Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody i znaczenie tego zjawiska w przyrodzie

Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody

Typowymi zjawiskami związanymi z wymianą ciepła z otoczeniem są zmiany rozmiarów i stanu skupienia ciał. Objętość prawie wszystkich ciał z małymi wyjątkami zmienia się liniowo wraz z temperaturą. Najpopularniejsza z cieczy - woda zachowuje się inaczej pod tym względem. Ogrzewając wodę od temperatury 0C do 4C, można zaobserwować zmniejszenie się jej objętości. W tym zakresie temperatur zachodzi zjawisko anomalnej rozszerzalności cieplnej wody. Zależność zmian objętości wody od temperatury przedstawiono na rys.1.
Rys. 1. Wykres zależności zmiany objętości wody od temperatury (zależność nieliniowa i niemonotoniczna)
Objętość wody w zakresie od 0C do 4C maleje, a od 4C do 100C rośnie. To anomalne zachowanie wody związane jest z faktem, że w wodzie ciekłej w
temperaturze nieco powyżej 0C istnieją resztki luźnej struktury lodu. Wzrost temperatury niszczy tę strukturę, pozwalając na gęstsze upakowanie cząsteczek, a więc objętość wody maleje. Woda zbudowana jest z cząsteczek o wiązaniu częściowo jonowym. Tlen ma nadmiar ładunku ujemnego, a wodory - dodatniego. Cząsteczka wody ma nieznikający moment dipolowy, z którym związana jest bardzo duża statyczna przenikalność dielektryczna (e około 81). Cząsteczki wody oddziałują elektrostatyczne. Na skutek tych oddziaływań struktura heksagonalnego lodu jest dość "luźna". Energetycznie korzystne jest takie ustawienie, aby naładowane dodatnio "końce" jednych cząsteczek były blisko naładowanych ujemnie "końców" innych cząsteczek. W procesie topnienia struktura ta jest niszczona, cząsteczki znajdują się bliżej siebie, co jednak jest energetycznie mniej korzystne. Dlatego dostarczenie ciepła do lodu zwiększa energię układu, ale zmniejsza jego objętość.
Rys. 2. Struktura krystaliczna lodu.
Rys. 3. Model szkieletowy cząsteczki wody

		   H2O					   	        H2O
	      faza ciekła					             faza stała

Cząsteczki zamarzniętej wody tworzą otwartą strukturę heksagonalną i dlatego woda przy zamarzaniu się rozszerza.

Lód wskutek tego mniejszą gęstość niż woda Powstała struktura lodu daleka jest od struktury gęstego upakowania. Każdy atom tlenu ma czterech bezpośrednich sąsiadów, gdy tymczasem w strukturze gęstego upakowania sąsiadów tych byłoby dwunastu. W konsekwencji zamarzająca woda zwiększa swoją objętość o ok. 10% względem fazy ciekłej, a powstające kryształki lodu odznaczają się dużą kruchością. Odwrotnie jest podczas topnienia. Wiązania wodorowe pękają a odległości między najbliższymi sąsiadami rosną. Dzięki możliwości ruchu rozmieszczenie cząsteczek staje się ciaśniejsze i w rezultacie objętość wody maleje. Niezależnie od obecności kryształków lodu, wraz ze wzrostem temperatury w wyniku wzrostu ruchu cieplnego cząsteczek objętość wody rośnie. Nałożenie się tych dwóch procesów prowadzi w konsekwencji do anomalnego zachowania się wody (rys.1) W temperaturze 4 0 C woda osiąga największą gęstość.

Znaczenie tego zjawiska w przyrodzie

Fakt, że w temperaturze 40C woda wykazuje największą gęstość, ma doniosłe znaczenie dla utrzymania życia organicznego w wodzie w czasie zimy. Woda w zbiornikach naturalnych chłodzi się od powierzchni. Po osiągnięciu temperatury 40C dalsze jej obniżanie spowoduje, że woda o tej temperaturze, jako mająca największą gęstość, czyli najcięższa, opadnie na dno zbiornika wodnego, a woda chłodniejsza o mniejszej gęstości wypłynie na powierzchnię. Proces ten trwa aż do osiągnięcia temperatury 00C. Wtedy woda zaczyna zamarzać, a lód, który ma gęstość jeszcze mniejszą niż woda (dlodu @ 0,9g/cm3) utrzymuje się z łatwością na jej powierzchni. Dodatkowym czynnikiem utrudniającym zamarzanie zbiorników wody do dna, jest złe przewodnictwo cieplne lodu. Pod warstwą lodu, blisko dna, temperatura wody utrzymuje się na poziomie 40C, zapewniając rybom i innym zwierzętom odpowiednie warunki do przeżycia.

Natomiast zjawisko rozszerzania się zamarzającej wody może być szkodliwe w skutkach. W zimie zdarza się, że zamarzająca w rurach wodociągowych czy kaloryferach woda powoduje ich pękanie. Zjawisko to jest także przyczyną procesu wietrzenia skał. Woda, dostająca się w szczeliny pomiędzy skałami, w czasie mrozów zamarza i zwiększa swoją objętość, krusząc skały.