Varför är vattnets densitet högst på 4 C?

Varför är vattnets densitet högst på 4 C?

Kort svar:

Vattnet blir mer tät som den svalnar tills den når 4 grader C. At att punkt, eftersom vatten molekyler (och krafterna mellan dem) inte är sfäriskt, de börjar att ställa ut en tendens att hålla särskilda riktlinjer vid rekommenderad separation distanserar att hålla dem längre ifrån varandra än var möjligt ovan 4 C. kylning från 4 C mot 0 C tar bort mer rörelseenergi så att önskad inriktning och separationer att bli mer ordnad, ytterligare minskad densitet. Vid frysning, 0 C, nonspherical krafterna mellan molekylerna låsa in dem i de förmånliga riktlinjerna och separationer av ice crystal arrangemanget med en kraftig ökning genomsnittliga separation och minskad skrymdensitet.

Uttömmande svar:

De flesta ämnen expandera vid uppvärmning och de flesta ämnen har en högre täthet i fast form än i en flytande.

Vatten är olika. Vattnet blir aningen ljusare när det fryser. Som är varför is flyter.

Som is görs kallare dock, det följer den vanliga regeln och blir tätare.
Vatten, som en flytande följer denna regel - för det mesta. För ett litet utbud av temperatur, mellan 0 grader Celcius och 4 grader Celcius, vatten gör motsatsen och vatten är 0.013% tätare vid 4 ° C.

Båda av de märkliga beteenden kan spåras till samma ursprung. När någon vätska fryser går värmeenergi ur vätskan som fast form. Temperaturen håller sig konstant under fryspunkten, så den kinetic energin av partiklarna inte ändras. All energi (värme av fusion) är en förändring i potentiell energi till följd av krafterna mellan partiklarna. Krafterna mellan partiklarna vill oftast dra dem närmare tillsammans, men i vatten krafterna är mer komplex.

Eftersom vatten har en ganska stark elektriska dipolmoment, släpper orientera de vatten dipolerna precis rätt en massa energi. För att få dem orienterade innebär "precis rätt" ett komplext samspel av styrkor mellan varje dipol och flera närliggande dipoler. Detta kompliceras ytterligare av vattenmolekyler tendens att bilda vätebindningar.

Eftersom vattnet kyler under 4 C, rörelseenergin minskar tillräckligt för att vattenmolekylerna att spendera mer och mer tid i en önskad orientering av lägre potentiell energi, men för att komma in detta arrangemang den placerar av molekylerna har att gå mot en regelbunden geometrisk struktur och som tar upp mer plats att bara vara bourgeoisiens och trycks tätt ihop. När lokala geometriska ordningen ökar och rörelseenergin minskar från 4 C till 0 C, går den lokala beställning ökar och molekylerna flytta längre isär och täthet ner.

När vatten blir till 0 C, lokala geometriska arrangemanget låser in och molekyler bildar iskristaller med en motsvarande regelbundet återkommande struktur hoppa i utrymmet mellan molekyl eller snarare en plötslig minskning i densitet. Iskristaller växa som värme lämnar is och vatten blandningen vid 0 C tills hela volymen är solid is.

Om isen inte flyta, den skulle sjunka och bottnar i hav och sjöar skulle frysas permanent. Det finns planeter och månar i solsystemet omfattas av material som inte flyter när frysta. Vi är lyckliga.

Data:

Vattnet når det högsta densitet vid 3,98 ° C (39.16 ° F).

Tätheten av ice 0.9168 g/cm3 vid 0 ° C.
Densiteten för vatten, 0.99984 g/cm3 vid 0 ° C och 0.99997 g/cm3 vid 4 ° C.