Почему лед плавает на поверхности воды

Лед легче воды т. к. между молекулами льда больше воздуха, чем между молекулами воды

Итак, вода остыла, начала замерзать, и по её поверхности поплыли льдины. Но плотность веществ с понижением температуры обычно растёт, а вода этой закономерности не подчиняется. Почему же лёд оказывается легче воды?

Многие считают, что в толще льда остаются многочисленные поры и промежутки, заполненные воздухом. Пузырьки воздуха действительно нередко вмерзают в лёд, и такая „губка" становится значительно легче воды. Но даже лёд без микроскопических пор и трещин имеет плотность 0,9168 г/см 3 при 0°С, а вода при той же температуре - 0,9984 г/см 3. Дело, значит, только в особенностях структуры льда и воды.

Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H2O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок".

Молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости (соответствующие атомам водорода) ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими (физики говорят: координационное число льда равно 4).

У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент каждую молекулу воды окружают от 4 до 5 „соседок", так что среднее их число оказывается равным 4,4. Это означает, что молекулы воды в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, вода плотнее льда. Относительные изменения величин координационного числа (10%) и плотности (9%) очень хорошо совпадают по величине.

Когда лёд тает, освободившиеся холодные молекулы обладают малой энергией и низкой подвижностью. Вначале они сохраняют структуру кристаллической решётки, и плотность воды остаётся низкой. Постепенно регулярный порядок молекул размывается, они группируются теснее, и плотность воды растёт. При температуре 4°С она достигает максимума (0,999973 г/см 3), а потом начинает падать из-за теплового движения молекул, которое становится всё активнее по мере нагрева.

Подобным образом ведут себя и некоторые металлы, например чугун. Это позволяет использовать его как материал для художественного литья. При застывании чугун расширяется и заполняет все, даже самые тонкие детали формы. Чугунные кружевные решётки и настольные скульптуры по моделям известных художников издавна отливали в уральском городе Касли.