¿Por qué el hielo es menos denso que el agua?

En la mayoría de los casos, aumentar la temperatura hace que las moléculas de una sustancia vibren y aumenta el espacio entre ellas, por lo que la forma líquida tiende a ser menos densa que la forma sólida.

Sin embargo, en el caso del hielo cuando se congela, cristaliza en una red rígida, el efecto de enlace de hidrógeno hace que ocurra lo contrario. En agua líquida, cada molécula está unida por hidrógeno a aproximadamente 3.4 otras moléculas de agua. En el hielo, cada molécula está unida por hidrógeno a otras 4 moléculas. Esto crea espacios en la estructura y reduce la densidad.

He leído algunas presentaciones brillantes aquí y la mía será una simple adición “matemática”. El agua se expande cuando se enfría entre la temperatura de 4 a cero grados centígrados y se contrae a medida que aumenta la temperatura dentro de este mismo rango. Esto se puede observar adecuadamente congelando un poco de agua guardada en una bolsa de nylon sellada o en una bolsita. Se observa que dicha agua se abulta con un mayor volumen al congelarse debido al mayor espacio que ahora existe entre las moléculas de agua al enfriarse. Se llama comportamiento anómalo del agua, es decir, un comportamiento extraño que está en desacuerdo con el supuesto físico general de que las sustancias aumentan de volumen una vez que sus moléculas adquieren energía cinética. Mientras tanto, aunque el volumen de agua aumenta, su masa (agregado de sus componentes) no cambia. Ahora, la densidad es la relación de masa a volumen, matemáticamente, esto significa que la densidad de la sustancia cae con el aumento del volumen a una masa constante. Por lo tanto, dado que el agua tiene más volumen en estado sólido (hielo) que en estado líquido, de ahí la mayor densidad en estado líquido.

El agua tiene una relación peculiar de temperatura v / s de densidad. La densidad del hielo es menor que el agua hasta 4 ºC.

El hielo tiene una estructura reticular particular organizada debido a la unión de H y oxígeno.

A medida que disminuye la temperatura del agua tibia, el movimiento aleatorio de las moléculas de agua disminuye y la densidad aumenta. A 4 ° C, los grupos comienzan a formarse.

Las moléculas todavía se están desacelerando y se están acercando, pero la formación de grupos hace que las moléculas estén más separadas.

La formación de racimos es el efecto más grande, por lo que la densidad comienza a disminuir.

Por lo tanto, la densidad del agua es máxima a 4 ° C.

Entonces, debido a la alta longitud de enlace de las moléculas de hidrógeno y oxígeno con enlaces H, la densidad del hielo es menor que cuando está en forma de agua, donde los átomos están más apretados debido a las fuerzas de atracción.

Es. Es por eso que los cubitos de hielo flotan en un vaso de agua. Cuando el agua se congela, las moléculas de agua forman una estructura cristalina. La integridad de esta estructura cristalina se ve facilitada por la formación de enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno de diferentes moléculas de agua.

La formación de estos enlaces, sin embargo, separa las moléculas. Entonces, el mismo número de moléculas (esencialmente la misma masa) ocupa más espacio. Esto reduce la sequedad del hielo en comparación con el agua.

En realidad, el agua es más densa a 4 grados centígrados. Por debajo de 4 grados, los enlaces de hidrógeno comienzan a formarse. Por encima de cuatro grados, las moléculas se alejan aún más debido al aumento de la energía interna. A continuación se muestra una estructura molecular aproximada del agua en estos estados.

Cuando el agua se congela, las moléculas de agua forman una estructura cristalina mantenida por enlaces de hidrógeno. El agua sólida, o hielo , es menos densa que el agua líquida. El hielo es menos denso que el agua porque la orientación de los enlaces de hidrógeno hace que las moléculas se separen más, lo que disminuye la densidad .

Cuando el agua se congela, las moléculas de agua forman una estructura cristalina mantenida por enlaces de hidrógeno. El agua sólida, o hielo, es menos densa que el agua líquida. El hielo es menos denso que el agua porque la orientación de los enlaces de hidrógeno hace que las moléculas se separen más, lo que disminuye la densidad .

Esto es muy interesante El agua líquida alcanza su densidad máxima a 4 ° C (40 ° F). A medida que el agua se enfría aún más, acercándose y llegando a congelarse, en realidad se vuelve menos densa y los objetos que son menos densos que el agua (según la masa) flotan.

Las moléculas de agua están formadas por 1 átomo de oxígeno y 2 átomos de hidrógeno; La molécula se mantiene unida por enlaces covalentes (lo que significa que comparten electrones de los orbitales atómicos). Pero, la atracción entre las moléculas se basa en la unión entre el hidrógeno con una carga positiva y el oxígeno con una carga negativa. Las razones por las que los fluidos, es decir, los líquidos y los gases, pierden forma sin un recipiente es que las moléculas están más separadas y tienen menos probabilidades de interactuar; un aumento en la temperatura se correlaciona con un aumento en la energía.

Una disminución en la temperatura del agua se correlaciona con una disminución en el movimiento de las moléculas de agua. A medida que las moléculas de agua se ralentizan, cada molécula de agua se ajusta de modo que las moléculas de oxígeno cargadas negativamente se orientan entre sí. Esto forma la red cristalina que llamamos hielo, y es menos densa que el agua. Por lo tanto, el hielo flota.

El agua contiene moléculas de H2O más compactas que en el hielo.

• En hielo hay estructura hexagonal empaquetada.

Puede ver en la figura anterior que las moléculas de agua están más compactas en comparación con las del hielo.

Su embalaje en hielo conduce a pequeños agujeros entre ellos, lo que aumenta el volumen.

D Entonces, si el agua y el hielo contienen 10 moléculas de H2O , las moléculas en el agua tendrían menos volumen que las del hielo.

Desde densidad = masa / volumen

El agua tiene alta densidad.

Porque cuando cambia la fase de agua líquida a sólida, las moléculas se organizan en una red cristalina que es ordenada y conlleva más espacio vacío que en forma líquida, tal como se muestra a continuación.

Siempre que haya una pregunta química particularmente interesante, la respuesta suele ser el enlace de hidrógeno. Cuando el hidrógeno se une a la florina, el nitrógeno o el oxígeno (como está en H2O), el hidrógeno se vuelve especialmente positivo, ya que la mayoría de los electrones de hidrógeno están más cerca del átomo más electronegativo. En H2O, el oxígeno está unido al hidrógeno y también tiene dos pares de electrones no unidos, cuando otra molécula de agua está lo suficientemente cerca, el hidrógeno unido positivo crea un enlace psuedo relativamente fuerte con los electrones no unidos del átomo de oxígeno de otras moléculas. Para obtener una imagen rápida de cómo se ve, consulte:

Este “enlace de hidrógeno” esencialmente restringe la capacidad de las moléculas de agua para formar la estructura cristalina apretada que se encuentra en la mayoría de los sólidos (crea lo que se conoce como red hexagonal que contiene un área de espacio abierto dentro del sólido), lo que deja el hielo compactado de forma poco compacta y, por lo tanto, menos denso que el líquido. agua, las diferencias de densidad hacen que el hielo flote en el agua como otros han notado. La unión de hidrógeno también explica el punto de ebullición anormalmente alto del agua líquida.

En general sí, siempre? No!

Los humanos se han preguntado durante mucho tiempo sobre el fenómeno de que el agua sólida flota sobre su yo líquido cuando ningún otro químico lo haría. Luego descubrimos cómo mirar a pequeña escala y examinar cómo cristalizó el hielo, resulta que las moléculas de H2O no “congelan” sólidos en la misma mansión que otros compuestos pequeños. Los átomos de hidrógeno en H2O actúan como el dipolo positivo, mientras que el átomo de oxígeno dona su nube de electrones como el dipolo negativo. En lugar de cristalizar en forma ordenada como la mayoría de los cristales, el hielo se alinea de acuerdo con los enlaces de hidrógeno que conducen a una expansión en el volumen del agua, un mayor volumen de la misma masa significa menor densidad para que el hielo flote. Genial, lo descubrimos, pero ¿por qué detenerse allí? Sabemos los requisitos de energía para un hielo más denso, así que vamos al laboratorio y hacemos algunas pruebas. Resulta que si congela agua al aumentar la presión inmensamente, el sólido se forma como cabría esperar y es más denso que el agua. Lamentablemente, este estado no es sostenible y solo se ha encontrado en grandes cantidades en el laboratorio.

En el agua y el hielo hay dos tipos de enlaces, enlaces covalentes dentro de las moléculas de agua y enlaces de hidrógeno ENTRE las moléculas. Los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes.

A medida que el agua se congela, los enlaces de hidrógeno comienzan a tomar una mayor parte en la unión, lo que ordena a las moléculas en una estructura cristalina regular. Esta estructura regular no está tan compacta como la estructura líquida aleatoria, lo que significa que el agua se expande ligeramente, disminuyendo su densidad.

Porque en el hielo, la configuración más estable de las moléculas deja agujeros significativos entre ellas.

Cuando un compuesto se convierte en un sólido cristalino como el agua en el hielo, las moléculas toman una estructura muy regular y fija, en la que las moléculas llenan el espacio disponible de manera muy eficiente. Un empaquetamiento eficiente maximiza la energía del contacto entre las moléculas. En contraste, en un líquido las moléculas se mueven aleatoriamente entre sí. En la mayoría de los casos, el movimiento de las moléculas en el líquido requiere que las moléculas hagan un pequeño espacio entre ellas y, por lo tanto, la densidad del líquido es menor que la del sólido. Pero: los contactos entre las moléculas de agua están dominados por interacciones muy fuertes llamadas enlaces de hidrógeno que no son igualmente fuertes en todas las direcciones. Las moléculas de agua en forma líquida hacen y rompen estos enlaces de hidrógeno con mucha frecuencia y mantienen todas las moléculas muy juntas. Cuando esas moléculas intentan hacer un arreglo regular, intentan hacer los mejores enlaces de hidrógeno posibles que durarán mucho tiempo. Por extraño que parezca, tal disposición deja agujeros entre las moléculas: se forman anillos de seis moléculas de agua y dejan huecos en su centro. Esto hace que la densidad del hielo sea inferior al agua en aproximadamente un 10%.

Primero lo primero, densidad = masa / volumen

Para todas las sustancias, la densidad cambia con la temperatura. La masa de material no cambia, pero el volumen o el espacio que ocupa aumenta o disminuye con la temperatura.
La vibración de las moléculas aumenta a medida que aumenta la temperatura y absorben más energía, esto aumenta el espacio entre las moléculas o el volumen. Como la densidad es inversamente proporcional al volumen, generalmente con el aumento de la temperatura, la densidad disminuye. Pero en el caso del hielo, los enlaces de hidrógeno mantienen separadas las moléculas de agua en una estructura reticular abierta. Cuando el hielo se derrite, los enlaces rígidos de hidrógeno se rompen y las moléculas de agua se unen, haciéndolo más denso que el hielo.

Por cómo se forman las moléculas de agua.
Hay muchos tipos de hielo, la mayoría de los cuales no son más livianos que el agua, y tienen una variedad de estructuras cristalinas, pero solo existen en condiciones exóticas de muy alta presión. El hielo normal que se encuentra en la Tierra tiene una estructura hexagonal muy abierta, lo que le da una densidad relativamente baja.

En el agua líquida, las moléculas no se mantienen en esa estructura, y resulta que pueden terminar uniéndose más juntas.

El agua es considerablemente menos densa que su contraparte sólida (hielo) y se considera que esta propiedad inusual se debe al enlace de hidrógeno en el agua. En el hielo, los enlaces de hidrógeno mantienen separadas las moléculas de agua en una estructura reticular abierta. Cuando el hielo se derrite, los enlaces rígidos de hidrógeno se rompen y las moléculas de agua se unen, haciéndolo más denso que el hielo.

Imagina un montón de piezas de metal (agua), tomas las piezas de metal y las construyes en un bote (hielo)

cuando se hacen enlaces más fuertes, se vuelve menos denso y flota

El hielo flota porque es aproximadamente un 9% menos denso que el agua líquida. A medida que el agua se enfría, las moléculas tienen menos energía y se produce un enlace de hidrógeno. Las moléculas forman un cristal ordenado a través de enlaces de hidrógeno que separa las moléculas más que cuando estaban en un líquido. Esto hace que el hielo sea menos denso que el agua y le permite flotar.

El enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua. Es más largo que un enlace normal. En agua los ángulos son óptimos para su formación. El carácter cuántico de la materia está involucrado porque los átomos de hidrógeno son especialmente ligeros. El hidrógeno se deslocaliza, formando una distribución bimodal.

A medida que el agua se congela, forma una estructura cristalina. Este entramado rígido termina teniendo mucho espacio vacío entre las moléculas individuales que, por supuesto, es menos denso que el agua líquida. Cuando está en estado líquido, las moléculas de agua están mucho más cerca unas de otras y, por lo tanto, son más densas.