Yleensä kaikki aineet laajenevat lämmetessään ja kutistuvat jäähtyessään, mutta...

Yleensä kaikki aineet laajenevat lämmetessään ja kutistuvat jäähtyessään, mutta...

Yleensä kaikki aineet laajenevat lämmetessään ja kutistuvat jäähtyessään, mutta vesi laajenee muuttuessaan jääksi. Mistä tämä johtuu?

Entäpä sen jälkeen, kun vesi on jäätynyt. Jatkuuko laajeneminen koko ajan, kun lämpötila laskee esim. -1 asteesta -20 asteeseen, vai alkaako jää sitten kutistua kylmetessään?

Ja sama kysymys sulana pysyvästä vedestä: Miten tilavuus muuttuu kun vesi lämpenee +1 asteesta +20 asteeseen?

Vastaus

Vesi on käytöstavoiltaan ihmeellinen aine ja sen tutkiminen fysiikan keinoin jatkuu yhä. Yritän toimituksen tutun fyysikon selitysten pohjalta saada aikaiseksi tolkullisen vastauksen kysymykseesi veden käyttäytymisestä.

Kaiken takana on itse H2O-molekyyli. Se on mikkihiiren pään muotoinen molekyyli, jossa happi-atomi on päänä ja vedyt korvina. Koska hapella on molekyylissa pieni negatiivinen varaus ja vedyillä pieni positiivinen varaus, vesimolekyylit pyrkivät mielellään muodostamaan ryppäitä, joissa molekyylin happiatomin ja naapurimolekyylin vetyatomin välille muodostuu ns. vetysidos. Vesimolekyyliryppäiden geometrisesta muodosta (tetraedri-rakenne) johtuen ryppäät vievät enemmän tilaa, kuin toisistaan täysin irrallaan olevat vesimolekyylit. Lämpimässäkin vedessä ryppäitä syntyy ja hajoaa jatkuvasti lämpöliikkeen seurauksena, mutta kun lämpötila laskee kohti nollaa, vesimolekyyliryppäistä tulee koko ajan isompia ja pysyvämpiä. Veden jäätyessä, enemmän tilaa hamuavista ryppäistä tulee pysyviä säännöllisiä kiderakenteita, molekyylien vaatima kokonaistila kasvaa ja aineen (jään) tiheys pienenee.

Toinen seikka, joka vaikuttaa veden tiheyteen ja tilavuuteen on lämpöliike. Mitä korkeampi lämpötila, sitä enemmän vesimolekyyleillä on lämpöliikkeen liike-energiaa, ja sitä enemmän tilaa molekyylit vaativat. Vesi on tiheimmillään +4 celsius-asteessa. Toisin sanoen juuri siinä lämpötilassa vesimolekyyliryppäiden määrän ja lämpöliikkeen määrän yhteisvaikutus on pienimmillään.

Kun lämpötilaa kasvatetaan +4 asteesta ylöspäin, lämpöliike vilkastuu, molekyylien liikkeen vaatima tila kasvaa ja veden tiheys pienenee. Näissä lämpötiloissa veden tiheyskäyttäytymisen määrää siis ensisijaisesti lämpöliikkeen määrä.

Kun vesi on +4 asteessa, tilaa vaativa lämpöliike on hidastunut, mutta tilavuutta kasvattavat ryppäät eivät ole vielä ehtineet kiteytyä. Vesi on nyt tiheimmillään. Kun lämpötila lasketaan kohti nollaa, niin lämpöliike yhä pienenee ja samalla vesimolekyyliryppäistä tulee koko ajan isompia ja pysyvämpiä. Nyt veden tiheyskäyttäytymisen määrääkin ryppäiden määrä.

Nollassa asteessa molekyylien lämpöliike on sitten niin pientä, että kaikki molekyylit ovat kiderakenteessa paikoil-laan pienen pientä värähtelyä lukuun ottamatta. Ja kuten sanottu, tuo säännöllinen kiderakenne siis vie enemmän tilaa kuin vapaat vesimolekyylit. Siksi jään tilavuus on suurempi kuin veden. Nolla-asteessa jään tiheys on n. 91,7% +4-asteisen veden tiheydestä. Lämpötilan laskiessa nollasta alaspäin kiderakenne säilyy, mutta lämpövärähtely yhä pienenee ja samoin käy tilavuuden, ja tällöin tiheys vähän kasvaa. Esim. lämpötilassa -180 astetta jää on hieman kutistunut ja tiheys on 93,4% +4 asteisen veden tiheydestä. Tiheys on kuitenkin edelleen selvästi pienempi kuin nestemäisellä vedellä.

Kommentit (0)

Vastauksesi