ความหนาแน่นของน้ำแข็งและน้ำผิดปกติ

น้ำเป็นของเหลวลึกลับ นี่เป็นเพราะคุณสมบัติส่วนใหญ่ผิดปกตินั่นคือ แตกต่างจากของเหลวอื่น ๆ เหตุผลอยู่ที่โครงสร้างพิเศษซึ่งเกิดจากพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิและความดัน น้ำแข็งยังมีคุณสมบัติเฉพาะเหล่านี้ ควรจะกล่าวว่าการกำหนดความหนาแน่นสามารถทำได้โดยสูตรρ = m / V ดังนั้นเกณฑ์นี้สามารถกำหนดได้จากการศึกษามวลของสื่อต่อหน่วยปริมาตร

มาดูคุณสมบัติของน้ำแข็งและน้ำกันดีกว่า ตัวอย่างเช่นความผิดปกติของความหนาแน่น หลังจากละลายความหนาแน่นของน้ำแข็งจะเพิ่มขึ้นผ่านจุดวิกฤตที่ 4 องศาและหลังจากนั้นจะเริ่มลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกันในของเหลวธรรมดามักจะลดลงในระหว่างกระบวนการทำความเย็น ข้อเท็จจริงนี้พบคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์ ยิ่งอุณหภูมิสูงความเร็วของโมเลกุลก็จะยิ่งสูงขึ้น สิ่งนี้นำไปสู่การผลักพวกมันออกจากกันและด้วยเหตุนี้สารจะคลายตัว ความลึกลับของน้ำอยู่ที่ความจริงที่ว่าแม้จะมีการเพิ่มความเร็วของโมเลกุลด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น การลดลงของความหนาแน่นเกิดขึ้นเฉพาะที่อุณหภูมิสูง

ปริศนาที่สองอยู่ในคำถาม: "ทำไมน้ำแข็งจึงลอยอยู่บนผิวน้ำได้", "ทำไมถึงไม่กลายเป็นน้ำแข็งที่ก้นแม่น้ำ" ความจริงก็คือความหนาแน่นของน้ำแข็งต่ำกว่าน้ำ และในกระบวนการหลอมของเหลวอื่น ๆ ความหนาแน่นของมันจะต่ำกว่าของคริสตัล นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าในช่วงหลังโมเลกุลมีช่วงเวลาที่แน่นอนและอยู่อย่างสม่ำเสมอ นี่เป็นเรื่องปกติสำหรับผลึกของสารใด ๆ อย่างไรก็ตามนอกจากนี้โมเลกุลของพวกมันยัง "อัดแน่น" ค่อนข้างแน่น ในกระบวนการหลอมผลึกความสม่ำเสมอจะหายไปซึ่งเป็นไปได้เฉพาะกับโมเลกุลที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ดังนั้นความหนาแน่นของสารจะลดลงในระหว่างกระบวนการหลอม แต่เกณฑ์นี้มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเช่นเมื่อหลอมโลหะจะลดลงโดยเฉลี่ยเพียง 3 เปอร์เซ็นต์

อย่างไรก็ตามความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำถึงสิบเปอร์เซ็นต์ในครั้งเดียว ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่าการกระโดดครั้งนี้ไม่เพียง แต่เป็นความผิดปกติ แต่ยังมีขนาด

ปริศนาเหล่านี้อธิบายได้จากคุณสมบัติโครงสร้างน้ำแข็ง มันเป็นเครือข่ายของพันธะไฮโดรเจนซึ่งแต่ละโหนดมีสี่พันธะ ดังนั้นกริดจึงเรียกว่าสี่เท่า มุมทั้งหมดในนั้นเท่ากับ qT ดังนั้นจึงเรียกว่า tetrahedral นอกจากนี้ยังประกอบด้วยวงแหวนโค้งหกเหลี่ยม

คุณสมบัติของโครงสร้างของน้ำที่เป็นของแข็งคือที่บรรจุโมเลกุลหลวมอยู่ในนั้น หากมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดความหนาแน่นของน้ำแข็งจะอยู่ที่ 2.0 g / cm3 แต่ในความเป็นจริงแล้วเท่ากับ 0.92 g / cm3 สิ่งนี้น่าจะนำไปสู่ข้อสรุปว่าการมีปริมาณเชิงพื้นที่จำนวนมากน่าจะนำไปสู่การปรากฏตัวของความไม่มั่นคง ในความเป็นจริงตาข่ายไม่ได้แข็งแรงน้อยลง แต่สามารถจัดเรียงใหม่ได้ น้ำแข็งเป็นวัสดุที่แข็งแรงซึ่งแม้แต่บรรพบุรุษของชาวเอสกิโมยุคใหม่ก็เรียนรู้ที่จะสร้างกระท่อมจากมัน จนถึงทุกวันนี้ชาวอาร์กติกใช้คอนกรีตน้ำแข็งเป็นวัสดุก่อสร้าง ด้วยเหตุนี้โครงสร้างของน้ำแข็งจึงเปลี่ยนแปลงไปตามแรงกดดันที่เพิ่มขึ้น ความเสถียรนี้เป็นคุณสมบัติหลักของพันธะไฮโดรเจนของเครือข่ายระหว่างโมเลกุล H₂เกี่ยวกับ. ดังนั้นโมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลในสถานะของเหลวจะยังคงมีพันธะไฮโดรเจนสี่พันธะ แต่มุมจะแตกต่างจาก qT ซึ่งนำไปสู่ความจริงที่ว่าความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าของน้ำ