Аномальные свойства воды при замерзании
Цель: Изучение причин изменения плотности воды при снижении температуры.
Вода - одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Известно, что за незатейливой химической формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух с лишним столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас ученые понимают, что вода остается трудным объектом для исследований, ее свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.
Наличием водородных связей обусловлены уникальные свойства воды.
Трехатомная молекула Н2О образует четыре водородные связи. В их образовании принимают участие оба атома водорода, а атом кислорода, имеющий две неподеленные электронные пары, образует две водородные связи с атомами водорода соседних молекул воды.
Хаотичное сообщество газообразных молекул воды при конденсации, формирует жидкое вещество удивительной
сложности. Молекулы воды объединяются в кластеры (группы) (Н2О)x. В жидкой воде они связаны между собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом, образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность становится все больше и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец, образуется лед, который имеет упорядоченную структуру.
В кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем этих пустот больше, чем размер отдельной молекулы Н2О. 
Поэтому лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности воды. Большинство же других веществ при замерзании увеличивает свою плотность.
Объект исследования: Дистиллированая вода.
Направления исследования:
1. Наблюдения за изменением плотности воды при снижении температуры через каждые 5 мин.
2. Расчет объема пустоты между молекулами воды в кристаллической решетке льда.
3. Вычисление среднего количества молекул жидкой воды в кластере при различных температурах.
Результаты исследования:
1. От 100оС до 40оС плотность воды увеличивается. Скорость снижения плотности уменьшается с понижением температуры. От 40оС до 4 oС плотность меняется незначительно, нестабильно, скачкообразно. Наибольшее значение (1,00 г/мл) она имеет при температуре 4 oС. Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности.
2. Объем пустоты между молекулами воды в кристаллической решетке льда больше, чем размер отдельной молекулы Н2О приблизительно в 1,5 раза. Однако форма пустоты вытянута, что препятствует проникновению в нее даже малых молекул.
3.При температуре 4оС общая формула кластера Н14О7 , а при комнатной температуре среднее между Н8О4.
Выводы: Образование кластеров и пустот в них объясняет расширение воды при замерзании. Отсутствие в пустотах материальных частиц не отрицает сохранение в них полей и волн, т.е., кластер может быть хранителем
информации.
Заключение: Результаты исследования могут быть полезны в расшифровке структуры воды. Особенности образования кластеров и кристаллической решетки льда, вытеснять все растворенные в ней вещества могут быть применимы в разработке установок по очистке воды путем неполного замораживания.
Автор: Захаренкова Наталья
Руководитель: Петролай Валентина Сафроновна
Более подробно узнать об аномальных свойствах воды при замерзании можно изучив исследовательскую работу Натальи и её презентацию. Тезисы её доклада размещены в сборнике "XXXIII Всероссийская научно-практическая конференция школьников по химии" - СПбГУ: 2009.
