Што се случува со водата кога ќе замрзне; Наука во дијалог

Што се случува со водата кога ќе замрзне?

При замрзнување, молекулите на водата формираат кристали. Молекулите се поврзани едни со други преку таканаречените водородни врски. Тие се базираат на слаби електростатски привлечни сили помеѓу позитивно наелектризираните атоми на водород и негативно наелектризираните атоми на кислород на молекулите на водата. Овие врски постојат и во течна вода. Сепак, тие постојано се градат таму. Во пикосекундите, обврзниците раскинуваат и се прават нови. (Пикосекунда е еднаква на милионити дел од милионити дел од секундата.)

Ако температурата (при нормален притисок) падне под точката на замрзнување од нула степени Целзиусови, атрактивната интеракција помеѓу молекулите на водата станува поголема од термичката возбуда. Кристалната структура може да се развие. Во кристалот, секоја молекула на вода е опкружена со уште четири други. Оваа структура се нарекува тетраедрална. Во исто време, шест молекули на вода секогаш се споени заедно и формираат прстен. Хемичарите ја нарекуваат оваа кристална решетка како хексагонална.

Процесот на кристализација е олеснет од таканаречените јадра на кристализација, кои се формираат од нарушувања во форма на честички од прашина или мали вибрации. Без овие јадра на кристализација, т.е. ако водата е многу чиста и исто така е мала количина од неколку микролитри, водата може да се олади до минус 38 степени Целзиусови без да се претвори во мраз. Оваа супер ладена вода е во метастабилна состојба.

Кога водата замрзнува, таа се шири. Молекулите во ледениот кристал зафаќаат повеќе простор отколку во (течна) вода. Значи, мразот има помала густина и може да лебди на вода. Откако водата ќе се замрзне, густината повеќе не се менува релевантна. Само една форма на мраз се јавува во природни услови на земјата. Различни форми се јавуваат при повисок притисок и/или пониски температури. Досега се познати 14 различни кристални мраз форми. Тие се разликуваат едни од други во растојанијата помеѓу атомите на кислород, но во суштина во различните позиции на атомите на водородот. Покрај тоа, постојат аморфни мраз форми кои немаат подредена кристална структура. Досега во вселената е пронајден само аморфен мраз.

За разлика од повеќето други течности, температурата на топење на мразот паѓа кога се зголемува притисокот. Водата тогаш замрзнува само на температури под нулата Целзиусови степени. Хемичарите ова го нарекуваат аномалија на притисокот на водата. Ова овозможува лизгање на мраз. Притисокот што го прави тежината на мразот врз мразот ја намалува температурата на топење и го одмрзнува горниот слој на мразот. Лизгачот на мраз може лесно да лизга на овој филм со вода.

Во мразот, кристалната структура продолжува периодично во сите правци. Меѓутоа, кога леден кристал може слободно да расте во вселената, се создава снег. Ова се состои од многу индивидуални, филигрански рамифицирани ледени кристали. Индивидуалните кристали се создаваат кога најдобрите капки вода се закачуваат на кристализирачко јадро, на пр., Честички прашина и замрзнуваат.

Температурата на мразот во лизгалиштата е околу минус четири степени Целзиусови. Подлабокото ладење би било премногу енергетски интензивно. Температурата не треба да биде поголема поради преносот на топлина. Воздухот во салата има значително повисока температура и би го стопил горниот слој на мраз. Меѓутоа, минус четири степени ладен мраз се лади одоздола, исто така, така што ледениот слој останува доволно цврст на површината. Во меѓувреме, имаше успешни напори да се произведе вештачки мраз на начин на заштеда на енергија на минус два степени.

На прашањето одговори проф.д-р. Ралф Лудвиг, Оддел за физичка хемија на Универзитетот во Росток.