¿Por qué el agua se expande cuando se enfría por debajo de 4 grados Celsius?

Imagina que estás tratando de encontrar un lugar para pararte en una pista de baile llena de gente. El piso está repleto y siempre te codeas con al menos otras cuatro personas.

De repente, aparece “Gangnam Style” y todos quieren hacer el mismo movimiento coreografiado que vieron en el video musical.

[Excepto tal vez esa chica al azar en el fondo]

Todos en la multitud pronto se dan cuenta de que el piso está demasiado apretado para que puedan estirar los brazos al frente. Es aún más difícil reorganizar a todos en una ordenación ordenada, ordenada y archivada. Algunas personas intentan hacerse sitio en el medio, y al hacerlo, empujan a los que están al borde.

La molécula de agua es como una persona en esa pista de baile. En estado líquido, está perfectamente bien frotando los hombros con otras moléculas, pero por debajo de cierta temperatura quiere estirar los brazos y dejar espacio para sí mismo. En parte, esto se debe a que el agua es una molécula polar en forma de cuña que forma enlaces de hidrógeno intermoleculares.

Las moléculas de agua en agua líquida están bien agrupadas, porque sus movimientos aleatorios son demasiado grandes para que se formen enlaces de hidrógeno estables. Sin embargo, bajo la “fuerza motivadora” de una transición de líquido a sólido con temperatura decreciente, cada molécula tiende a reorientarse para unirse de manera ordenada, es decir, las moléculas forman un cristal.

Sin embargo, esta tendencia de ordenamiento es problemática, ya que cada una de esas moléculas abarrotadas se encuentra terriblemente desalineada con sus vecinos. Las moléculas de agua tampoco pueden simplemente apilarse entre sí, ya que son polares y no lineales (es como tratar de juntar imanes con polos similares uno frente al otro).

Resulta que la disposición estable, en la que todas las longitudes y ángulos de enlace H están optimizados en relación con otras moléculas, es una estructura de cristal en forma de jaula con espacio vacío y, por lo tanto, más volumen que el líquido desordenado.

Tenga en cuenta que a temperatura ambiente, el movimiento térmico aleatorio de las moléculas en un líquido es bastante sustancial. A medida que se reduce la temperatura, estos movimientos también se reducen en magnitud, y cada molécula ocupa menos volumen. En la mayoría de los líquidos, nada interesante sucede más allá, hasta la congelación. Las moléculas continúan encajando cada vez más cómodamente hasta que toda la masa se haya congelado.

Pero el agua es excepcional en este sentido. El volumen disminuye “normalmente” desde la temperatura ambiente hasta 4 grados C, como era de esperar, pero a medida que la temperatura desciende aún más, las moléculas tienden a formar enlaces de hidrógeno y alejan las moléculas vecinas que están demasiado cerca para su comodidad. Este empuje continúa hasta la congelación, cuando todas las moléculas están en su orientación más favorable.

Algunos tipos de hielo pueden ser más densos que el agua, pero es muy poco probable que estas formas ocurran naturalmente en la Tierra debido a la fuerza de la red hexagonal en el hielo I.

La respuesta de Lekan Omotayo es completamente correcta, pero creo que es interesante notar que no todas las formas de hielo son menos densas que el agua. Por ejemplo, el hielo III, formado enfriando agua a 250 K a 300 MPa (aproximadamente 1000 veces mayor presión que nuestra presión atmosférica de 101 kPa), tiene una densidad de 1160 kg / m ^ 3, notablemente mayor que la del agua [1 ] Esto se debe a que se requieren presiones extremas para contorsionar las estructuras fuertes favorecidas por los enlaces OH en H20 en redes más compactas. En consecuencia, el hielo en la Tierra probablemente nunca ocurrirá en una forma que sea más densa que el agua, o al menos no en una cantidad significativa.

De hecho, hay 15 formas diferentes de hielo, que se obtienen cuando la transición de estado (el cambio de agua a hielo, o de hielo a una forma diferente de hielo) ocurre bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Quizás esto se visualice más fácilmente con un diagrama de transición de estado, en el que una línea representa una transición entre dos formas diferentes de H20 [2]:


En el diagrama anterior, normalmente no veríamos condiciones mucho más allá de la línea horizontal roja, ya que la presión atmosférica es bastante constante en todo el mundo. Quizás una excepción son las profundidades extremas del océano, donde la presión es muy alta (decenas de megapascales). Incluso entonces, esto todavía está dentro de los límites del hielo normal I.

Tenemos suerte de que el hielo formado en condiciones atmosféricas típicas en la Tierra sea significativamente menos denso que el agua; sin esta característica característica, la vida probablemente nunca hubiera evolucionado (ya que los océanos y los ríos pueden haberse congelado de abajo hacia arriba; vea ¿qué tan diferente sería el mundo si el agua no se expandiera cuando se congela?

[1] Hielo III
[2] Hielo

4 grados C resulta ser la temperatura a la que el agua líquida tiene la mayor densidad. Si lo calienta o enfría, se expandirá. La expansión del agua cuando la enfría a temperaturas más bajas es inusual, ya que la mayoría de los líquidos se contraen cuando se enfrían.

La estructura molecular del agua es esencialmente cristalina. El hecho de que las moléculas de agua sean menos densas cuando se congelan también es la razón por la que el hielo flota en el agua líquida. La configuración más densa del agua líquida evita el paso de las moléculas congeladas del hielo.

El agua se expande cuando se congela porque las moléculas de agua no tienen la forma de la mayoría de los otros líquidos. Cuando el agua comienza a enfriarse, las moléculas se acercan, pero la forma de las moléculas significa que hay mucho espacio vacío entre ellas. Esto hace que el agua ocupe más espacio y se expanda a medida que se congela.

Una consecuencia interesante de esta característica peculiar del agua es que la temperatura del agua en el fondo de un lago en invierno es casi siempre de 4 grados C, ya que el agua más densa se asentará en el fondo; si se pone más frío o más cálido, se levantará. El hielo flota en la parte superior de los lagos, evitando la evaporación (y la convección en la capa congelada), y los lagos permanecen líquidos debajo, permitiendo que los peces y otras vidas sobrevivan.

Sí, el agua pura H20 se vuelve menos densa (AKA ‘se expande’) por debajo de 4 C a una atmósfera de presión.

Simplemente no sabemos por qué exactamente . Todas las teorías y explicaciones no coinciden con las figuras. Hay investigaciones en curso para explicar el problema. Una de las mejores respuestas en línea es: Preguntas y respuestas: agua a 4 grados C

“No he dicho por qué 4 ° C es especial. Nada realmente especial sucede allí en la estructura del agua. Resulta que 4 ° C es la T en la que la expansión, debido al asentamiento en los estados especiales de baja energía, y la contracción, debido a la tendencia general de pasar más tiempo en contacto a baja T, se cancelan “.

“Resulta ser” y “el agua tiene una disposición de baja energía que es bastante abierta”, que son buenas maneras de decir que todos no sabemos mucho sobre por qué o cómo el agua hace que a 40 ° F / 4 ° C sea más densa de 1 Atmósfera de agua líquida.

Curiosamente, el hielo de agua pesada (D2O) se hundirá en hielo de agua normal H20.

Con Brownian Motion u otros aspectos como el enlace anterior, la respuesta de “disposición de baja energía” tiene más sentido. Tenga en cuenta lo que publiqué en otro lugar de:

“Chemical and Process Technology Encyclopedia (Douglas Considine, Editor) 1974, pg 1155:” En otra observación, se observó que el maíz puede mostrar efectos de heladas a temperaturas de aproximadamente 4 C (40 F), considerablemente por encima del punto de congelación normal. La investigación muestra que el agua tiene una fuerte tendencia a cristalizar a lo largo de las superficies de las moléculas de proteínas y, en situaciones especiales, el agua puede expandirse abruptamente para formar hielo y, por lo tanto, causar heladas en los tejidos vivos “.

Tenga en cuenta el término “efectos heladas”, que indican la congelación del movimiento browniano de alguna manera.

Aún así, ¿por qué a casi 4 ° C se ajusta de repente mejor y luego no tiene mucho más ajuste hasta 0 ° C (cuando abundan los cristales de anillo de hielo, por supuesto)? No tengo respuestas, ya que no tiene sentido intuitivo. Sin embargo, en ciencia aceptamos el mundo tal como es en lugar de lo que nos gustaría que fuera:

Otras sustancias se expanden al congelarse, a saber (‘Propiedades del agua – Wikipedia “Otras sustancias que se expanden al congelarse son antimonio, bismuto, galio, germanio, silicio, ácido acético y otros compuestos que forman redes cristalinas espaciosas con coordinación tetraédrica”. Además del ácido ascético, varias aleaciones de estos elementos son la base de los detectores de muchos tipos de astronomía, desde la radio hasta la radiografía.

https://forum.cosmoquest.org/arc

¿Por qué el agua se expande cuando se congela?

_Pero por qué 4 C? _

Hasta ahora, la mejor explicación es que el movimiento browniano: Wikipedia permite que se formen suficientes cristales de agua mientras que todo el lote está a 4 ° C para superar el carácter más denso del agua hasta 0 ° C. En resumen, sería un mito que el agua se expande a 4 ° C, en lugar de que algunas de las moléculas estén siempre a una temperatura más alta o más baja que la mediana. Entonces, dado que tratamos con alrededor de mil millones x mil millones de moléculas en un cm cúbico de agua, ignoramos las moléculas individuales y nos enfocamos en el promedio.

Se trata de estadísticas, más o menos de cómo el 1% más rico de muchos países posee enormes cantidades de capital, lo que compensa el conjunto. A 4 ° C, se forman suficientes cristales de hielo para compensar los átomos más densos promedio que van a velocidades de 0 ° C o más, y los más bajos de 0 ° C pero que no están conectados a otras moléculas de agua suficientes para hacer un anillo de hielo o más, por muy poco tiempo, y así no se expande en volumen.

Por qué este proceso se maximiza a 4 ° C y en su mayor parte se detiene después de eso hasta el punto mágico de congelación de 0 ° C (para H20 puro), simplemente no lo sabemos. Quizás es vagamente como el ozono en la estratosfera, que eleva la temperatura hasta la tropopausa – Wikipedia. Simplemente no lo sabemos en la actualidad. Algún proceso o mecanismo desconocido está ocurriendo a nivel molecular.

Sobre el movimiento browniano, hay moléculas y átomos en su cuerpo que viajan a velocidades (temperaturas de calor), lo que significa que son 1,000 C, por tiempos muy cortos. Esto probablemente tenga mucho que ver con la entropía de nuestros sistemas corporales, posiblemente también con el cáncer, el recuento de radicales libres, etc., así como con la esperanza de vida de nuestras células. Sin embargo, es estadísticamente raro, por lo que es manejable en https://en.wikipedia.org/wiki/Cy … del sistema del cuerpo, o cualquier otro sistema hecho de átomos, como su computadora.

Algunas proteínas en el maíz muestran signos claros de daño por heladas a 4.4 C, según la fuente que se enumera aquí:

Respuesta del usuario de Quora a ¿Cuál es una explicación simple de por qué el agua es más densa a 4 grados centígrados?

‘El movimiento browniano es el movimiento de una partícula en un gas, impulsado por los impactos aleatorios de las otras partículas en un estado de agitación térmica. La teoría ha sido desarrollada por muchos escritores, entre ellos Einstein, Smoluchowski, Perrin y (Wiener). A menos que bajemos la escala de tiempo a intervalos tan pequeños (para ser perceptible), el movimiento muestra un curioso tipo de indiferenciabilidad ‘. Pg 85 Cibernética, por Norbert Wiener.

Teoría de Sistemas / Sistemas Isomórficos

En ciencia a menudo usamos Isomorfismo – Wikipedia en inglés simple, la enciclopedia libre u Homomorfismo – Wikipedia que se ajusta como relaciones entre dos elementos en la ciencia. Este es uno de los atajos clave para descubrir qué áreas descubrir una posible nueva comprensión, AFAIK. Las relaciones isomoróficas pueden ser la similitud de un mapa (uno que no tiene errores) y la tierra misma. Solo tiene que haber contornos aproximados que sean iguales, no el mismo elemento subyacente. Esto es lo que veo para gran parte de la comprensión actual de la espiración del agua a 4C, algunos enlaces y teorías, pero nada que se ajuste a una satisfacción razonable.

——————————————————————————————-

También es útil este artículo académico que acaba de encontrar, que tiene una breve descripción del problema de 4C, incluida su historia temprana, y menciona un intento bastante reciente de 1986 de Theisen et al. Para obtener más información sobre el problema de 4C en exámenes detallados: http : //eprints.maynoothuniversit


TL; dr?

Solo di movimiento browniano

Porque se expande.
El agua es una sustancia notable. Casi todos los demás materiales disminuyen de volumen cuando experimentan una transición de fase de líquido a sólido. El agua es notablemente diferente en que el volumen aumenta . Hay algunas consecuencias asombrosas. Por ejemplo, esta es la razón por la cual el hielo flota en lugar de hundirse en el agua. Es por eso que el fondo de los océanos no son solo grandes capas de hielo.

Una razón más fundamental se reduce a la estructura molecular de las moléculas de agua. En terminología química, las moléculas de agua se llaman moléculas polares y exhiben enlaces de hidrógeno . Esta es una fuerza intermolecular bastante fuerte. Básicamente, cuando el agua se congela, debido a la forma de la molécula de agua, resulta que es más estable para formar grandes estructuras de cristal con estos enlaces alineados, en lugar de formar estructuras más compactas. Esa es la razón química por la cual el agua se expande cuando se congela.

Simplemente porque el hielo obtiene la estructura cristalina con moléculas ampliamente espaciadas. Y eso es más ancho que el espacio en agua líquida como se ilustra en la imagen.

Espero que sea de ayuda.

Enlaces de hidrógeno. La forma en que se organizan el hidrógeno y el oxígeno causa esto. La molécula de agua es como una “V” invertida. Cuando el agua se congela, forma una forma hexagonal y el oxígeno más cargado negativamente se alinea con el hidrógeno ligeramente positivo (un estado muy estable para el agua). Esta orientación deja espacios entre las unidades formadas y, por lo tanto, hace que el agua sea menos densa: parece más grande (expandida) pero en realidad pesa menos.

Lekan ya ha proporcionado una buena respuesta, pero vale la pena mencionar que hay muchas sustancias que se expanden al congelarse. El galio, el ácido acético, el silicio, el antimonio y el bismuto son algunos ejemplos.

Debido a su alta capacidad para formar enlaces H, cuando el agua se congela, esas uniones de hidrógeno forman una especie de cristal, o una especie de orden geométrico entre las moléculas de agua, lo que hace un espacio mayor de lo esperado.

Porque en los pequeños cristales que forman el hielo, las moléculas de agua se organizan más en cuanto a su posición, como los manifestantes en un desfile bien organizado, con un espacio regular entre las filas de “manifestantes”. En la forma líquida, las moléculas son más como una multitud de compradores que intentan ingresar a Macy’s en la apertura de un día de venta.

Las moléculas de agua se mueven constantemente, lo que significa que se extienden y vuelven a unirse. Cuando se enfrían, disminuyen la velocidad y forman enlaces más sólidos entre sí, manteniéndose en posición. Cuando se congelan, los enlaces que mantienen los átomos en su lugar los fijan, haciéndolos formar un objeto sólido. Los sólidos, según la física, ocupan más masa que los líquidos porque los líquidos pueden cambiar para adaptarse al tamaño de su recipiente, mientras que los sólidos tienen su propia forma y forma, sin importar en qué se coloquen.

El agua tiene una expansión excepcional. A la temperatura de 4 grados, la densidad del agua es más alta 1gm / cúbico http://centimetre.so mayor que 4 grados de agua se expande y menos de 4 grados Celsius también se expande.

Se debe a la unión específica entre las moléculas de H2O. A medida que el agua se congela y se vuelve sólida, en realidad es menos densa que el agua a 0 grados.

Por lo tanto, tiene la situación inusual de disminuir el volumen a medida que se derrite. Una vez que el líquido y por encima de 4 grados se aplican las reglas normales, la densidad disminuye en línea con la temperatura.

¡Para que flote en la parte superior de tu bebida, por supuesto!

(También podría tener algo que ver con la estructura molecular y similares, pero para eso es mejor leer algunas de las otras Respuestas bastante excelentes aquí).

  • MJM, que ahora volverá a disfrutar su bebida con los cubitos de hielo flotantes …

Aquí hay muchas respuestas y la mayoría son precisas (si se analizan en exceso), por lo que no intentaré agregar al argumento. Pero un corolario interesante de la expansión del agua cerca de su punto de congelación es que, en condiciones similares a la tierra, el agua es la única sustancia que flota su propio sólido.

La mayoría de las cosas se encogerán a medida que se enfríen porque las moléculas vibran menos y, por lo tanto, ocupan menos espacio, el agua hace esto cuando se vuelve sólido porque las moléculas forman enlaces secundarios entre sí que forman cubos grandes, como agua líquida estos cubos no están estriados y se pueden aplanar y ocupan menos espacio que los sólidos.

porque intentan conservar energía

More Interesting

¿El instinto de rotación del brazo cuando estás a punto de caer es efectivo para detener la caída?

¿Es lo suficientemente preciso como para decir que cuanto más densidad tiene un objeto, más energía contiene y, por lo tanto, más puede crear una fuerza gravitacional?

¿Cuáles son los factores de los que depende la fuerza?

¿Qué tan rápido necesita un elevador para caer libremente para que una persona promedio "flote" en el aire?

¿Distinguir la energía térmica de otras formas de energía y la transferencia de calor de otras formas de transferencia de energía?

En la mayoría de los casos, ¿qué tan lento debe conducir para no dejar daños visibles en una colisión con un vehículo parado?

¿Los pilotos que vuelan hacia el sur desde Europa tienen que girar constantemente a la izquierda debido al efecto coriolis?

Cómo medir la fuerza de flotación

¿Por qué la expansión del espacio requiere energía oscura (o energía alguna)?

¿Qué hace que Gorilla Glass sea resistente a los arañazos?

¿Cuál es la velocidad de fotogramas más alta (fps) que la percepción humana puede reconocer? ¿A qué ritmo esencialmente dejamos de notar la diferencia?

¿Dónde se encuentran los documentos de Albert Einstein?

¿Cómo se ralentiza la luz en un medio? ¿Qué sucede realmente a escala atómica que hace que la luz disminuya su velocidad y se doble?

¿Cómo es posible escuchar que una fuente de sonido está frente a nosotros y no detrás?

¿Cuál es la órbita del telescopio Kepler y cómo se las arregla para mirar el mismo conjunto de estrellas si tiene una órbita?