Agua: ¿Cuál es la razón científica de la expansión anómala del agua?

Answer 1

Puedo pensar en una ventaja muy esencial.

Normalmente, los líquidos se contraen al enfriarse y la densidad aumenta. Sin embargo, el agua es especial. Se contrae cuando se enfría, hasta una temperatura de 4 ° C, pero luego comienza a expandirse a medida que alcanza los 0 ° C y se convierte en hielo.

El agua alcanza su máxima densidad a 4 ° C. Esto es causado por el enlace de hidrógeno entre los átomos de oxígeno que están cargados negativamente y los átomos de hidrógeno que están cargados positivamente, de dos moléculas diferentes de agua. La densidad del hielo es menor, por lo que flota en el agua. Esta expansión anómala del agua es una propiedad anormal del agua, por lo que se expande en lugar de contraerse cuando la temperatura pasa de 4 ° C a 0 ° C, y se vuelve menos densa. La densidad disminuye a medida que se congela porque las moléculas de agua normalmente forman estructuras cristalinas abiertas cuando están en forma sólida. El agua es más densa que el hielo, mientras que casi todas las demás sustancias son más densas en forma sólida que en forma líquida.

Este fenómeno es útil para la preservación de la vida marina en temperaturas muy frías. Durante el invierno, las aguas superficiales de los lagos y ríos comienzan a enfriarse. Al alcanzar la temperatura de 4 ° C, el agua de la superficie desciende hacia el fondo a medida que es más densa. Tras un enfriamiento adicional hasta el punto de congelación, se establece un gradiente de temperatura en las profundidades del cuerpo de agua, por lo que la capa más inferior está a 4 ° C y la temperatura desciende gradualmente hacia la superficie donde está el hielo. . Además, el agua y el hielo no son buenos conductores del calor. Todo esto ayuda en el mantenimiento de la temperatura del agua en el fondo a 4 ° C. Es en esta capa que la vida marina es capaz de sostenerse a sí misma. Si el agua hubiera sido como cualquier otro líquido, toda la profundidad del agua se habría congelado y la vida acuática se habría destruido por completo.

Otra ventaja, menos conocida, es que alrededor del 10% de los océanos está cubierto por hielo marino en alguna parte del año. El agua del océano se congela igual que el agua dulce, pero a temperaturas más bajas. El agua dulce se congela a 0 ° C, mientras que el agua de mar se congela a aproximadamente -2 ° C, debido al contenido de sal. Cuando se forma el hielo marino, la mayor parte de la sal se introduce en el agua del océano debajo del hielo, dejando muy poca sal atrapada en pequeñas bolsas entre los cristales de hielo. Miles de icebergs de las regiones polares se están derritiendo en los océanos. Y dado que los icebergs flotan, George Mougin, un ingeniero empresarial de Terranova, aspira a arrastrar icebergs de miles de millones de toneladas a áreas del mundo que carecen de suficiente agua potable.

Las simulaciones de Dassault Systemes sugieren que un solo remolcador es capaz de arrastrar un iceberg tabular de millones de toneladas desde Terranova a las Islas Canarias. Dadas las condiciones oceánicas y meteorológicas adecuadas, el viaje tomaría aproximadamente cinco meses con una pérdida de fusión de aproximadamente el 38% como máximo. En caso de que el transporte oceánico de icebergs sea exitoso, el agua puede ser cosechada de manera eficiente y oportuna y transportada a las zonas de sequía.

Answer 2

Esto se conoce desde hace mucho tiempo.

El enlace de hidrógeno es responsable de la expansión anómala del agua por debajo de 4C.

Los enlaces de hidrógeno en realidad mantienen las moléculas de agua a una distancia mayor entre sí que cuando no existe un enlace de este tipo a niveles de energía más altos, es decir, temperaturas más altas cuando se trata de un líquido.

Es como la gente empacada en un metro ocupado, más de ellos pueden caber si se meten las manos, que si todos sostienen las manos y se ponen de pie, aunque son más rígidos, pero ocuparán más espacio.

De la misma manera, el hielo es rígido pero ocupa más espacio que el agua líquida por debajo de 4C.

Answer 3

En una palabra, la densidad es responsable de la expansión anómala del agua. Cuando cae la temperatura, la capa superior de agua se contrae, se vuelve más densa y se hunde hasta el fondo. De este modo, se establece una circulación hasta que toda el agua alcanza su densidad máxima a 4 ° C. Si la temperatura desciende más, la capa superior se expande y permanece en la parte superior hasta que se congela. Así, aunque la capa superior está congelada, el agua cerca del fondo está a 4 ° C.

● RAZÓN CIENTÍFICA

La expansión anómala del agua tiene lugar porque cuando el agua se calienta a 277K, se forman enlaces de hidrógeno. Aunque se supone que el hielo se expande cuando se convierte en agua, esta formación gradual de enlaces de hidrógeno hace que se contraiga, es decir, la contracción causada por la formación de enlaces de hidrógeno es mayor que la expansión real del hielo. En 277K, el agua tiene la densidad máxima porque todos los enlaces de hidrógeno están formados por 277K, más allá del cual el agua obedece a la teoría cinética de las moléculas, un aumento en el volumen cuando se calienta y el reverso cuando se enfría. Lo mismo sucede a la inversa cuando el agua se enfría más allá de 277K.

Answer 4

¡Desde el punto de vista de un pez es una cuestión de vida o muerte! La expansión del hielo desde el estado líquido lo mantiene flotando en la parte superior del agua. Además, el agua se contrae a ambos lados de 4C, de modo que a bajas temperaturas del aire por debajo de cero grados centígrados, el agua a 4 C gravita en el fondo de un estanque, lo que garantiza que los peces sobrevivan durante el invierno.

Y todo depende de la capacidad única del hidrógeno para entrar en un enlace suelto con un átomo de oxígeno que ya está satisfecho en un contexto de valencia. Las moléculas de agua forman una estructura que permite que las moléculas circundantes se asocien entre sí de manera similar a la polimerización, pero en tres dimensiones. Cada molécula de agua se asocia libremente con otras moléculas de agua de una manera que determina las propiedades físicas únicas del agua, como el punto de congelación, el punto de ebullición (incluida la presión de vapor), la relación anómala de temperatura / densidad, la tensión superficial (que puede considerarse una efecto final), viscosidad y diversas propiedades ópticas. Sin estas propiedades únicas, la vida no sería posible como la conocemos.

Answer 5

El agua muestra un comportamiento anómalo debido a la presencia de enlaces de hidrógeno en él.

Verás, normalmente cuando calentamos un líquido de 0 grados centígrados, su densidad disminuye, pero en el caso de agua cuando lo calentamos desde 0 grados centígrados, los enlaces de hidrógeno se romperán y, por lo tanto, tendrá lugar la expansión. Esta es también la razón por la cual el agua tiene su densidad máxima a 4 grados centígrados.

Answer 6

El agua es diferente. Con casi todo en la Tierra, excepto el agua dulce, cuanto más frío se pone, más denso se vuelve. Tomemos el alcohol por ejemplo. Si tuviéramos que llenar un recipiente de 1 litro con alcohol puro a 30 grados Celsius (86 Fahrenheit) y luego tomar otro recipiente de 1 litro y llenarlo con alcohol puro a 10 grados Celsius (50 Fahrenheit) el recipiente de alcohol más frío pesaría más . Esto se debe a que el alcohol más frío es más denso, por lo que pueden caber más moléculas de alcohol en el mismo recipiente. Esto también es cierto con el agua dulce, hasta cierto punto. Pero a aproximadamente 4 grados Celsius (40 Fahrenheit) el agua alcanza su punto más denso. Sorprendentemente, a medida que el agua se enfría aún más, en realidad se vuelve menos densa.

Cada molécula de agua está formada por 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. Estos están conectados entre sí por enlaces químicos muy fuertes llamados enlaces covalentes. Las moléculas de agua están conectadas entre sí por enlaces químicos mucho más débiles llamados enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno cargados positivamente y un átomo de oxígeno cargado negativamente en una molécula de agua vecina.

A medida que el agua se enfría a más de 4 grados centígrados (40 Fahrenheit), los enlaces de hidrógeno que conectan las diferentes moléculas de agua se ajustan para mantener separados los átomos de oxígeno cargados negativamente. Esto da como resultado un latice de cristal que comienza a formarse a menos de 4 grados centígrados. Esta lámina de cristal se forma completamente al congelarse, y se conoce comúnmente como hielo.

Entonces, ¿por qué el hielo flota? Como la mayoría de las cosas que flotan, el hielo flota porque es menos denso que el agua líquida. El hielo es aproximadamente un 9% menos denso. Cuando se forma hielo, ocupa aproximadamente un 9% más de espacio que como líquido. Por lo tanto, un recipiente de 1 litro de hielo pesa menos de un recipiente de 1 litro de agua líquida, y el material más liviano flota hacia la parte superior. Como decíamos, el agua es diferente.

Answer 7

El agua en la medida en que el agua se expande a medida que se enfría de 4 a cero grados centígrados. Ergo su densidad máxima es de 4 grados. Por lo que hace esto es un misterio por lo que puedo ver. Las teorías que leo son circulares o usan analogías débiles. Oh, se ve que la energía mínima de los enlaces de hidrógeno por debajo de 4 grados C es favorecida por un empaquetamiento más suelto de moléculas de agua. O… citando un post más viejo en Quora

El agua caliente es un montón de granos de arroz que vibran debido a la alta temperatura, por lo que hacen espacio entre ellos. Aparentemente, 4 grados es la temperatura óptima para que vibren levemente, pero no lo suficientemente frías para que los pequeños mocosos empiecen a formar la estructura cristalina anterior.

Así que ya ves estas explicaciones no explican nada. Simplemente replantean el fenómeno en diferentes idiomas. Esto se llama “rogar las preguntas” por cierto.

Me encantaría conocerme. Si alguien desea investigar un poco y publicar una buena respuesta, lo leeré rápido e inteligente.

Material añadido

Estoy agregando a mi respuesta ya que varias respuestas relevantes ahora se han fusionado. Presento un experimento mental. Supongamos que usted, como químico físico competente, hubiera estado aislado de alguna manera del comportamiento anómalo de las aguas (no de la baja densidad del hielo, ese no es el problema aquí). Estabas al tanto de los enlaces de hidrógeno y del comportamiento de la mayoría de las sustancias cuando se calientan, es decir, se expanden. Ahora, ¿podría predecir que el agua no se expandiría sino que se contraería de 0 grados C a 4 grados C? Como corolario, ¿podría indicar 4 grados C como la densidad máxima? Sugiero que estas nociones serían una gran sorpresa y que se requeriría un modelo matemático sofisticado para llegar a estas conclusiones sin que todos lo sepan.

Answer 8

A continuación se muestra la estructura del agua y el hielo.

En el hielo, los enlaces de hidrógeno forman una estructura similar a una jaula, que no existe en forma líquida. Eso explica por qué la densidad del agua disminuye como un sólido, a diferencia de lo que se espera. El agua líquida es más densa, esencialmente 1.00 g / cm³, a 4 ° C y se vuelve menos densa a medida que las moléculas de agua comienzan a formar los cristales hexagonales de hielo cuando se alcanza el punto de congelación. Esto se debe a que los enlaces de hidrógeno dominan las fuerzas inter moleculares, lo que resulta en un empaquetamiento de moléculas menos compactas en el sólido. Cuando comienzas a calentar el hielo, los enlaces de hidrógeno se rompen y el hielo se derrite. Todos los enlaces de hidrógeno se rompen en el momento en que alcanza los 4 ° C. Por lo tanto, la densidad es máxima en este punto. De aquí en adelante se comporta como un líquido normal, expandiéndose a medida que se aplica más calor.

Answer 9

La mayor ventaja es que cuando el agua se enfría y se expande, es menos densa. Eso lo hace flotar sobre el agua más caliente, lo que hace que los lagos se vuelvan sobre el agua y lleven más oxígeno a los lagos. Los peces respiran más fácilmente por eso.
Porque es menos denso cuando congela también el hielo flota. Si no fuera así, los lagos se congelarían de abajo hacia arriba. El hielo que flota en el agua ayuda a aislar el agua debajo de él, especialmente si le cae una capa de nieve.
Esto permite a los peces sobrevivir al invierno.

También:
Puedes romper cosas con esto llenándolos con agua y congelando. Por ejemplo, si taladras una línea de agujeros en una gran roca, puedes dividirla llenando los agujeros con agua y dejando que se congelen.
Ten en cuenta que es una ventaja solo si quieres algo roto. La congelación y la rotura de las tuberías son generalmente consideradas malas.

Answer 10

La mayoría de los materiales se contraen cuando se congelan, porque el sólido tiene átomos o moléculas más compactos.

Sin embargo, el agua se expande cuando se congela porque en su nivel de energía más bajo hay “enlace de hidrógeno”. Los átomos de hidrógeno electropositivos están alineados con los átomos de oxígeno electronegativo. Cuando se expande a tres dimensiones, esto crea una gran cantidad de espacio vacío.

Answer 11

La dilatada expansión del agua se debe a la naturaleza innata de los sólidos y líquidos. Como líquido, el agua disfruta de muy poca estructura debido al rápido movimiento aleatorio de sus moléculas. Sin embargo, enfríelo por debajo de 4 grados Celsius y comenzará a ver que las moléculas se están moviendo lo suficientemente lento como para permitir que se produzca un enlace de hidrógeno. Este enlace de hidrógeno mantiene las moléculas más separadas de lo que estarían si se movieran al azar. Como las moléculas están más separadas, el agua, en general, se expande. El razonamiento aquí es el mismo por qué el hielo es menos denso que el agua líquida. Dado que los sólidos generalmente tienen estructuras definidas con poco movimiento molecular, el hielo se ve forzado a tener distancias bastante grandes entre las moléculas (en comparación con el agua) debido a los enlaces de hidrógeno entre las moléculas, que constituyen la mayor parte de la estructura del hielo, haciéndolo menos denso que su estructura. contrapartida liquida. ¡Espero que esto ayude!

Answer 12

Sí.

Cuando el agua se congela, forma cristales. Esos cristales ocupan más espacio que el agua líquida. Este es un fenómeno muy raro, pero no difícil de explicar. La forma del cristal es el resultado de la característica de la molécula, y la molécula de agua tiene características bastante únicas. Por suerte para nosotros también, porque las características inusuales del agua son una gran parte de lo que hace posible la vida como la conocemos.

Answer 13

La expansión anómala del agua es una propiedad anormal del agua, por lo que se expande en lugar de contraerse cuando la temperatura pasa de 4 ° C a 0 ° C y se vuelve menos densa . La densidad es cada vez menor a medida que se congela porque las moléculas de agua normalmente forman estructuras cristalinas abiertas cuando están en forma sólida.

Answer 14

Sin ella, la Tierra probablemente sería estéril, o casi, de vida.

Flotadores de hielo. Debido a que lo hace, aísla el agua que está debajo de un enfriamiento aún mayor. En un lago u océano, si el hielo se hundiera, terminaría en el fondo y enfriaría el agua allí. Eventualmente, es posible que todo el lago o el océano se congele completamente. Esto habría evitado que casi toda la vida primitiva en la Tierra evolucionara.

Answer 15

El enlace de hidrógeno es responsable de la expansión anómala del agua por debajo de 4C.

Los enlaces de hidrógeno en realidad mantienen las moléculas de agua a una distancia mayor entre sí que cuando no existe un enlace de este tipo a niveles de energía más altos, es decir, temperaturas más altas cuando se trata de un líquido.

Es como la gente empacada en un metro ocupado, más de ellos pueden caber si se meten las manos, que si todos sostienen las manos y se ponen de pie, aunque son más rígidos, pero ocuparán más espacio.

De la misma manera, el hielo es rígido, pero ocupa más espacio que el agua líquida por debajo de 4C.

Answer 16

Es porque la forma cristalina sólida (fase) del agua (hielo) es menos densa que el agua líquida. A 4 ° C, el agua se está preparando para congelarse y cada vez aparecen más estructuras abiertas dentro del líquido. Esto hace que el agua sea menos densa. El agua tiene una densidad máxima a 4 ° C, por lo que es más baja y más alta que esta temperatura.

Esto significa que el hielo flota en el agua y que la temperatura en el fondo de un estanque congelado es de 4 ° C. El hielo es un gran aislante térmico, por lo que lleva mucho tiempo aumentar el espesor del hielo, dependiendo de la temperatura externa. Esto es muy bueno para la supervivencia de los animales, como los peces y los osos polares, porque para ellos mantiene la población de focas.

Otros materiales no se comportan así porque, generalmente, la forma sólida de algo es más densa que la forma líquida (fase).

Answer 17

La máxima densidad de agua se alcanza a 4C. Eso significa que este es el punto donde podemos encontrar la masa más alta o el número más alto de moléculas por unidad de volumen. El agua líquida contiene por mucho el enlace de hidrógeno más denso de cualquier solvente con casi tantos enlaces de hidrógeno que los enlaces covalentes. Esto es más probable porque la energía de las moléculas de agua es relativamente baja, mientras que el enlace de hidrógeno es todavía muy fuerte, compactando las moléculas de agua entre sí. Bajar las temperaturas hace que las moléculas de agua se reorganicen con menos frecuencia. A temperatura ambiente, las moléculas de agua se reorganizan aproximadamente una billonésima vez por segundo como resultado de la energía cinética frente al enlace de hidrógeno. A una temperatura más baja, el agua se acumula en un cristal que no permite reordenamientos, lo que hace que ocupe más espacio y, por lo tanto, una densidad más baja. Las cadenas de agua unidas al hidrógeno son cooperativas, por lo que el primer enlace que se rompe es el más resistente. Entonces es normal encontrar la densidad más alta a una temperatura baja.

La consecuencia drástica es que mientras el hielo flota, en todos los demás líquidos, en su lugar se forman cristales sólidos.

En 0C, tenemos la densidad más baja, esto significa que el volumen ha aumentado en la mayoría de los contenedores de trituración si el agua estaba muy apretada en el contenedor. Como la mayoría de los contenedores se contraen al disminuir la temperatura y el agua se expande entre 4 y 0 ° C, a menudo los contenedores, incluso los metálicos, se abrirán debido a esta fuerza de expansión. Teniendo una temperatura inferior a 0C, el hielo ahora se retrae

Answer 18

Esta es una propiedad inusual del agua que se vuelve menos densa a medida que se congela, que es lo opuesto a la mayoría de los líquidos. Esto se debe a la naturaleza polar del agua que hace que la estructura cristalina del hielo se vuelva más ordenada y menos densa a medida que las moléculas de agua se repelen entre sí cuando se congelan. Por eso el hielo flota en el agua. Si el hielo se hundiera en el fondo mientras se congelaba, lagos enteros se congelarían y matarían enormes cantidades de peces y vida marina.

Answer 19

El agua está compuesta de hidrógeno y oxígeno.

El oxígeno tiene una afinidad electrónica más alta porque tiene una mayor densidad de protones.

Como sólido, el oxígeno es capaz de extraer electrones de incluso más átomos de hidrógeno que como líquido, ya que tienen menos energía.

Esto a su vez crea carga distorsión y repulsión.

La repulsión obliga a las moléculas a distanciarse unas de otras.

Answer 20

El agua que vemos … El vapor que sentimos, el hielo que nos enfría … Son todos los resultados de las condiciones circundantes … Lo que estoy tratando de decir es que la forma que toma el monóxido de dihidrógeno (también conocido como agua) varía Debido a los parámetros de presión y temperatura que actúan sobre él … milagrosamente, la naturaleza ha hecho que el agua sea tal que a una cierta temperatura el agua puede permanecer en forma líquida en lugar de convertirse en hielo. Esto es para la vida acuática que reside debajo del agua … En las partes norte y sur, donde el agua se congela a una temperatura muy baja, la capa superior de agua se congela completamente, pero debido al comportamiento anómalo del agua, el agua de abajo no se congela y La vida acuática puede sobrevivir en las peores condiciones … !!!