазвичай рівномірно між атомами.
У водневому зв’язку атом водню розподіляється також нерівномірно між атомами.
Ось приклад водневого зв’язку.
Два зв’язки мають ось такий вигляд.
Ось їх три, чотири й п’ять, шість, сім, вісім, дев’ять, десять, і так далі.
В одній краплині води водневі зв’язки утворюють розгалужені мережі між сотнями, тисячами, мільйонами, мільярдами, трильйонами молекул.
І ці зв’язки постійно руйнуються і перебудовуються.
Повернімося до нашої води, яка остигає.
За температури вищої за 4 градуси за Цельсієм кінетична енергія молекул води не дозволяє їм взаємодіяти тривалий час.
Водневі зв’язки утворюються і розриваються як стосунки в старшокласників, тобто, дуже швидко.
Але нижче 4 градусів за Цельсієм кінетична енергія молекул води стає меншою енергії водневих зв’язків.
І ці зв’язки утворюються набагато частіше, ніж руйнуються.
І, таким чином, в хаосі починають з’являтися чудові структури.
Ось який вигляд має вода у твердому стані на молекулярному рівні.
Зверніть увагу на цю впорядковану шестикутну структуру.
Вона менш щільна, ніж невпорядкована структура рідкої води.
А ми знаємо, що тіло, густина якого менша, ніж густина рідини, в яку воно занурене, буду в ній плавати.
Таким чином, лід плаває на поверхні води.
Ну і що?
Давайте подивимось на світ без плавучого льоду.
Найхолоднішою частиною океану стало б його темне дно.
Одного разу замерзнувши, воно б залишилося таким назавжди.
Забудьте роли з лобстерів, оскільки ракоподібні втратили б свої місця проживання.
Забудьте про суші, тому що водорості не росли б.
А що б робили канадські діти взимку без хокею на ставках, або без зимової риболовлі?
А ще забудьте Оскар Джеймса Камерона, тому що Титанік доплив би до пункту призначення.
Попрощайтеся з білими полярними льодовиками, що відбивають сонячне світло, яке в іншому випадку розпекло б планету.
Власне, забудьте й океани, які поривають більше ніж 70% поверхні Землі, та регулюють атмосферу всієї планети.
І найжахливіше — не було б жодного чаю з льодом!
Мм, чай з льодом!