¿Por qué cuando la mayoría de los líquidos se enfrían, sus moléculas se mueven juntas, pero las moléculas de agua se separan más?

Esta es una de las cosas maravillosamente contra-intuitivas que hace el agua. Y como alguien que investiga el agua a nivel molecular, déjame decirte que el agua hace muchas cosas extremadamente extrañas.

Supongo que comprende que la temperatura es una medida de la energía cinética en un sistema. Entonces, cuando las partículas se mueven más lentamente, pueden empaquetarse más fácilmente sin alejarse entre sí.

A temperaturas más bajas, las fuerzas intermoleculares comienzan a jugar un papel, atrayendo moléculas entre sí. Un gas se convierte en líquido cuando estas fuerzas comienzan a presionarse entre sí, pero las moléculas aún se mueven demasiado rápido para mantener cualquier forma definida. Un líquido se convierte en un cristal (o sólido) cuando las fuerzas de atracción entre las moléculas se vuelven tan fuertes que las moléculas pierden libertad de traslación y son “encerradas” en un lugar particular por sus vecinos.

Dentro de un cristal, puede pensar en cada molécula como unida a sus vecinos por un conjunto de resortes que representan la fuerza de atracción entre vecinos (o podemos llamarlos enlaces si lo prefiere). El resorte tiene un mínimo energético, o una longitud preferida. Una red cristalina es un patrón repetido donde las moléculas intentan alcanzar esta longitud preferida con cada uno de sus vecinos. Sin embargo, la geometría es complicada, y en tres dimensiones generalmente es imposible “complacer” completamente cada longitud de enlace en las tres dimensiones. Es por eso que obtenemos complicadas redes cristalinas de diferentes estructuras.

Las moléculas de agua también siguen esta tendencia, pero hay muchas estructuras cristalinas que el hielo puede asumir. Aquí hay una imagen de la primera y más común estructura de hielo, llamada hielo hexagonal, o Ice Ih (“una h”) ( fuente: http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/ice/iceIh. gif )

Tenga en cuenta que no todos los enlaces de hidrógeno tienen la misma longitud. A temperaturas cercanas al punto de congelación del agua, esta estructura se prefiere energéticamente. Tiene que hacer compromisos: algunas partes de la estructura son realmente estables, otras partes lo son menos. Y resulta que esta estructura tiene un volumen total mayor que el agua líquida cerca del punto de congelación . Es un comportamiento peculiar, pero en realidad es más estable energéticamente. Dado que es la energía libre la que decide el comportamiento de equilibrio, y no el volumen, este es el estado que toma el hielo. A medida que disminuye aún más la temperatura, el hielo se contrae en volumen hasta que finalmente ocupa menos volumen que el agua líquida, pero pasamos nuestro día a día viviendo cerca de ese punto dulce donde un golpe de geometría hace que el agua se expanda cuando se congela.

Buena pregunta. En la actualidad, el estado del asunto parece ser que nadie realmente parece entender la “estructura” del agua. La molécula de agua en sí misma no es un misterio, pero la complicada red unida por hidrógeno en la fase líquida todavía no se conoce bien con los enlaces que se rompen y se forman dinámicamente, y es difícil de tratar con modelos de mecánica molecular. El hielo es más simple de analizar en términos de enlaces de hidrógeno con cada molécula involucrada en cuatro enlaces (excepto en la superficie).

De todos modos, supongo que puede atribuir la menor densidad de hielo en comparación con el agua a que los enlaces de hidrógeno se extienden por una estructura que requiere más espacio. No existe una ley natural que diga que los líquidos tienen distancias intermoleculares más largas que los sólidos, aunque para la mayoría de las sustancias eso es lo que sucedería. El hielo tiene la estructura que tiene porque minimiza la energía total del sistema. En los fluidos, que contienen “energía cinética extra”, existen problemas dinámicos debido a que los enlaces se rompen y se forman, y el resultado podría ser que, en promedio, las moléculas están más cerca que en la estructura rígida del hielo.

En general, el enfriamiento trae cualquier sustancia en su forma más ordenada y, finalmente, mejor empaquetamiento de moléculas en el espacio. El agua, por otro lado, adquiere una configuración tetraédrica (energéticamente más favorecida) con sus moléculas, pero cuando se enfría, para lograr una configuración más ordenada, comienza a formar una estructura enjaulada que deja mucho más espacio vacío entre las moléculas en comparación con la estructura tetraédrica. @ @

En realidad, esto no es tan inusual como la pregunta o algunas de las respuestas hacen que suene.

La mayoría de las sustancias siguen aproximadamente el mismo patrón que el agua: se contraen a medida que se enfrían, pero cuando comienzan a formar cristales, se expanden ligeramente.

Esta propiedad es crucial (por ejemplo) en la fabricación de piezas de fundición de metal. A medida que el metal se vierte en el molde, está en estado líquido. La mayoría del metal fundido tiene una viscosidad bastante alta (dependiendo de la temperatura), por lo que si se vierte en un molde y se endurece en su forma original, se perderían pequeños detalles en el molde. Sin embargo, con la mayoría de los metales típicos, esa expansión de último momento justo antes de solidificar fuerza al metal a los detalles finos del molde que de otro modo se habrían dejado sin rellenar.

La forma principal en que el agua es inusual es que es una de las pocas sustancias que se ve naturalmente en estado sólido y líquido. Otro punto un tanto inusual es que el agua forma una gran cantidad de diferentes “hábitos” cristalinos, dependiendo de la temperatura a la que se congela (que puede modificarse por cosas como mezclar sal con el agua) y, en el caso del vapor de agua, sobre la cantidad de vapor de agua en el aire a medida que se congela.

Para que no se malinterprete: sí, otras sustancias también pueden formar varias formas diferentes de cristales, pero la mayoría de ellos tienen solo unos pocos hábitos cristalinos que se forman a algunas temperaturas.

Conclusión: esto no es inusual en absoluto. La mayoría de las sustancias se expanden a medida que cristalizan.

Este fenómeno es causado por enlaces de hidrógeno.
http://en.m.wikipedia.org/wiki/H …
Cuando el agua está lo suficientemente fría (4C), los enlaces de hidrógeno comienzan a mantener las moléculas de agua juntas a una distancia que está más separada de lo que estaban cuando estaba más caliente.
La unión de hidrógeno ocurre en muchas situaciones y con muchos materiales. Es lo que le da al agua su tensión superficial, hace que el hielo flote sobre el agua, etc.

El agua y algunas otras sustancias tienen una estructura cristalina peculiar que hace que los átomos se separen más. Este efecto persiste hasta 4 ° C para el agua, luego funciona normalmente.

Las moléculas de agua en realidad se acercan cuando se enfrían, pero no hasta que alcanzan los 4 grados centígrados y forman enlaces que fijan su lugar y la propiedad de llenar espacios ya no se aplica a medida que cambia de líquido a sólido. Por cierto, el agua es el único líquido que conozco que posee esa propiedad química ……

Eso es algo llamado “expansión anómala del agua”
Puede leer sobre esto en: http://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html

Tiene que ver con la estructura molecular del agua, no es simétrica, es asimétrica y, como tal, se comporta de manera completamente diferente.