Cuando el agua se calienta de 0 grados a 4 grados Celsius, el agua se contrae. ¿Por qué?

Este es el resultado de las fuerzas intermoleculares que son específicas del agua a estas temperaturas. Durante un breve momento, las moléculas de agua experimentan un enlace de hidrógeno más fuerte (atractivo) durante esta transición de temperatura.

Normalmente, cuando se pasa de una estructura cristalina a una distorsionada (algo # por encima del punto de fusión de los compuestos), el volumen aumentará. Sin embargo, el volumen de agua no comienza a aumentar hasta que alcanzamos ~ 4 grados centígrados.

En teoría, a medida que aumenta la temperatura, la energía interna en un sistema aumentará haciendo que las moléculas se muevan más rápido.

Por lo tanto, a medida que aumenta el movimiento de las moléculas, hay una probabilidad menos probable de formar los enlaces necesarios (enlaces de hidrógeno en nuestro caso) para mantener una estructura cristalina.

Para comprender conceptualmente lo que está sucediendo, imagínese sosteniendo un imán fuerte en cada mano. Usando sus manos, junte los imanes de manera contracorriente (paralela). A medida que los imanes se acercan y eventualmente se cruzan, notará que tiene que luchar contra mucha resistencia para mantenerlos separados. Ahora imagínese haciendo lo mismo, pero esta vez moviendo las manos mucho más rápido que antes. ¡Te darás cuenta rápidamente de que hay menos resistencia para luchar! Por lo tanto, las fuerzas de atracción se vuelven “más débiles” a medida que aumenta la velocidad (velocidad) de los imanes.

Volviendo a su pregunta, la estructura cristalina del agua debe colapsarse sobre sí misma por un breve momento a medida que se calienta de 0 grados Celsius a 4 grados Celsius. Por lo tanto, el volumen será más pequeño. Esto se debe al breve aumento en la unión de hidrógeno. Si la temperatura continuara aumentando (algunos #> 4 grados Celsius), el volumen de agua comenzará a aumentar como se esperaba. Las moléculas tendrán suficiente energía cinética (velocidad) necesaria para superar las atractivas fuerzas de enlace de hidrógeno entre las moléculas vecinas.

¡Esto es algo muy extraño y estoy seguro de que se vuelve mucho, mucho más complicado!

Aquí hay un par de enlaces de YouTube a varias simulaciones dinámicas moleculares para ayudar a visualizar este comportamiento:

¡Quién sabía que ver derretir hielo podría ser tan interesante! ¡Espero que esto ayude! 🙂

(Mis disculpas si algo de esto es difícil de leer. Estoy escribiendo en mi teléfono en este momento).

Sinceramente,

Tony

La densidad del agua entre 0 y 4 grados Celsius está influenciada por dos fuerzas opuestas clave causadas por la expansión cinética térmica y la unión de H.

La fuerza de expansión cinética térmica es simplemente la fuerza que hace que las moléculas se muevan más cuando hay un aumento de la temperatura. Debido a estas fuerzas térmicas más altas, las moléculas se separan y se vuelven menos densas.

La fuerza de enlace de hidrógeno puede explicarse simplemente como la fuerza de atracción entre el hidrógeno unido a un átomo electronegativo de una molécula y un átomo electronegativo de una molécula diferente.

En el caso del agua, la fuerza de enlace de hidrógeno es más débil (es de aproximadamente 23 kJ mol – 1 en comparación con la fuerza de enlace covalente O – H de 492 kJ mol – 1).

A una temperatura superior a 4 grados centígrados, las moléculas de agua no están lo suficientemente cerca como para formar un enlace de hidrógeno. Sin embargo, cuando la temperatura cae por debajo de los 4 grados centígrados, las moléculas de agua están lo suficientemente cerca para la formación de enlaces de hidrógeno. Cuando la temperatura baja cuanto más se forman los enlaces de hidrógeno y los enlaces H comienzan a ampliar el espacio entre las moléculas causando la expansión en volumen.

A 0 grados Celsius, las moléculas de agua están influenciadas por las fuerzas de enlace de hidrógeno para alinearse en una red hexagonal 3D para formar la estructura de 6 lados de los cristales de hielo que tiene más espacio vacío entre las moléculas de agua.

En pocas palabras, los enlaces H de cero a 4 grados Celsius comienzan a romperse. En ausencia de enlaces H y fuerzas térmicas, las moléculas de agua alcanzan un estado muy compacto con menos espacio entre las moléculas que el de otras temperaturas y hacen que el agua sea más densa a 4 grados centígrados.

En realidad, el hielo tiene una disposición estructural cristalina definida y las moléculas de agua helada comienzan a organizarse en ese orden por debajo de 4C a medida que su energía cinética disminuye y la interacción de atracción entre ellas debido a la polaridad de las moléculas comienza a actuar. En la estructura del hielo, cada molécula de oxígeno está unida con 6 átomos de hidrógeno, 2 a través de enlaces covalentes y 4 a través de enlaces de hidrógeno que forman una matriz de cubos alrededor de la red. Ahora que los cubos tienen un espacio vacío entre ellos, es decir, bolsas de aire, el volumen ocupado se vuelve más grande de lo que hubiera sido cuando las moléculas tenían más libertad para acercarse entre sí.

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.

Las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua debido a su forma dipolar son más fuertes que las fuerzas térmicas repulsivas debido al calentamiento.

eso es cierto para el agua a una presión de 1 atm, pero si la presión aumenta a ~ 100 atm, entonces el máximo de densidad de baja temperatura disminuye a 275 K. A ~ 200 atm, el máximo desaparece, por lo que me parece que el efecto de la presión es mayor que El efecto dieléctrico a> 200 atm.

Es un milagro de DIOS y no hay razones detrás de los milagros.

Sabes que si este milagro no está allí, entonces NINGÚN animal acuático ya no estará vivo

Lo siento por mi ingles.

~ MOHIT ~

Se debe a la curva de fusión del agua.

La densidad del agua es máxima y el volumen es mínimo a 4 ° C, por lo que el agua se contrae cuando se calienta de 0 ° C a 4 ° C.

Está cambiando de fase, y el agua es más densa que el hielo. Suposición de presión a nivel del mar ambiental.