Почему при росте температуры от 0°C до 4°C вода сжимается
Практически все вещества при нагревании расширяются. Но не вода: в интервале от нуля до четырех градусов она сжимается. Выяснить, почему так происходит, ученые пытались еще в XIX веке, но удалось это сделать только в начале XXI века
Если вещество сжимается, а не расширяется при нагревании, это значит, что оно обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Таким свойством в определенном температурном интервале обладают, например, висмут, галлий, кремний и сурьма. Но это твердые материалы и объяснить сжатие можно изменением внутренней структуры, в ходе которой кристаллическая решетка при увеличении энергии атомов упаковывается более плотно.
Но как объяснить появление такого сжатия у воды? Первая теория, которая хоть как-то объясняла это явление, основывалась на том, что при такой температуре вода состоит из «нормальной» и «льдоподобной» фаз. Впервые такая модель была предложена в XIX веке, но позже ее усовершенствовали и нашли экспериментальные подтверждения.
Исследователи пришли к выводу, что при температуре близкой к нулю в воде в существует два типа нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Когда эти структуры плавятся при температуре от 0°C до 4°C, они образуют воду разной плотности, из-за чего и происходит сжатие.
Но на самом деле все оказалось не так просто. В 2009 году ученые выяснили настоящую причину такого поведения воды. Объем воды определяется расстоянием между молекулами H2O, которое регулируется длиной водородных связей. В жидком состоянии молекулы воды обычно объединяются в небольшие кластеры, обычно по пять штук.
Компьютерное моделирование показало, что с ростом температуры длина водородных связей действительно растет, увеличивая объем вещества. Но в диапазоне от 0°C до 4°C уменьшается размер кластеров — они состоят не из пяти, а из трех частиц. В результате размер отдельных элементов системы уменьшается, и они плотнее прилегают друг к другу.
