Комично, как все химично! Почему не стоит бояться фтора в зубной пасте, тефлона на сковороде, и думать о том, что телефон на зарядке взорвется

Давайте еще разок вернемся к модели частиц из главы 1. Агрегатное состояние – твердое, жидкое, газообразное – определяется сочетанием плотности и температуры частиц. В твердом веществе частицы располагаются особенно плотно, в жидкостях у них немного больше свободы движения, поэтому им не так тесно, и плотность меньше, а в газе плотность самая низкая. Поэтому агрегатное состояние можно изменить либо давлением, либо температурой. Повышая давление, мы сдавливаем частицы теснее, плотность повышается. Так под давлением газ становится жидкостью, а затем твердым веществом. А понижая температуру, мы уменьшаем движение частиц, им требуется меньше места, что также ведет к повышению плотности. Таким образом, водяной пар при охлаждении становится жидкой водой, а затем льдом.

Но – минуточку! Если лед (Н₂О в твердом состоянии) плавает в воде (Н₂О в жидком состоянии), получается, что плотность льда меньше плотности воды? Но это же неслыханно! Разве может жидкость быть плотнее твердого вещества? Вы, наверное, догадываетесь: все дело в водородных мостиках. Эту странность называют аномалией плотности воды.

Когда воду охлаждают, поначалу она ведет себя совершенно нормально: температура падает – плотность повышается, как и положено. По мере того как частицы замедляют свое движение, создаются все лучшие условия для образования водородных мостиков, и эти мостики сводят частицы все ближе друг к другу. Однако при 4°С вода достигает своей максимально возможной плотности. После чего происходит странное: при дальнейшем понижении температуры до 0°С плотность снова уменьшается, то есть молекулы воды снова отодвигаются друг от друга.

Почему они это делают? А потому, что движение частиц становится таким медленным, что молекулы воды только в этот момент получают время и паузу на то, чтобы основательно сорганизоваться для образования кристаллической решетки льда.

Эту упорядоченную структуру можно почти невооруженным глазом наблюдать в снежинке или кристалле льда. Узор снежинки – это и есть результат симметричного построения атомов внутри нее. В кристалле льда каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода. С двумя из них он связан ковалентно, с двумя другими – водородными мостиками. В этой решетчатой структуре относительно большие полые зазоры и потому меньшая плотность.

И что же с этого рыбам в озере?

Когда зимой вода охлаждается, она опускается на дно, потому что чем она холоднее, тем плотнее (на разговорном языке «тяжелее»). Поскольку при 4 °C вода обретает свою максимальную плотность, на дне озера температура воды 4 °C, а выше она постепенно становится холоднее. В какой-то момент поверхность озера начинает замерзать, причем сверху вниз. Если бы не существовало аномалии плотности воды, лед был бы тяжелее воды, и озеро замерзало бы снизу вверх. Тогда снизу подступал бы лед, сверху добавлялся бы холодный зимний воздух, и озеро замерзало бы целиком – от самого дна и до поверхности. Поскольку же озера замерзают сверху вниз, слой льда действует как изолятор для нижерасположенных слоев воды, и у рыб зимой есть место где плавать в жидкой воде. И дышать.

У людей своя зимняя радость от аномалии плотности воды – без нее на коньках не очень-то покатаешься. Вообще-то, если призадуматься, катание на коньках – это еще один большой курьез. Ведь почему, собственно, кататься можно только на льду? Почему бы не прокатиться на коньках по любому другому твердому веществу – скажем, по асфальту? А потому, что на льду мы своими коньками твердого вещества вообще не касаемся! Мы скользим по тонкому слою воды, который образуется в тот момент, когда давим на лед полозьями коньков. Будь под коньками другие вещества, для достижения изменения агрегатного состояния от твердого к жидкому пришлось бы уменьшать давление. Но аномалия воды позволяет достичь смены агрегатного состояния иначе: из-за повышения давления частицы сдавливаются плотнее; стремясь потесниться, они теряют свою крупноячеистую кристаллическую решетку, и образуется жидкий слой, по которому можно легко скользить. И получается, что если бы муравей захотел покататься по льду на мини-конечках, у него бы это не вышло, потому что он сам слишком легкий и его веса недостаточно для такого давления на поверхность, чтобы получался необходимый для скольжения водный слой. Для муравья это было бы как катание на коньках по асфальту.