При какой температуре замерзает вода?

Вода имеет поистине уникальные свойства. Сегодня поговорим о ее агрегатных состояниях и процессах, которые происходят во время них, узнаем, при скольки градусах замерзает вода, и как она испаряется. Вода может существовать в трех состояниях:

• твердое (лед);
• жидкое;
• газообразное (пар).

Почему вода замерзает и кипит?

Структура воды специфична. В жидком состоянии ее молекулы постоянно движутся, они связаны между собой только слабыми водородными связями. Во время нагревания молекулы начинают двигаться активнее и, ударяясь друг о друга, в конечном итоге теряют даже слабые связи, превращаясь в газ. Этот момент называется кипением.

Когда температура снижается связи становятся более крепкими и при достижении температуры замерзания молекулы складываются в кристаллическую гексагональную структуру. Ее, кстати, можно наглядно увидеть, когда идет снег: молекулы воды складываются в красивые снежинки правильной формы.

Обратные процессы:

1. для кипения — конденсация, когда вода при снижении температуры образует конденсат. Примером этому может быть запотевание стекла;
2. для замерзания — таяние (вспомните, как лед в напитках постепенно тает, или журчит вода на улице, когда тает снег).
   

Кстати, стоит заметить, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Почему вода расширяется при замерзании?

Как мы писали выше, водородные связи при снижении температуры уплотняются и формируют стехиометрическую структуру. Кристалы строятся таким образом, что расстояние между молекулами становится больше, чем во время хаотичного движения. Из-за этого плотность льда ниже, чем плотность воды, то есть большее количество молекул занимает меньший объем.

Понять, как это работает можно на рисунке.

Замерзание обессоленной воды

Если рассматривать воду как химическое вещество, которое не содержит никаких примесей, то мы сможем понять только при какой температуре замерзает дистиллированная вода. Что касается натуральной природной и водопроводной воды, в ее составе всегда есть растворенные неорганические и органические вещества, которые сдвигают равновесие фазового перехода.

Итак, температура замерзания дистиллированной воды и таяния льда при нормальном давлении равняется 0 ℃, а испарения жидкой - 100 ℃. Важно знать, что именно температуры замерзания и испарения воды были основанием для задания реперных точек градусной шкалы Цельсия, в Кельвинах эти температуры будут равняться, соответственно, 273 и 373 К.

Зависимость температуры кипения от давления

При снижении давления температура кипения воды падает, а при повышении растет. Этим объясняется то, что на вершинах гор вода закипает быстрее, чем у их подножия. Например, на высоте 4000 м вода закипает уже при 85 °C (давление - 0,6 атм.), а на вершине Эвереста (8448 м) - уже при 72 °C. На таблице приведены значение зависимости температуры кипения воды от давления.

Тоже самое касается льда: при очень высоком давлении лед может начинать плавиться только при комнатной температуре. А при давлении в 0,006 атм вода вообще не способна находиться в жидком состоянии, то есть изо льда она сразу сублимируется в пар.

Температура замерзания соленой воды

Здесь “соленость” рациональнее заменить термином “общее солесодержание”. Любые вещества в составе воды способны сдвигать точку замерзания в большую сторону. Если для водопроводной воды это десятые или сотые доли градуса, которые не измеримы обычными бытовыми термометрами, то в случае с морской водой снижение температуры замерзания уже ощущается и равняется в среднем 1,8 °C.

В данном случае мы не можем описать зависимость температуры замерзания воды от общего солесодержания, поскольку каждый компонент природной воды вносит определенные изменения. А таких компонентов в воде может быть более 50-ти наименований. Для понимания влияния солесодержания на температуру замерзания растворов приведем некоторые значения.  Температура замерзания 1,5% раствора хлорида натрия или поваренной соли - (- 0,9) °C, а для 20-ти % раствора это уже -16,6 °C.

Температура замерзания соленой воды может быть точно рассчитана только при условии ее известного состава.

Если у вас есть еще интересные вопросы о фазовых переходах, задавайте их в комментариях, будем рады ответить на них.