بلوک‌های یخی قطبی و کوه‌های یخ در اقیانوس حرکت می‌کنند، و حتی در نوشیدنی‌ها یخ هرگز به ته نمی‌رود. می توان نتیجه گرفت که یخ در آب فرو نمی رود. چرا؟ اگر در مورد آن فکر کنید، این سوال ممکن است کمی عجیب به نظر برسد، زیرا یخ جامد است و - به طور شهودی - باید سنگین تر از مایع باشد. در حالی که این جمله برای اکثر مواد صادق است، آب از این قاعده مستثنی است. آب و یخ با پیوندهای هیدروژنی متمایز می شوند که باعث می شود یخ در حالت جامد سبک تر از حالت مایع باشد.
سوال علمی: چرا یخ در آب فرو نمی رود
بیایید تصور کنیم که در کلاس سوم درسی به نام "دنیای اطراف" هستیم. معلم از بچه ها می پرسد: «چرا یخ در آب فرو نمی رود؟» و بچه ها که دانش عمیقی در فیزیک ندارند شروع به استدلال می کنند. "شاید این جادو است؟" یکی از بچه ها می گوید.
در واقع، یخ بسیار غیرعادی است. عملا هیچ ماده طبیعی دیگری وجود ندارد که در حالت جامد بتواند روی سطح مایع شناور باشد. این یکی از ویژگی هایی است که آب را به یک ماده غیرعادی تبدیل می کند و رک و پوست کنده، این چیزی است که مسیر تکامل سیاره را تغییر می دهد.
برخی از سیارات هستند که حاوی مقادیر زیادی هیدروکربن های مایع مانند آمونیاک هستند - اما وقتی یخ می زند، این ماده به ته می رود. علت فرو نرفتن یخ در آب این است که وقتی آب یخ می زند منبسط می شود و به همراه آن از چگالی آن کاسته می شود. جالب است که گسترش یخ می تواند سنگ ها را بشکند - فرآیند یخبندان آب بسیار غیر معمول است.
از نظر علمی، فرآیند انجماد چرخه های هوازدگی سریع را ایجاد می کند و مواد شیمیایی خاصی که بر روی سطح آزاد می شوند می توانند مواد معدنی را حل کنند. به طور کلی، فرآیندها و احتمالاتی در ارتباط با انجماد آب وجود دارد که خواص فیزیکی سایر مایعات دلالت بر آن ندارند.
تراکم یخ و آب
بنابراین پاسخ به این که چرا یخ در آب فرو نمی‌رود اما روی سطح شناور می‌شود این است که چگالی کمتری نسبت به مایع دارد - اما این یک پاسخ سطح اول است. برای درک بهتر، باید بدانید چرا یخ چگالی کم دارد، چرا چیزها در وهله اول شناور هستند، چگونه چگالی منجر به شناور شدن می شود.
ارشمیدس نابغه یونانی را به یاد بیاورید که متوجه شد پس از غوطه ور کردن جسم خاصی در آب، حجم آب به اندازه حجم جسم غوطه ور شده افزایش می یابد. به عبارت دیگر، اگر ظرف عمیقی را روی سطح آب قرار دهید و سپس جسم سنگینی را در آن قرار دهید، حجم آبی که در ظرف ریخته می شود دقیقاً برابر با حجم جسم خواهد بود. فرقی نمی کند که جسم کاملاً زیر آب باشد یاجزئی.
خواص آب
آب ماده شگفت انگیزی است که اساساً زندگی روی زمین را تغذیه می کند، زیرا هر موجود زنده ای به آن نیاز دارد. یکی از مهمترین خواص آب این است که در دمای 4 درجه سانتی گراد بیشترین چگالی را دارد. بنابراین، آب گرم یا یخ چگالی کمتری نسبت به آب سرد دارد. مواد با چگالی کمتر بر روی مواد چگال تر شناور می شوند.
به عنوان مثال، هنگام تهیه سالاد، متوجه خواهید شد که روغن روی سطح سرکه است - این را می توان با این واقعیت توضیح داد که چگالی کمتری دارد. همین قانون برای توضیح اینکه چرا یخ در آب فرو نمی رود بلکه در بنزین و نفت سفید فرو می رود نیز معتبر است. فقط این دو ماده چگالی کمتری نسبت به یخ دارند. بنابراین، اگر یک توپ بادی را به داخل استخر بیندازید، روی سطح شناور می شود، اما اگر یک سنگ را در آب بیندازید، به ته می رود.
چه تغییراتی در آب هنگام یخ زدن اتفاق می افتد
دلیل فرو نرفتن یخ در آب به دلیل پیوندهای هیدروژنی است که با یخ زدن آب تغییر می کند. همانطور که می دانید آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. آنها توسط پیوندهای کووالانسی که فوق العاده قوی هستند به هم متصل می شوند. با این حال، نوع دیگری از پیوند که بین مولکول های مختلف تشکیل می شود، به نام پیوند هیدروژنی، ضعیف تر است. این پیوندها به این دلیل تشکیل می‌شوند که اتم‌های هیدروژن با بار مثبت به اتم‌های اکسیژن با بار منفی مولکول‌های آب همسایه جذب می‌شوند.
وقتی آب گرم است، مولکول ها بسیار فعال هستند،حرکت زیادی داشته باشد، به سرعت پیوندهایی با سایر مولکول های آب تشکیل و تجزیه می شود. آنها انرژی نزدیک شدن به یکدیگر و حرکت سریع را دارند. پس چرا یخ در آب فرو نمی رود؟ شیمی پاسخ را پنهان می کند.
شیمی فیزیک یخ
با کاهش دمای آب به زیر ۴ درجه سانتی گراد، انرژی جنبشی مایع کاهش می یابد، بنابراین مولکول ها دیگر حرکت نمی کنند. آنها انرژی لازم برای حرکت را ندارند و به راحتی در دمای بالا شکسته می شوند و پیوند ایجاد می کنند. در عوض، پیوندهای هیدروژنی بیشتری با مولکول‌های دیگر آب تشکیل می‌دهند تا ساختارهای شبکه‌ای شش ضلعی را تشکیل دهند.
آنها این ساختارها را تشکیل می دهند تا مولکول های اکسیژن با بار منفی را از هم جدا نگه دارند. در وسط شش ضلعی هایی که در نتیجه فعالیت مولکول ها به وجود آمده اند، خلاء زیادی وجود دارد.
فرو رفتن یخ در آب - دلایل
یخ در واقع 9٪ کمتر از آب مایع چگالی دارد. بنابراین، یخ فضای بیشتری را نسبت به آب اشغال می کند. عملاً این منطقی است زیرا یخ منبسط می شود. به همین دلیل است که منجمد کردن یک بطری شیشه ای آب توصیه نمی شود - آب یخ زده می تواند ترک های بزرگی را حتی در بتن ایجاد کند. اگر یک بطری لیتری یخ و یک بطری لیتری آب دارید، یک بطری آب یخ راحت تر خواهد بود. مولکول ها در این نقطه از هم دورتر از زمانی هستند که ماده در حالت مایع است. به همین دلیل یخ در آب فرو نمی‌رود.
وقتی یخ آب می شودساختار بلوری پایدار شکسته شده و متراکم تر می شود. هنگامی که آب تا 4 درجه سانتیگراد گرم می شود، انرژی می گیرد و مولکول ها سریعتر و دورتر حرکت می کنند. به همین دلیل است که آب گرم فضای بیشتری را نسبت به آب سرد اشغال می کند و روی آب سرد شناور می شود - چگالی کمتری دارد. به یاد داشته باشید وقتی در دریاچه هستید، هنگام شنا، لایه بالایی آب همیشه خوب و گرم است، اما وقتی پاهای خود را پایین می گذارید، سردی لایه زیرین را احساس می کنید.
اهمیت فرآیند انجماد آب در عملکرد سیاره
علیرغم اینکه سوال "چرا یخ در آب فرو نمی رود؟" برای درجه 3، بسیار مهم است که بفهمیم چرا این روند اتفاق می افتد و چه معنایی برای سیاره دارد. بنابراین، شناوری یخ پیامدهای مهمی برای حیات روی زمین دارد. دریاچه‌ها در زمستان در مکان‌های سرد یخ می‌زنند - این به ماهی‌ها و سایر آبزیان اجازه می‌دهد در زیر ورقه یخ زنده بمانند. اگر کف دریاچه یخ زده باشد، احتمال زیادی وجود دارد که کل دریاچه یخ زده باشد.
در چنین شرایطی، حتی یک موجود زنده زنده نمی ماند.
اگر چگالی یخ بیشتر از چگالی آب بود، اقیانوس‌ها در یخ فرو می‌رفتند و کلاهک‌های یخی که در انتهای آن قرار می‌گرفتند اجازه نمی‌دادند کسی در آنجا زندگی کند. ته اقیانوس پر از یخ خواهد بود - و همه آن به چه چیزی تبدیل می شود؟ در میان چیزهای دیگر، یخ قطبی مهم است زیرا نور را منعکس می کند و سیاره زمین را از داغ شدن بیش از حد جلوگیری می کند.
