Water zet uit bij verhitting. Wanneer water afkoelt, krimpt het of zet het uit

De Japanse natuurkundige Masakazu Matsumoto heeft een theorie naar voren gebracht die verklaart waarom water krimpt in plaats van uitzet bij verhitting van 0 tot 4°C. Volgens zijn model bevat water microformaties - "vitrieten", dit zijn convexe holle veelvlakken, waarvan de hoekpunten watermoleculen bevatten en de randen waterstofbruggen zijn. Naarmate de temperatuur stijgt, concurreren twee fenomenen met elkaar: de verlenging van waterstofbruggen tussen watermoleculen en de vervorming van vitrieten, wat leidt tot een afname van hun holtes. In het temperatuurbereik van 0 tot 3,98°C domineert dit laatste fenomeen het effect van de verlenging van waterstofbruggen, wat uiteindelijk de waargenomen compressie van water oplevert. Er is nog geen experimentele bevestiging van het model van Matsumoto, net als andere theorieën die de compressie van water verklaren.

In tegenstelling tot de overgrote meerderheid van de stoffen kan water bij verhitting zijn volume verkleinen (Fig. 1), dat wil zeggen dat het een negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt heeft. We hebben het echter niet over het hele temperatuurbereik waarin water in vloeibare toestand voorkomt, maar slechts over een smal gedeelte: van 0°C tot ongeveer 4°C. Bij hoge temperaturen zet water, net als andere stoffen, uit.

Water is trouwens niet de enige stof die de eigenschap heeft om samen te trekken als de temperatuur stijgt (of uit te zetten bij afkoeling). Bismut, gallium, silicium en antimoon kunnen ook bogen op soortgelijk gedrag. Echter, vanwege de complexere interne structuur ervan, evenals de prevalentie en het belang ervan in verschillende processen, is het water dat de aandacht van wetenschappers trekt (zie De studie van de structuur van water gaat verder, “Elementen”, 10/09/2006 ).

Enige tijd geleden was de algemeen aanvaarde theorie die de vraag beantwoordde waarom water zijn volume vergroot naarmate de temperatuur daalt (Fig. 1) het model van een mengsel van twee componenten: "normaal" en "ijsachtig". Deze theorie werd voor het eerst voorgesteld in de 19e eeuw door Harold Whiting en werd later door veel wetenschappers ontwikkeld en verbeterd. Relatief recentelijk, in het kader van het ontdekte polymorfisme van water, werd Wietings theorie heroverwogen. Er wordt nu aangenomen dat er twee soorten ijsachtige nanodomeinen zijn in onderkoeld water: amorfe ijsachtige gebieden met hoge dichtheid en amorfe ijsachtige gebieden met lage dichtheid. Het verwarmen van onderkoeld water leidt tot het smelten van deze nanostructuren en het verschijnen van twee soorten water: met een hogere en een lagere dichtheid. De sluwe temperatuurconcurrentie tussen de twee “kwaliteiten” van het resulterende water leidt tot een niet-monotone afhankelijkheid van de dichtheid van de temperatuur. Deze theorie is echter nog niet experimenteel bevestigd.

Je moet voorzichtig zijn met deze uitleg. Het is geen toeval dat we het hier alleen hebben over structuren die op amorf ijs lijken. Feit is dat nanoscopische gebieden van amorf ijs en zijn macroscopische analogen verschillende fysieke parameters hebben.

De Japanse natuurkundige Masakazu Matsumoto besloot “vanaf het begin” een verklaring te vinden voor het hier besproken effect, waarbij hij de theorie van een mengsel van twee componenten verwierp. Met behulp van computersimulaties keek hij naar de fysische eigenschappen van water over een breed temperatuurbereik - van 200 tot 360 K bij nuldruk - om op moleculaire schaal de ware redenen te begrijpen voor de uitzetting van water als het afkoelt. Zijn artikel in het tijdschrift Physical Review Letters heet: Waarom zet water uit als het afkoelt? (“Waarom zet water uit als het afkoelt?”).

Aanvankelijk stelde de auteur van het artikel de vraag: wat beïnvloedt de thermische uitzettingscoëfficiënt van water? Matsumoto is van mening dat het hiervoor voldoende is om de invloed van slechts drie factoren te achterhalen: 1) veranderingen in de lengte van waterstofbruggen tussen watermoleculen, 2) topologische index - het aantal bindingen per watermolecuul, en 3) afwijking van de hoek tussen bindingen ten opzichte van de evenwichtswaarde (hoekvervorming).

Rijst. 2. Het is “het gemakkelijkst” voor watermoleculen om zich te verenigen in clusters met een hoek tussen waterstofbruggen gelijk aan 109,47 graden. Deze hoek wordt tetraëder genoemd omdat het de hoek is die het middelpunt van een regelmatige tetraëder en zijn twee hoekpunten verbindt. Afbeelding van lsbu.ac.uk

Voordat we het hebben over de resultaten van de Japanse natuurkundige, zullen we belangrijke opmerkingen en verduidelijkingen maken met betrekking tot de bovengenoemde drie factoren. Allereerst komt de gebruikelijke chemische formule van water, H 2 O, alleen overeen met de damptoestand ervan. In vloeibare vorm worden watermoleculen via waterstofbruggen gecombineerd tot groepen (H 2 O) x, waarbij x het aantal moleculen is. De energetisch meest gunstige combinatie is die van vijf watermoleculen (x = 5) met vier waterstofbruggen, waarbij de bindingen een evenwicht vormen, de zogenaamde tetraëdrische hoek, gelijk aan 109,47 graden (zie figuur 2).

Na analyse van de afhankelijkheid van de lengte van de waterstofbrug tussen watermoleculen van de temperatuur, kwam Matsumoto tot de verwachte conclusie: een temperatuurstijging geeft aanleiding tot een lineaire verlenging van waterstofbruggen. En dit leidt op zijn beurt tot een toename van het watervolume, dat wil zeggen tot de uitzetting ervan. Dit feit is in tegenspraak met de waargenomen resultaten, dus onderzocht hij de invloed van de tweede factor verder. Hoe hangt de thermische uitzettingscoëfficiënt af van de topologische index?

Computermodellering leverde het volgende resultaat op. Bij lage temperaturen wordt het grootste watervolume procentueel ingenomen door waterclusters, die 4 waterstofbruggen per molecuul hebben (topologische index is 4). Een temperatuurstijging veroorzaakt een afname van het aantal geassocieerden met index 4, maar tegelijkertijd begint het aantal clusters met indices 3 en 5 toe te nemen. Na numerieke berekeningen te hebben uitgevoerd, ontdekte Matsumoto dat het lokale volume van clusters topologisch is index 4 verandert praktisch niet bij toenemende temperatuur, en de verandering in het totale volume van geassocieerden met indices 3 en 5 bij elke temperatuur compenseren elkaar wederzijds. Bijgevolg verandert een temperatuurverandering het totale watervolume niet, en daarom heeft de topologische index geen enkel effect op de compressie van water wanneer het wordt verwarmd.

Het effect van hoekvervorming van waterstofbruggen moet nog worden opgehelderd. En dit is waar het meest interessante en belangrijke begint. Zoals hierboven vermeld, hebben watermoleculen de neiging zich te verenigen, zodat de hoek tussen de waterstofbruggen tetraëdrisch is. Thermische trillingen van watermoleculen en interacties met andere moleculen die niet in het cluster zijn opgenomen, verhinderen dit echter, waardoor de hoek van de waterstofbinding afwijkt van de evenwichtswaarde van 109,47 graden. Om dit proces van hoekvervorming op een of andere manier kwantitatief te karakteriseren, veronderstelden Matsumoto en collega's, op basis van hun eerdere werk Topological Building Blocks of Hydrogen Bond Networks in Water, gepubliceerd in 2007 in de Journal of Chemical Physics, het bestaan van driedimensionale microstructuren in water die lijken op convexe holle veelvlakken. Later, in daaropvolgende publicaties, noemden ze dergelijke microstructuren vitrites (Fig. 3). Daarin zijn de hoekpunten watermoleculen, de rol van randen wordt gespeeld door waterstofbruggen en de hoek tussen waterstofbruggen is de hoek tussen de randen in vitriet.

Volgens de theorie van Matsumoto bestaat er een grote verscheidenheid aan vormen van vitritis, die, net als mozaïekelementen, het grootste deel van de structuur van water uitmaken en tegelijkertijd het hele volume ervan gelijkmatig vullen.

Rijst. 3. Zes typische vitrieten die de interne structuur van water vormen. De balletjes komen overeen met watermoleculen, de segmenten tussen de balletjes geven waterstofbruggen aan. Vitrieten voldoen aan de beroemde stelling van Euler voor veelvlakken: het totale aantal hoekpunten en vlakken minus het aantal randen is gelijk aan 2. Dit betekent dat vitrieten convexe veelvlakken zijn. Andere soorten vitriet kunnen worden bekeken op vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Rijst. uit een artikel van Masakazu Matsumoto, Akinori Baba en Iwao Ohminea Network Motif of Water, gepubliceerd in AIP Conf. Proc.

Watermoleculen hebben de neiging om tetraëdrische hoeken in vitrieten te creëren, omdat vitrieten de laagst mogelijke energie moeten hebben. Als gevolg van thermische bewegingen en lokale interacties met andere vitrieten vertonen sommige microstructuren echter geen geometrieën met tetraëdrische hoeken (of hoeken die dicht bij deze waarde liggen). Ze accepteren dergelijke structureel niet-evenwichtsconfiguraties (die vanuit energetisch oogpunt niet het meest gunstig voor hen zijn), waardoor de hele ‘familie’ van vitrieten als geheel de laagste energiewaarde van de mogelijke kan verkrijgen. Dergelijke vitritis, dat wil zeggen vitritis die zichzelf lijkt op te offeren aan ‘gemeenschappelijke energiebelangen’, wordt gefrustreerd genoemd. Als bij niet-gefrustreerde vitritis het volume van de holte bij een bepaalde temperatuur maximaal is, dan heeft gefrustreerde vitritis daarentegen het minimaal mogelijke volume.

Computermodellering uitgevoerd door Matsumoto toonde aan dat het gemiddelde volume van vitrietholtes lineair afneemt met toenemende temperatuur. In dit geval vermindert gefrustreerde vitritis het volume aanzienlijk, terwijl het volume van de holte van niet-gefrustreerde vitritis vrijwel onveranderd blijft.

De compressie van water bij toenemende temperatuur wordt dus veroorzaakt door twee concurrerende effecten: de verlenging van waterstofbruggen, wat leidt tot een toename van het watervolume, en een afname van het volume van de holtes van gefrustreerde vitrieten. In het temperatuurbereik van 0 tot 4°C overheerst, zoals berekeningen hebben aangetoond, dit laatste fenomeen, wat uiteindelijk leidt tot de waargenomen compressie van water bij toenemende temperatuur.

Het blijft wachten op experimentele bevestiging van het bestaan van vitrieten en hun gedrag. Maar dit is helaas een zeer moeilijke taak.

We zijn op zichzelf omringd door water, als onderdeel van andere substanties en lichamen. Het kan in vaste, vloeibare of gasvormige vorm zijn, maar water is altijd om ons heen. Waarom barst asfalt op de wegen, waarom barst een glazen pot met water in de kou, waarom beslaan de ramen in het koude seizoen, waarom laat een vliegtuig een wit spoor achter in de lucht - we zullen op zoek gaan naar antwoorden op al deze vragen en andere ‘waaroms’ in deze les. We zullen leren hoe de eigenschappen van water veranderen bij verhitting, afkoeling en bevriezing, hoe ondergrondse grotten en bizarre figuren daarin worden gevormd, hoe een thermometer werkt.

Onderwerp: Levenloze natuur

Les: Eigenschappen van vloeibaar water

In zijn pure vorm heeft water geen smaak, geur of kleur, maar dat is bijna nooit zo, omdat het de meeste stoffen actief op zichzelf oplost en zich met hun deeltjes verbindt. Water kan ook in verschillende lichamen binnendringen (wetenschappers hebben zelfs water in stenen gevonden).

Als je een glas met kraanwater vult, ziet het er schoon uit. Maar in feite is het een oplossing van veel stoffen, waaronder gassen (zuurstof, argon, stikstof, kooldioxide), verschillende onzuiverheden in de lucht, opgeloste zouten uit de bodem, ijzer uit waterleidingen, kleine onopgeloste stofdeeltjes , enz.

Als je druppels kraanwater op schoon glas pipetteert en laat verdampen, blijven er nauwelijks zichtbare vlekken achter.

Het water van rivieren en beken, en de meeste meren, bevat verschillende onzuiverheden, bijvoorbeeld opgeloste zouten. Maar er zijn er maar weinig, omdat dit water zoet is.

Water stroomt op de grond en ondergronds, vult beken, meren, rivieren, zeeën en oceanen en creëert ondergrondse paleizen.

Het water baant zich een weg door gemakkelijk oplosbare stoffen en dringt diep onder de grond door, neemt het mee, en door spleten en scheuren in de rotsen, waardoor ondergrondse grotten ontstaan, die van hun daken druppelen, waardoor bizarre sculpturen ontstaan. Miljarden waterdruppels verdampen in de loop van honderden jaren, en stoffen opgelost in water (zouten, kalksteen) nestelen zich op de bogen van de grot en vormen stenen ijspegels die stalactieten worden genoemd.

Soortgelijke formaties op de bodem van een grot worden stalagmieten genoemd.

En wanneer een stalactiet en stalagmiet samengroeien tot een stenen zuil, wordt dit een stalagnaat genoemd.

Als we het ijs op een rivier observeren, zien we water in een vaste (ijs en sneeuw), vloeibare (onderdoor stromende) en gasvormige toestand (kleine waterdeeltjes die in de lucht opstijgen, ook wel waterdamp genoemd).

Water kan zich in alle drie de toestanden tegelijkertijd bevinden: er is altijd waterdamp in de lucht en in de wolken, die bestaan uit waterdruppels en ijskristallen.

Waterdamp is onzichtbaar, maar kan gemakkelijk worden gedetecteerd als u een glas water een uur in de koelkast in een warme kamer laat staan, er verschijnen onmiddellijk waterdruppels op de wanden van het glas. Bij contact met de koude wanden van het glas wordt de waterdamp in de lucht omgezet in waterdruppels en bezinkt op het oppervlak van het glas.

Rijst. 11. Condensatie op de wanden van een koud glas ()

Om dezelfde reden beslaat de binnenkant van het vensterglas tijdens het koude seizoen. Koude lucht kan niet zoveel waterdamp bevatten als warme lucht, dus condenseert een deel ervan en verandert in waterdruppels.

Het witte spoor achter een vliegtuig dat door de lucht vliegt, is ook het resultaat van watercondensatie.

Als je een spiegel naar je lippen brengt en uitademt, blijven er kleine druppeltjes water op het oppervlak achter, dit bewijst dat iemand bij het ademen waterdamp met de lucht inademt.

Wanneer water wordt verwarmd, ‘zet het uit’. Dit kan worden bewezen door een eenvoudig experiment: een glazen buis werd in een fles water neergelaten en het waterniveau daarin werd gemeten; vervolgens werd de kolf in een vat met warm water neergelaten en, na het verwarmen van het water, werd het niveau in de buis opnieuw gemeten, dat merkbaar steeg, aangezien het water bij verhitting in volume toeneemt.

Rijst. 14. Een kolf met een buisje, het cijfer 1 en een lijn geven het initiële waterniveau aan

Rijst. 15. Een kolf met een buisje, het cijfer 2 en een lijn geven het waterniveau aan bij verhitting

Wanneer water afkoelt, ‘comprimeert’ het. Dit kan worden bewezen door een soortgelijk experiment: in dit geval werd een kolf met een buis na afkoeling in een vat met ijs neergelaten, het waterniveau in de buis daalde ten opzichte van het oorspronkelijke merkteken, omdat het water in volume afnam.

Rijst. 16. Een kolf met slangetje, het cijfer 3 en een lijn geven het waterniveau aan tijdens het afkoelen

Dit gebeurt omdat waterdeeltjes, moleculen, sneller bewegen bij verhitting, met elkaar botsen, van de wanden van het vat worden afgestoten, de afstand tussen de moleculen groter wordt en daarom de vloeistof een groter volume in beslag neemt. Wanneer water afkoelt, vertraagt de beweging van de deeltjes, wordt de afstand tussen de moleculen kleiner en heeft de vloeistof minder volume nodig.

Rijst. 17. Watermoleculen bij normale temperatuur

Rijst. 18. Watermoleculen bij verhitting

Rijst. 19. Watermoleculen tijdens afkoelen

Niet alleen water, maar ook andere vloeistoffen (alcohol, kwik, benzine, kerosine) hebben dergelijke eigenschappen.

Kennis van deze eigenschap van vloeistoffen leidde tot de uitvinding van een thermometer (thermometer), die alcohol of kwik gebruikt.

Wanneer water bevriest, zet het uit. Dit kan worden bewezen als een container die tot de rand met water is gevuld, losjes wordt afgedekt met een deksel en in de vriezer wordt geplaatst. Na een tijdje zullen we zien dat het gevormde ijs het deksel optilt en voorbij de container gaat;

Met deze eigenschap wordt rekening gehouden bij het leggen van waterleidingen, die moeten worden geïsoleerd zodat bij bevriezing het uit het water gevormde ijs de leidingen niet scheurt.

In de natuur kan bevriezend water bergen vernietigen: als water zich in de herfst ophoopt in rotsscheuren, bevriest het in de winter, en onder de druk van ijs, dat een groter volume in beslag neemt dan het water waaruit het is gevormd, barsten en storten rotsen in.

Bevriezing van water in de scheuren van wegen leidt tot de vernietiging van asfaltverharding.

Lange ruggen die lijken op plooien op boomstammen zijn wonden door houtbreuken onder de druk van het boomsap dat erin bevriest. Daarom hoor je in koude winters het geknetter van bomen in een park of bos.

Vakhrushev AA, Danilov DD De wereld om ons heen 3. M.: Ballas.
Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. De wereld om ons heen 3. M.: Fedorov Publishing House.
Pleshakov A.A. De wereld om ons heen 3. M.: Onderwijs.

Festival van Pedagogische Ideeën ().
Wetenschap en onderwijs ().
Openbare klasse ().

Maak een korte test (4 vragen met drie antwoordmogelijkheden) over het onderwerp ‘Water om ons heen’.
Voer een klein experiment uit: plaats een glas heel koud water op een tafel in een warme kamer. Beschrijf wat er zal gebeuren, leg uit waarom.
* Teken de beweging van watermoleculen in een verwarmde, normale en gekoelde toestand. Schrijf indien nodig bijschriften op uw tekening.

Onderwerp: Levenloze natuur

Les: Eigenschappen van vloeibaar water

Als je druppels kraanwater op schoon glas pipetteert en laat verdampen, blijven er nauwelijks zichtbare vlekken achter.

Het water van rivieren en beken, en de meeste meren, bevat verschillende onzuiverheden, bijvoorbeeld opgeloste zouten. Maar er zijn er maar weinig, omdat dit water zoet is.

Water stroomt op de grond en ondergronds, vult beken, meren, rivieren, zeeën en oceanen en creëert ondergrondse paleizen.

Soortgelijke formaties op de bodem van een grot worden stalagmieten genoemd.

En wanneer een stalactiet en stalagmiet samengroeien tot een stenen zuil, wordt dit een stalagnaat genoemd.

Water kan zich in alle drie de toestanden tegelijkertijd bevinden: er is altijd waterdamp in de lucht en in de wolken, die bestaan uit waterdruppels en ijskristallen.

Rijst. 11. Condensatie op de wanden van een koud glas ()

Het witte spoor achter een vliegtuig dat door de lucht vliegt, is ook het resultaat van watercondensatie.

Als je een spiegel naar je lippen brengt en uitademt, blijven er kleine druppeltjes water op het oppervlak achter, dit bewijst dat iemand bij het ademen waterdamp met de lucht inademt.

Rijst. 14. Een kolf met een buisje, het cijfer 1 en een lijn geven het initiële waterniveau aan

Rijst. 15. Een kolf met een buisje, het cijfer 2 en een lijn geven het waterniveau aan bij verhitting

Rijst. 16. Een kolf met slangetje, het cijfer 3 en een lijn geven het waterniveau aan tijdens het afkoelen

Rijst. 17. Watermoleculen bij normale temperatuur

Rijst. 18. Watermoleculen bij verhitting

Rijst. 19. Watermoleculen tijdens afkoelen

Niet alleen water, maar ook andere vloeistoffen (alcohol, kwik, benzine, kerosine) hebben dergelijke eigenschappen.

Kennis van deze eigenschap van vloeistoffen leidde tot de uitvinding van een thermometer (thermometer), die alcohol of kwik gebruikt.

Met deze eigenschap wordt rekening gehouden bij het leggen van waterleidingen, die moeten worden geïsoleerd zodat bij bevriezing het uit het water gevormde ijs de leidingen niet scheurt.

Bevriezing van water in de scheuren van wegen leidt tot de vernietiging van asfaltverharding.

Vakhrushev AA, Danilov DD De wereld om ons heen 3. M.: Ballas.
Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. De wereld om ons heen 3. M.: Fedorov Publishing House.
Pleshakov A.A. De wereld om ons heen 3. M.: Onderwijs.

Festival van Pedagogische Ideeën ().
Wetenschap en onderwijs ().
Openbare klasse ().

Maak een korte test (4 vragen met drie antwoordmogelijkheden) over het onderwerp ‘Water om ons heen’.
Voer een klein experiment uit: plaats een glas heel koud water op een tafel in een warme kamer. Beschrijf wat er zal gebeuren, leg uit waarom.
* Teken de beweging van watermoleculen in een verwarmde, normale en gekoelde toestand. Schrijf indien nodig bijschriften op uw tekening.

Water heeft verbazingwekkende eigenschappen die het enorm onderscheiden van andere vloeistoffen. Maar dit is goed, want als water ‘gewone’ eigenschappen zou hebben, zou planeet Aarde er compleet anders uitzien.

De overgrote meerderheid van stoffen heeft de neiging uit te zetten bij verhitting. Dat is vrij eenvoudig te verklaren vanuit de positie van de mechanische warmtetheorie. Volgens deze theorie beginnen de atomen en moleculen van een stof bij verhitting sneller te bewegen. In vaste stoffen bereiken atomaire trillingen grotere amplitudes en vereisen ze meer vrije ruimte. Als gevolg hiervan zet het lichaam uit.

Hetzelfde proces vindt plaats bij vloeistoffen en gassen. Dat wil zeggen, als gevolg van een temperatuurstijging neemt de snelheid van de thermische beweging van vrije moleculen toe en zet het lichaam uit. Bij afkoeling trekt het lichaam dienovereenkomstig samen. Dit is typisch voor vrijwel alle stoffen. Behalve water.

Bij afkoeling tussen 0 en 4°C zet water uit. En het krimpt bij verhitting. Wanneer de watertemperatuur 4°C bereikt, heeft het water op dit moment een maximale dichtheid, die gelijk is aan 1000 kg/m3. Als de temperatuur onder of boven dit merkteken ligt, is de dichtheid altijd iets minder.

Dankzij deze eigenschap vindt er, wanneer de luchttemperatuur in de herfst en winter daalt, een interessant proces plaats in diepe reservoirs. Wanneer het water afkoelt, zakt het dieper naar de bodem, maar slechts totdat de temperatuur +4°C bereikt. Het is om deze reden dat in grote watermassa’s kouder water dichter bij het oppervlak ligt en warmer water naar de bodem zinkt. Dus als het wateroppervlak in de winter bevriest, blijven de diepere lagen een temperatuur van 4°C handhaven. Dankzij dit moment kunnen de vissen veilig overwinteren in de diepten van met ijs bedekte reservoirs.

Impact van waterexpansie op het klimaat

De uitzonderlijke eigenschappen van water bij verhitting beïnvloeden het klimaat op aarde ernstig, aangezien ongeveer 79% van het oppervlak van onze planeet bedekt is met water. Door de zonnestralen worden de bovenste lagen verwarmd, die vervolgens lager zinken, en op hun plaats verschijnen koude lagen. Die worden op hun beurt geleidelijk warmer en zinken dichter naar de bodem.

De waterlagen veranderen dus voortdurend, wat resulteert in een uniforme verwarming totdat de temperatuur die overeenkomt met de maximale dichtheid wordt bereikt. Naarmate ze warmer worden, worden de bovenste lagen minder dicht en zinken ze niet meer naar beneden, maar blijven ze bovenaan en worden ze eenvoudigweg geleidelijk warmer. Door dit proces worden enorme waterlagen vrij gemakkelijk verwarmd door de zonnestralen.

De Japanse natuurkundige Masakazu Matsumoto heeft een theorie naar voren gebracht die verklaart waarom water krimpt in plaats van uitzet bij verhitting van 0 tot 4°C. Volgens zijn model bevat water microformaties - "vitrieten", dit zijn convexe holle veelvlakken, waarvan de hoekpunten watermoleculen bevatten en de randen waterstofbruggen zijn. Naarmate de temperatuur stijgt, concurreren twee fenomenen met elkaar: de verlenging van waterstofbruggen tussen watermoleculen en de vervorming van vitrieten, wat leidt tot een afname van hun holtes. In het temperatuurbereik van 0 tot 3,98°C domineert dit laatste fenomeen het effect van de verlenging van waterstofbruggen, wat uiteindelijk de waargenomen compressie van water oplevert. Er is nog geen experimentele bevestiging van het model van Matsumoto, evenals van andere theorieën die de compressie van water verklaren.

In tegenstelling tot de overgrote meerderheid van de stoffen kan water bij verhitting zijn volume verkleinen (Fig. 1), dat wil zeggen dat het een negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt heeft. We hebben het echter niet over het hele temperatuurbereik waarin water in vloeibare toestand voorkomt, maar slechts over een smal gedeelte: van 0°C tot ongeveer 4°C. Met B O Bij hogere temperaturen zet water, net als andere stoffen, uit.

Enige tijd geleden was de algemeen aanvaarde theorie die de vraag beantwoordde waarom water zijn volume vergroot naarmate de temperatuur daalt (Fig. 1) het model van een mengsel van twee componenten: "normaal" en "ijsachtig". Deze theorie werd voor het eerst voorgesteld in de 19e eeuw door Harold Whiting en werd later door veel wetenschappers ontwikkeld en verbeterd. Relatief recentelijk, in het kader van het ontdekte polymorfisme van water, werd Wietings theorie heroverwogen. Er wordt nu aangenomen dat er twee soorten ijsachtige nanodomeinen zijn in onderkoeld water: amorfe ijsachtige gebieden met hoge dichtheid en lage dichtheid. Het verwarmen van onderkoeld water leidt tot het smelten van deze nanostructuren en het verschijnen van twee soorten water: met een hogere en een lagere dichtheid. De sluwe temperatuurconcurrentie tussen de twee “kwaliteiten” van het resulterende water geeft aanleiding tot een niet-monotone afhankelijkheid van de dichtheid van de temperatuur. Deze theorie is echter nog niet experimenteel bevestigd.

De Japanse natuurkundige Masakazu Matsumoto besloot “vanaf het begin” een verklaring te vinden voor het hier besproken effect, waarbij hij de theorie van een mengsel van twee componenten verwierp. Met behulp van computersimulaties onderzocht hij de fysische eigenschappen van water over een breed temperatuurbereik - van 200 tot 360 K bij nuldruk - om op moleculaire schaal de ware redenen te begrijpen voor de uitzetting van water wanneer het afkoelt. Zijn artikel in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven het heet: Waarom zet water uit als het afkoelt? (“Waarom zet water uit als het afkoelt?”).

Voordat we het hebben over de resultaten van de Japanse natuurkundige, zullen we belangrijke opmerkingen en verduidelijkingen maken met betrekking tot de bovengenoemde drie factoren. Allereerst komt de gebruikelijke chemische formule van water, H 2 O, alleen overeen met de damptoestand ervan. In vloeibare vorm worden watermoleculen door waterstofbinding tot groepen (H 2 O) samengevoegd. X, Waar X- aantal moleculen. De energetisch meest gunstige combinatie van vijf watermoleculen ( X= 5) met vier waterstofbruggen, waarin de bindingen ontstaan evenwicht, zogenaamde tetraëdrische hoek, gelijk aan 109,47 graden (zie figuur 2).

Het effect van hoekvervorming van waterstofbruggen moet nog worden opgehelderd. En dit is waar het meest interessante en belangrijke begint. Zoals hierboven vermeld, hebben watermoleculen de neiging zich te verenigen, zodat de hoek tussen de waterstofbruggen tetraëdrisch is. Thermische trillingen van watermoleculen en interacties met andere moleculen die niet in het cluster zijn opgenomen, verhinderen dit echter, waardoor de hoek van de waterstofbinding afwijkt van de evenwichtswaarde van 109,47 graden. Om dit proces van hoekvervorming op een of andere manier kwantitatief te karakteriseren, bouwden Matsumoto en collega's voort op hun eerdere werk Topological Building Blocks of Hydrogen Bond Networks in Water, gepubliceerd in 2007 in Tijdschrift voor chemische fysica, veronderstelde het bestaan van driedimensionale microstructuren in water die lijken op convexe holle veelvlakken. Later, in volgende publicaties, noemden ze dergelijke microstructuren vitrines(Afb. 3). Daarin zijn de hoekpunten watermoleculen, de rol van randen wordt gespeeld door waterstofbruggen en de hoek tussen waterstofbruggen is de hoek tussen de randen in vitriet.

De compressie van water bij toenemende temperatuur wordt dus veroorzaakt door twee concurrerende effecten: de verlenging van waterstofbruggen, wat leidt tot een toename van het watervolume, en een afname van het volume van de holtes van gefrustreerde vitrieten. In het temperatuurbereik van 0 tot 4°C is het laatste fenomeen, zoals berekeningen hebben aangetoond, heerst, wat uiteindelijk leidt tot de waargenomen compressie van water bij toenemende temperatuur.

Het blijft wachten op experimentele bevestiging van het bestaan van vitrieten en hun gedrag. Maar dit is helaas een zeer moeilijke taak.