Agua: ¿Cuál es la razón científica de la expansión anómala del agua?

Esto se conoce desde hace mucho tiempo.

El enlace de hidrógeno es responsable de la expansión anómala del agua por debajo de 4C.

Los enlaces de hidrógeno en realidad mantienen las moléculas de agua a una distancia mayor entre sí que cuando no existe dicho enlace a niveles de energía más altos, es decir, temperaturas más altas cuando es un líquido.

Es como si las personas estuvieran en un metro ocupado, más de ellas pueden caber si se juntan las manos, que si se toman de la mano y se paran, aunque son más rígidas, pero ocuparán más espacio.

De la misma manera, el hielo es rígido pero ocupa más espacio que el agua líquida por debajo de 4C.

En una palabra, la densidad es responsable de la expansión anómala del agua. Cuando la temperatura cae, la capa superior de agua se contrae, se vuelve más densa y se hunde hasta el fondo. Por lo tanto, se establece una circulación hasta que el agua completa alcanza su densidad máxima a 4 ° C. Si la temperatura baja aún más, la capa superior se expande y permanece en la parte superior hasta que se congela. Así, aunque la capa superior esté congelada, el agua cerca del fondo está a 4 ° C.

● RAZÓN CIENTÍFICO

La expansión anómala del agua tiene lugar porque cuando el agua se calienta a 277K se forman enlaces de hidrógeno. Aunque se supone que el hielo se expande cuando se convierte en agua, esta formación gradual de enlaces de hidrógeno hace que se contraiga, es decir, la contracción causada por la formación de enlaces de hidrógeno es mayor que la expansión real del hielo. A 277 K el agua tiene la densidad máxima porque todos los enlaces de hidrógeno están formados por 277 K más allá de los cuales el agua obedece a la teoría cinética de las moléculas, un aumento de volumen cuando se calienta y lo contrario cuando se enfría. Lo mismo sucede a la inversa cuando el agua se enfría más allá de 277K.

¡Desde el punto de vista de un pez, es cuestión de vida o muerte! La expansión del hielo del estado líquido lo mantiene flotando en la parte superior del agua. Además, el agua se contrae a ambos lados de 4C, de modo que a bajas temperaturas del aire por debajo de cero grados centígrados, el agua a 4 C gravita hacia el fondo de un estanque, lo que garantiza que los peces sobrevivan durante el invierno.

Y todo se reduce a la capacidad única del hidrógeno de entrar en un enlace suelto con un átomo de oxígeno que ya está satisfecho en un contexto de valencia. Las moléculas de agua forman una estructura que permite que las moléculas circundantes se asocien entre sí de manera similar a la polimerización, pero en tres dimensiones. Cada molécula de agua se asocia libremente con otras moléculas de agua de una manera que determina las propiedades físicas únicas del agua, como el punto de congelación, el punto de ebullición (incluida la presión de vapor), la relación anómala de temperatura / densidad, la tensión superficial (que puede considerarse como un efecto final), viscosidad y diversas propiedades ópticas. Sin estas propiedades únicas, la vida no sería posible tal como la conocemos.

El agua muestra un comportamiento análogo debido a la presencia de enlaces de hidrógeno en ella.

Verá, normalmente cuando calentamos un líquido a partir de 0 grados centígrados, su densidad disminuye, pero en caso de agua cuando lo calentamos a 0 grados centígrados, los enlaces de hidrógeno se romperán y, por lo tanto, se producirá la expansión. Esta es también la razón por la cual el agua tiene su densidad máxima a 4 grados centígrados.

El agua en cuanto agua se expande a medida que se enfría de 4 a cero grados centígrados. Ergo su densidad máxima es de 4 grados. Por qué lo hace es un misterio por lo que puedo ver. Las teorías que leo son circulares o usan analogías débiles. Oh, ves que la energía mínima del enlace de hidrógeno por debajo de 4 grados C se ve favorecida por un relleno más flojo de moléculas de agua. O … citando una publicación anterior en Quora

El agua caliente es un montón de granos de arroz que vibran debido a la alta temperatura, por lo que hacen espacio entre ellos. Aparentemente, 4 grados es la temperatura óptima para que vibren ligeramente pero no lo suficientemente frías para que los pequeños mocosos comiencen a formar la estructura cristalina anterior.

Entonces ves que estas explicaciones no explican nada. Simplemente repiten el fenómeno en diferentes idiomas. Esto se llama “mendigar las preguntas” por cierto.

Estaría encantado de conocerme a mí mismo. Si alguien desea investigar un poco y publicar una buena respuesta, lo leeré rápido e inteligente.

MATERIAL AGREGADO

Estoy agregando a mi respuesta ya que varias respuestas relevantes se han fusionado. Presento un experimento mental. Supongamos que usted, como químico físico competente, hubiera estado aislado de alguna manera del comportamiento anómalo de las aguas (no la baja densidad de hielo, ese no es el problema aquí). Sabía que los enlaces de hidrógeno y el comportamiento de la mayoría de las sustancias cuando se calientan, es decir, se expanden. Ahora, ¿podría predecir que el agua no se expandiría sino que se contraería de 0 grados C a 4 grados C? Como corolario, ¿sería capaz de identificar 4 grados C como la densidad máxima? Sugiero que estas nociones serían una gran sorpresa y que se requeriría un modelo matemático sofisticado para llegar a estas conclusiones en ausencia de lo que todos saben.

El agua es diferente Con casi todo en la Tierra, excepto el agua dulce, cuanto más frío se vuelve, más denso se vuelve. Toma alcohol por ejemplo. Si tuviéramos que llenar un recipiente de 1 litro con alcohol puro a 30 grados Celsius (86 Fahrenheit) y luego tomar otro recipiente de 1 litro y llenarlo con alcohol puro a 10 grados Celsius (50 Fahrenheit), el recipiente de alcohol más frío pesaría más . Esto se debe a que el alcohol más frío es más denso, por lo que pueden caber más moléculas de alcohol en el mismo recipiente. Esto también es cierto con el agua dulce, hasta cierto punto. Pero a aproximadamente 4 grados Celsius (40 Fahrenheit) el agua alcanza su punto más denso. Sorprendentemente, a medida que el agua se enfría aún más, en realidad se vuelve menos densa.

Cada molécula de agua está compuesta de 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. Estos están conectados entre sí por enlaces químicos muy fuertes llamados enlaces covalentes. Las moléculas de agua están conectadas entre sí por enlaces químicos mucho más débiles llamados enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno cargados positivamente y un átomo de oxígeno cargado negativamente en una molécula de agua vecina.

A medida que el agua se enfría más de 4 grados Celsius (40 Fahrenheit), los enlaces de hidrógeno que conectan diferentes moléculas de agua se ajustan para mantener separados los átomos de oxígeno cargados negativamente. Esto da como resultado un cristalice que comienza a formarse a menos de 4 grados centígrados. Este cristal latice se forma completamente al congelarse, y se conoce comúnmente como hielo.

Entonces, ¿por qué flota el hielo? Como la mayoría de las cosas que flotan, el hielo flota porque es menos denso que el agua líquida. El hielo es aproximadamente un 9% menos denso. Cuando se forma hielo, ocupa aproximadamente un 9% más de espacio de lo que lo hacía como líquido. Por lo tanto, un recipiente de hielo de 1 litro pesa menos que un recipiente de agua líquida de 1 litro, y el material más ligero flota hacia la parte superior. Como dijimos, el agua es diferente.

La mayor ventaja es que cuando el agua se enfría y se expande, es menos densa. Eso hace que flote sobre el agua más cálida, lo que hace que los lagos vuelquen su agua y lleven más oxígeno a los lagos. Los peces respiran más fácilmente por eso.
Debido a que es menos denso cuando se congela, el hielo también flota. Si no fuera así, los lagos se congelarían de abajo hacia arriba. El hielo que flota sobre el agua ayuda a aislar el agua debajo de él, especialmente si le cae una capa de nieve.
Esto permite que los peces sobrevivan al invierno.

También:
Puede romper cosas llenándolas con agua y congelándolas. Por ejemplo, si perfora una línea de agujeros en una roca grande, puede dividirla llenando los agujeros con agua y dejándolos congelar.
Tenga en cuenta que es una ventaja solo si desea algo roto. Congelar y romper las tuberías generalmente se considera malo.

A continuación se muestra la estructura del agua y el hielo.

En el hielo, los enlaces de hidrógeno forman una estructura similar a una jaula, que no está allí en forma líquida. Eso explica por qué la densidad del agua disminuye como un sólido, a diferencia de lo que se espera. El agua líquida es más densa, esencialmente 1.00 g / cm³, a 4 ° C y se vuelve menos densa a medida que las moléculas de agua comienzan a formar los cristales hexagonales de hielo cuando se alcanza el punto de congelación. Esto se debe a la unión de hidrógeno que domina las fuerzas intermoleculares, lo que resulta en un empaque de moléculas menos compactas en el sólido. Cuando comienza a calentar hielo, los enlaces de hidrógeno se rompen y el hielo se derrite. Todos los enlaces de hidrógeno se rompen cuando alcanza los 4 ° C. Por lo tanto, la densidad es máxima en este punto. De aquí en adelante se comporta como un líquido normal, expandiéndose a medida que se aplica más calor.

La mayoría de los materiales se contraen cuando se congelan, porque el sólido tiene átomos o moléculas más compactas.

Sin embargo, el agua se expande cuando se congela porque en su nivel de energía más bajo hay “enlaces de hidrógeno”. Los átomos de hidrógeno electropositivos están alineados con los átomos de oxígeno electronegativos. Cuando se expande a tres dimensiones, esto crea mucho espacio vacío.

La expansión análoga del agua se debe a la naturaleza innata de los sólidos y líquidos. Como líquido, el agua disfruta de muy poca estructura debido al rápido movimiento aleatorio de sus moléculas. Sin embargo, enfríelo a menos de 4 grados Celsius y comenzará a ver que las moléculas se mueven lo suficientemente lento como para permitir que se produzca la unión de hidrógeno. Este enlace de hidrógeno mantiene a las moléculas más separadas de lo que estarían si se movieran aleatoriamente. Como las moléculas están más separadas, el agua, en general, se expande. El razonamiento aquí es el mismo por qué el hielo es menos denso que el agua líquida. Dado que los sólidos generalmente tienen estructuras definidas con poco movimiento molecular, el hielo se ve obligado a tener distancias bastante grandes entre las moléculas (en comparación con el agua) debido a los enlaces de hidrógeno entre las moléculas que constituyen la mayor parte de la estructura del hielo, haciéndola menos densa que su contraparte líquida ¡Espero que esto ayude!

Si.

Cuando el agua se congela, forma cristales. Esos cristales ocupan más espacio que el agua líquida. Este es un fenómeno muy raro, pero no es difícil de explicar. La forma del cristal es el resultado de la característica de la molécula, y la molécula de agua tiene características bastante únicas. Por suerte para nosotros también, porque las características inusuales del agua son una gran parte de lo que hace posible la vida tal como la conocemos.

La expansión anómala del agua es una propiedad anormal del agua por la cual se expande en lugar de contraerse cuando la temperatura va de 4 ° C a 0 ° C, y se vuelve menos densa . La densidad se vuelve cada vez menor a medida que se congela porque las moléculas de agua normalmente forman estructuras cristalinas abiertas cuando están en forma sólida.

El enlace de hidrógeno es responsable de la expansión anómala del agua por debajo de 4C.

Los enlaces de hidrógeno en realidad mantienen las moléculas de agua a una distancia mayor entre sí que cuando no existe dicho enlace a niveles de energía más altos, es decir, temperaturas más altas cuando es un líquido.

Es como si las personas estuvieran en un metro ocupado, más de ellas pueden caber si se juntan las manos, que si se toman de la mano y se paran, aunque son más rígidas, pero ocuparán más espacio.

De la misma manera, el hielo es rígido pero ocupa más espacio que el agua líquida por debajo de 4C. ¡Espero que esto te haya ayudado!

Sin ella, la Tierra probablemente sería estéril, o casi, de la vida.

Flotadores de hielo. Porque lo hace, aísla el agua debajo de ella de un enfriamiento aún mayor. En un lago u océano, si el hielo se hundiera, terminaría en el fondo y enfriaría el agua allí. Eventualmente, es posible que todo el lago u océano se congele por completo. Esto habría evitado la evolución de toda la vida, excepto la más primitiva de la Tierra.

Esto se debe a que la forma cristalina sólida (fase) del agua (hielo) es menos densa que el agua líquida. A 4 ° C, el agua se está preparando para congelarse y comienzan a aparecer más y más estructuras abiertas dentro del líquido. Esto hace que el agua sea menos densa. El agua tiene una densidad máxima a 4 ° C, por lo que es más baja por encima y por debajo de esta temperatura.

Esto significa que el hielo flota en el agua y que la temperatura en el fondo de un estanque congelado es de 4 ° C. El hielo es un gran aislante térmico, por lo que el espesor del hielo tarda mucho tiempo en aumentar, dependiendo de la temperatura externa. Esto es muy bueno para la supervivencia de los animales, como los peces y los osos polares, porque para ellos mantiene la población de focas.

Otros materiales no se comportan así porque, generalmente, la forma sólida de algo es más densa que la forma líquida (fase).

La densidad máxima del agua se alcanza a 4C. Eso significa que este es el punto donde podemos encontrar la masa más alta o el mayor número de moléculas por unidad de volumen. El agua líquida contiene, con mucho, el enlace de hidrógeno más denso de cualquier disolvente con casi tantos enlaces de hidrógeno como enlaces covalentes. Esto se debe probablemente a que la energía de las moléculas de agua es relativamente baja, mientras que los enlaces de hidrógeno siguen siendo muy fuertes y compactan las moléculas de agua. Al bajar las temperaturas, las moléculas de agua se reorganizan con menos frecuencia. A temperatura ambiente, las moléculas de agua se reorganizan aproximadamente una milmillonésima vez por segundo como resultado de la energía cinética frente a los enlaces de hidrógeno. A temperaturas más bajas, el agua se está formando en un cristal que no permite reorganizaciones, lo que hace que ocupe más espacio y, por lo tanto, una densidad más baja. Las cadenas de agua unidas por hidrógeno son cooperativas, por lo que el primer enlace que se romperá es el más difícil. Entonces es normal encontrar la densidad más alta a baja temperatura.

La consecuencia drástica es que mientras el hielo flota, en todos los demás líquidos, se forman cristales sólidos en el fondo.

A 0 ° C, tenemos la densidad más baja, esto significa que el volumen ha aumentado los contenedores más trituradores si el agua estaba muy apretada en el contenedor. Dado que la mayoría de los contenedores se contraen al bajar la temperatura y el agua se expande entre 4 y 0 ° C, a menudo los contenedores, incluso los metálicos, se abrirán debido a esta fuerza de expansión. Con una temperatura inferior a 0 ° C, el hielo ahora se retrae

Esta es una propiedad inusual del agua que se vuelve menos densa a medida que se congela, que es lo opuesto a la mayoría de los líquidos. Esto se debe a la naturaleza polar del agua que hace que la estructura cristalina del hielo se vuelva más ordenada y menos densa a medida que las moléculas de agua se repelen entre sí mientras se congelan. Por eso el hielo flota en el agua. Si el hielo se hundiera hasta el fondo a medida que se congelaba, lagos enteros se congelarían matando enormes cantidades de peces y vida marina.

El agua está compuesta de hidrógeno y oxígeno.

El oxígeno tiene una mayor afinidad electrónica porque tiene una mayor densidad de protones.

Como sólido, el oxígeno puede extraer electrones de más átomos de hidrógeno que un líquido, ya que tienen menos energía.

Esto a su vez crea distorsión de carga y repulsión.

La repulsión obliga a las moléculas a distanciarse entre sí.

El agua que vemos … El vapor que sentimos, el hielo que nos enfría … Todos son el resultado de las condiciones circundantes … Lo que estoy tratando de decir es que la forma que toma el monóxido de dihidrógeno (también conocido como agua) varía debido a los parámetros de presión y temperatura que actúan sobre él … milagrosamente la naturaleza ha hecho el agua de tal manera que a cierta temperatura el agua puede permanecer en forma líquida en lugar de convertirse en hielo. Esto es para las diversas vidas acuáticas que residen debajo del agua … En las partes norte y sur, donde el agua se congela a muy baja temperatura, la capa superior de agua se congela por completo, pero debido al comportamiento anomólico del agua, el agua debajo no se congela y La vida acuática puede sobrevivir en las peores condiciones … !!!