Почему вода при плавлении сжимается, а золото, свинец и т. д. при плавлении расширяются?

Это связано с кристаллической структурой твердых тел. Когда вода замерзает, молекулы образуют различные структуры кристаллов, которые имеют пустые промежутки, из-за чего твердое тело становится примерно на 9% больше по объему, чем жидкость. Металлы обычно образуют кристаллы, когда они замерзают, но они часто являются более простыми кристаллами, если хотите, и зачастую в них не так много пустого пространства, как во льду/снеге.

Фазовый переход плавления превращает дальнеупорядоченную кристаллическую структуру твердого тела в ближнеупорядоченную среднюю жидкую структуру. Глядя на процесс со стороны твердого тела, плавление можно рассматривать как драматический эффект коллективного накопления дефектов в твердом теле в ограниченном интервале температур, в конечном итоге разрушающий дальний порядок в точке плавления.

Изменение плотности при плавлении можно объяснить видом преобладающих дефектов, а они, в свою очередь, зависят от структуры твердого тела. В частности, материалы, характеризующиеся почти изотропными взаимодействиями между молекулами, кристаллизуются в компактные трехмерные структуры, подобные гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре. В таком случае доминирующим эффектом экспоненциального роста дефектов при переходе плавления является резкое уменьшение плотности при переходе от твердого к жидкому.

Ситуация обратная в таких материалах, как вода и такие элементы, как висмут или кремний, где молекулярные или атомные взаимодействия сильно анизотропны. В случае воды форма молекулы и важная роль водородной связи благоприятствуют открытой структуре кристалла точно так же, как анизотропное взаимодействие между атомами кремния способствует открытой структуре алмаза. В точке плавления наиболее частые дефекты в таких открытых структурах вызывают локальный и глобальный коллапс кристаллической структуры, создавая условия для жидкой фазы с более высокой плотностью, чем сосуществующее твердое тело.

Таким образом, причина увеличения плотности при температуре плавления некоторых материалов, таких как вода, может быть прослежена до присутствия доминирующих анизотропных взаимодействий, способствующих открытой кристаллической структуре в твердой фазе.

Вы можете попытаться найти сходство между водой и висмутом, которые расширяются при затвердевании. Большинство других материалов сжимаются при затвердевании.

В основном это зависит от кристаллической структуры. Вода в виде льда имеет кристаллическую структуру, которая занимает больше места, чем жидкая вода.

Причина связана с водородными связями, определяющими структуру льда. Молекулы воды во льду расположены в виде клетки с довольно полыми промежутками между ними благодаря водородным связям, показанным пунктирными линиями:

Когда лед тает, поступающая энергия помогает разорвать эти водородные связи, и молекулы воды сближаются, что увеличивает плотность воды или «сжимает ее». Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура воды не достигнет примерно 4 градусов по Цельсию, при которой вода имеет наибольшую плотность. После этого вода расширяется, как и любая другая жидкость.
Это свойство имеет интересное, но не менее важное применение в природе. Поскольку лед менее плотный, чем вода, он всплывает на поверхность водоемов и действует как теплоизолятор для подводного мира. Это благо для водных животных и рыб в суровые зимы.
Это также объясняет другие свойства воды, такие как необычно высокая скрытая теплота плавления и удельная теплоемкость.

Структура льда происходит от водородных связей. Это происходит потому, что электроны сильнее притягиваются к атому кислорода, поэтому этот атом слегка отрицателен, тогда как атомы водорода становятся слегка положительными. Вы можете думать, что электроны проводят больше времени рядом с атомом кислорода. Если совместить это с мелкой V-образной формой молекулы воды, в результате получится, что молекулы соединяются вместе с атомами водорода одной молекулы рядом с атомами кислорода других молекул.

Полученная структура не является наименьшей возможной упаковкой молекул. Вода плотнее льда, потому что в воде молекулы могут перемещаться в положения, где упаковка более плотная. Когда температура воды повышается примерно до 4°C, эффективность водородных связей снижается, поскольку молекулы движутся быстрее, поэтому вода продолжает сжиматься. Выше этой температуры скорость молекул и столкновения между ними вызывают расширение, как и для большинства веществ.

При очень высоких давлениях силы водородных связей во льду могут быть преодолены, и могут существовать другие, более плотные формы льда.

Это как-то связано с тем, что вода является несколько необычным соединением, более плотным и, следовательно, занимает меньше места в жидком состоянии, чем в твердом. Большее давление вынуждает материал занимать меньший объем, а жидкая вода занимает меньший объем, чем твердая вода.

Если кто-то хочет дать более подробную информацию, не стесняйтесь, но я думаю, что это суть.

С термодинамической точки зрения следует рассматривать уравнение Клаузиуса-Клапейрона: dp/dT=lambda/[T(V2-V1)]

где лямбда — теплота превращения, p, T и V — обычные значения.

На фазовой диаграмме pT чистой H2O кривая равновесия, отделяющая обычный лед от воды, имеет отрицательный наклон и, следовательно, dp/dT<0.

Когда вы растапливаете лед, вы должны выделять тепло, и, следовательно, лямбда положительна; очевидно Т>0.

Тогда (V2-V1) должно быть отрицательным, то есть V1 (объем льда) > V2 (объем воды).

Вообще говоря, когда кривая равновесия, отделяющая жидкую фазу от твердой, имеет вид dp/dT<0, вы имеете больший объем в твердом теле; обратное для dp/dT>0.