Γιατί ο πάγος επιπλέει στο νερό;

Το νερό είναι λιγότερο πυκνό στην παγωμένη του μορφή, τον πάγο, από ό,τι στην υγρή του μορφή. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια στον πάγο είναι πιο μακριά από τα μόρια του υγρού νερού. Τα μόρια στον πάγο διατηρούνται πιο μακριά από τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ατόμων οξυγόνου και υδρογόνου.

Από τα γιγάντια παγόβουνα μέχρι τους μικροσκοπικούς κύβους, ο πάγος - η παγωμένη μορφή του νερού - επιπλέει πάντα στην υγρή του μορφή. Δεν είναι περίεργο;

Δεν είμαστε οι μόνοι που πιστεύουμε ότι είναι ασυνήθιστο. ολόκληρος ο κόσμος βρίσκει μάλλον περίεργο το γεγονός ότι ένα στερεό πρέπει να επιπλέει στην υγρή του μορφή. Κάντε μια γρήγορη αναζήτηση στο Google και θα βρείτε δεκάδες σελίδες που συζητούν αυτήν την queer τάση του πάγου.

Όπως αποδεικνύεται, όπως όλα τα άλλα, υπάρχει ένας επιστημονικός λόγος πίσω από αυτό το φαινόμενο. Αλλά πρώτα, ας ξεκαθαρίσουμε τι κάνει τα πράγματα να βυθίζονται ή να επιπλέουν.

Ο μοναδικός εμπειρικός κανόνας, όταν πρόκειται για την ικανότητα ενός αντικειμένου να επιπλέει στο νερό (ή οποιοδήποτε άλλο υγρό), αφορά την πυκνότητα του εν λόγω αντικειμένου. Έχετε ακούσει ποτέ για την Αρχή του Αρχιμήδη;

Αρχή του Αρχιμήδη δηλώνει ότι για να επιπλεύσει ένα αντικείμενο στο νερό, πρέπει να εκτοπίσει ίση ποσότητα νερού. Με άλλα λόγια, μπορείτε να πείτε ότι η μοίρα ενός αντικειμένου σε ένα σώμα νερού αποφασίζεται από την Αρχή του Αρχιμήδη.

Είναι γνωστό ότι τα στερεά αντικείμενα έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα από τα υγρά αντίστοιχά τους. Χημικά, αυτό έχει επίσης νόημα. Τα μόρια συνδέονται πιο στενά μεταξύ τους με έναν καλά καθορισμένο τρόπο σε ένα στερεό, γεγονός που τα καθιστά άκαμπτα και τους δίνει περισσότερο βάρος. Όλες οι κοινές ουσίες που βλέπουμε και παρατηρούμε στην καθημερινή ζωή ακολουθούν αυτή τη βασική αρχή:τα στερεά αντικείμενα είναι πιο πυκνά και έχουν μεγαλύτερο βάρος από τα υγρά.

Δεδομένου αυτού, γιατί ο πάγος – που είναι στερεό – επιπλέει στο νερό; Δεν θα έπρεπε να βυθίζεται, ως στερεό, και σύμφωνα με τη γενική σύμβαση, να έχει επίσης μεγαλύτερη πυκνότητα;

Λίγες πληροφορίες για το νερό

Το νερό είναι ένα υπέροχο υγρό και γεμάτο ασυνήθιστες συμπεριφορές και χημικές δομές, γι' αυτό και αποτελεί μια ενδιαφέρουσα εξαίρεση στη γενική συμπεριφορά των στερεών που επιπλέουν πάνω από τις υγρές τους μορφές.

Εάν συνεχίσετε να ψύχετε ένα υγρό, η πυκνότητά του συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι να γίνει στερεό, όπου αποκτά τη μέγιστη πυκνότητα. Ωστόσο, στην περίπτωση του νερού, αυτή η τάση είναι ελαφρώς διαφορετική, που είναι η βασική αιτία όλης αυτής της συζήτησης.

Η πυκνότητα του νερού αυξάνεται καθώς συνεχίζετε να το ψύχετε. αλλά σε αντίθεση με άλλα υγρά, που έχουν την υψηλότερη πυκνότητα όταν παγώνουν, το νερό επιτυγχάνει τη μέγιστη πυκνότητα όταν η θερμοκρασία του φτάσει τους 4 βαθμούς Κελσίου (39,2 βαθμούς Φαρενάιτ).

Ένα γράφημα που δείχνει πώς η πυκνότητα ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία

Εάν συνεχίσετε να ψύχετε το νερό πάνω από 4 βαθμούς Κελσίου, η πυκνότητά του αρχίζει να πέφτει κατακόρυφα (μπορείτε να το δείτε στο γράφημα). Στους μηδέν βαθμούς, δηλαδή στη θερμοκρασία στην οποία το νερό μετατρέπεται σε πάγο, η πυκνότητα του νερού είναι στην πραγματικότητα αρκετά χαμηλή.

Αποδεικνύεται ότι ο πάγος έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό και κάθε αντικείμενο που έχει μικρότερη πυκνότητα από την υγρή μορφή στην οποία φυλάσσεται (σε ​​αυτήν την περίπτωση, το νερό) θα μπορεί να επιπλέει!

Αλλά γιατί η πυκνότητα του πάγου είναι μικρότερη από το νερό;

Για να απαντήσετε σε αυτό, θα πρέπει να εξετάσετε τη χημική δομή του νερού.

Ένα μόριο νερού αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου

Τα αρνητικά φορτισμένα άτομα οξυγόνου συνδέονται ισχυρά με άτομα υδρογόνου, σχηματίζοντας έναν ισχυρό δεσμό υδρογόνου.

Όταν ένα υγρό ψύχεται, όλο και περισσότερα μόρια έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους και πρέπει να τοποθετηθούν σε μικρότερη περιοχή. Αυτό δίνει στα περισσότερα στερεά περισσότερη πυκνότητα από την υγρή τους μορφή. Ωστόσο, στην περίπτωση του νερού, τα αρνητικά φορτισμένα άτομα οξυγόνου απωθούνται μεταξύ τους (όταν συγκεντρώνονται σε μικρότερο χώρο) για να αποτρέψουν τον πάγο από το να γίνει πιο πυκνός. Αυτός είναι ο λόγος που η πυκνότητα μειώνεται στην πραγματικότητα καθώς η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει κάτω από τους 4 βαθμούς Κελσίου.