Наука в диалог

Какво се случва с водата, когато замръзне?

Когато водните молекули замръзнат, те образуват кристали. Молекулите са свързани помежду си чрез така наречените водородни връзки. Те се основават на слаби електростатични сили на привличане между положително заредените водородни атоми и отрицателно заредените кислородни атоми на водните молекули. Тези връзки съществуват и в течна вода. Те обаче постоянно се възстановяват там. За пикосекунди връзките се прекъсват и се създават нови. (Пикосекундата е равна на милионна от милионната част от секундата.)

Ако температурата (при нормално налягане) падне под точката на замръзване от нула градуса по Целзий, привлекателното взаимодействие между водните молекули става по-голямо от топлинното възбуждане. Кристалната структура може да се развие. В кристала всяка молекула вода е заобиколена от четири други. Тази структура се нарича тетраедрична. В същото време шест молекули вода винаги са свързани заедно, за да образуват пръстен. Химиците наричат тази кристална решетка шестоъгълна.

Процесът на кристализация се улеснява от така наречените кристализационни ядра, които се образуват от смущения под формата на прахови частици или леки вибрации. Без тези кристални ядра, т.е. ако водата е много чиста и освен това е малко количество от няколко микролитра, водата може да се охлади до минус 38 градуса по Целзий, без да се превръща в лед. Тази преохладена вода е в метастабилно състояние.

Когато водата замръзне, тя се разширява. Молекулите в ледения кристал заемат повече място, отколкото във (течна) вода. Така че ледът има по-ниска плътност и може да плава по водата. След като водата замръзне, плътността вече не се променя. Само една форма на лед се среща в естествени условия на земята. Различни форми се срещат при по-високо налягане и/или по-ниски температури. Към днешна дата са известни 14 различни кристални ледени форми. Те се различават един от друг в разстоянието между кислородните атоми, но по същество в различните позиции на водородните атоми. Съществуват и аморфни ледени форми, които нямат подредена кристална структура. Досега в космоса е открит само аморфен лед.

За разлика от повечето други течности, температурата на топене на леда спада при повишаване на налягането. Тогава водата замръзва само при температури под нулата градуса по Целзий. Химиците наричат това аномалия на налягането на водата. Това дава възможност за пързаляне с кънки. Натискът, упражняван от тежестта на ледените кънки върху леда, понижава температурата на топене и размразява горния слой лед. Фигуристът на леда може лесно да се плъзга по този воден филм.

В леда кристалната структура продължава периодично във всички посоки. Когато обаче леден кристал може да расте свободно в космоса, се създава сняг. Състои се от много отделни, филигранно разклонени ледени кристали. Отделните кристали се създават, когато най-фините водни капчици се придържат към кристализационното ядро, напр. Праховите частици се натрупват и замръзват.

Температурата на леда в ледените пързалки е около минус четири градуса по Целзий. По-дълбокото охлаждане би било твърде енергоемко. Температурата не трябва да е по-висока поради преноса на топлина. Въздухът в залата е със значително по-висока температура и би размразил горния слой лед. Минусът от четири градуса студен лед обаче се охлажда едновременно отдолу, така че леденият слой остава достатъчно твърд на повърхността. Междувременно има успешни усилия за производство на изкуствен лед по енергоспестяващ начин при минус два градуса.

На въпроса отговори проф. Д-р. Ралф Лудвиг, катедра по физическа химия в университета в Росток.