Почему плотность льда меньше плотности жидкой воды при переходе из жидкого состояния в кристаллическое состояние?

Когда вода переходит из жидкого состояния в кристаллическое состояние (т.е., превращается в лед), происходят определенные структурные изменения внутри водных молекул. Чтобы понять, почему плотность льда меньше плотности жидкой воды, нам нужно изучить особенности атомной и молекулярной структуры вещества.

Молекулы воды состоят из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. В жидкой воде молекулы свободно движутся, сближаются и отдаляются друг от друга, образуя некоторую структуру, в которой межмолекулярные силы уравновешиваются. У этой структуры относительно низкая плотность, поэтому жидкая вода обладает плотностью, меньшей, чем плотность льда.

При охлаждении воды до температуры замерзания, происходит формирование кристаллической структуры водных молекул. Вода превращается в лед, и каждая молекула воды становится частью регулярной трехмерной решетки с кристаллическими связями между соседними молекулами. В этой решетке межмолекулярные силы становятся более упорядоченными и сильными, что обуславливает изменение структуры и свойства вещества.

Кристаллическая решетка льда имеет относительно больший объем, чем нерегулярное расположение молекул в жидкой воде. Вода при замерзании расширяется и формирует кристаллическую структуру, которая имеет определенное пространство между молекулами. Из-за этого пространства между молекулами объем льда больше, чем объем жидкой воды с тем же количеством молекул.

Таким образом, образование кристаллической решетки при замерзании воды приводит к увеличению объема льда и, соответственно, уменьшению плотности. Это объясняет, почему плотность льда меньше плотности жидкой воды в процессе перехода из жидкого состояния в кристаллическое состояние.