§ 271. Изменение плотности веществ при плавлении

При плавлении плотность большинства веществ уменьшается. Следующий опыт служит иллюстрацией этого положения. Бросим в расплавленный парафин кусочек твердого парафина. Он утонет. Значит, плотность расплавленного парафина меньше плотности твердого парафина. Парафин при плавлении увеличивает свой объем. Так же ведут себя и многие другие вещества. Это явление показывает, что при правильном упорядоченном расположении молекул в кристалле занимаемый объем меньше, чем при беспорядочном их расположении в жидкости. Это легко понять. Действительно, укладывая апельсины в ящик правильными рядами, можно уложить их так, что они займут меньше места, чем беспорядочно насыпанные апельсины.

Однако из этого общего правила есть несколько исключений, из которых самое важное — вода. Лед, как известно, плавает в воде; его плотность заметно меньше плотности воды. Это обстоятельство играет большую роль в природе. Слой льда на поверхности воды, покрытый сверху плохо проводящим тепло снегом, прекрасно защищает воду, находящуюся под ним, от охлаждения. Таким образом, водоемы не промерзают до дна, и это спасает от гибели живущих в них рыб.

Расширение воды при замерзании является одной из причин и другого, важного в жизни Земли явления — разрушения горных пород. Представим себе, что в трещине камня находится вода (рис. 452). Во время мороза сначала замерзает верхний слой; при этом более глубокие слои будут «заперты». Когда же и эти слои начнут замерзать, то они, увеличиваясь при этом в объеме, будут расширять трещину. В конце концов это поведет к разрушению камня.

Рис. 452. Растрескивание камня. Во время мороз сверху образовалась пробка из льда, закупорившая воду в нижней части трещины.

Простой опыт может дать представление о силах, развивающихся при расширении воды, сопровождающем замерзание. Нальем воду в бутылку до самого горлышка и выставим бутылку на мороз. Вода замерзнет и расширится. Ледяная пробка в горлышке бутылки препятствует свободному выходу расширяющегося льда, и бутылка будет разорвана давлением льда. Подобный опыт удается даже с чугунной толстостенной бутылкой.

Чем же объясняется указанная особенность воды? Почему у воды увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул связано не с увеличением объема, как у других веществ, а с уменьшением? Это объясняется особой структурой кристаллической решетки льда. Обратимся к рис. 445, показывающему внутреннюю структуру кристаллов льда. Видно, что в кристалле льда молекулы расположены очень неравномерно: в одних местах молекулы сближены, зато в других местах имеются большие пустоты между слоями. При переходе от кристаллического состояния к жидкому расположение молекул меняется и делается более равномерным; при этом расстояние между молекулами, которые в кристалле расположены близко друг к другу, увеличивается, а расстояние между отдаленными молекулами уменьшается. Потенциальная энергия взаимодействия первых увеличивается, а вторых — уменьшается. Но увеличение потенциальной энергии близких молекул больше уменьшения потенциальной энергии отдаленных молекул. В конечном счете внутренняя энергия воды все же больше внутренней энергии льда, из которого она образовалась.