Tabla de Contenidos
Dlaczego lód unosi się na powierzchni wody zamiast tonąć jak większość ciał stałych? Odpowiedź na to pytanie składa się z dwóch części: najpierw dowiemy się, dlaczego coś pływa, a następnie zbadamy, dlaczego lód unosi się na powierzchni wody w stanie ciekłym, zamiast opadać na dno.
Dlaczego lód pływa?
Substancja pływa, jeśli jest mniej gęsta lub ma mniejszą masę na jednostkę objętości niż inne składniki mieszaniny. Na przykład, jeśli garść kamieni zostanie wrzucona do wiadra z wodą, skały, które są gęstsze w porównaniu do wody, opadną. Woda, która jest mniej gęsta niż skały, będzie się unosić. Zasadniczo skały wypychają wodę z pojemnika lub ją wypierają. Aby przedmiot unosił się na wodzie, musi wyprzeć ciężar płynu równy jego własnemu ciężarowi.
Woda osiąga maksymalną gęstość w temperaturze 4°C (40°F). Gdy robi się zimniej i zamarza, zamienia się w lód, który w rzeczywistości jest mniej gęsty niż woda. W przypadku większości substancji gęstość wzrasta w stanie stałym (zamrożonym), to znaczy są one zwykle bardziej gęste niż w stanie ciekłym. Woda jest inna ze względu na wiązania wodorowe.
Cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru połączonych ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi. Cząsteczki wody przyciągają się również wiązaniami chemicznymi znacznie słabszymi niż kowalencyjne, zwanymi wiązaniami wodorowymi . To przyciąganie zachodzi między atomami wodoru, które mają ładunki dodatnie, a atomami tlenu sąsiednich cząsteczek wody, które mają ładunki ujemne. Gdy woda ochładza się poniżej 4°C, wiązania wodorowe przestawiają się, aby oddzielić ujemnie naładowane atomy tlenu. Wszystko to tworzy sieć kryształów powszechnie zwaną lodem.
Lód pływa, ponieważ ma około 9% mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym. Innymi słowy, lód zajmuje około 9% więcej miejsca niż woda, więc litr lodu waży mniej niż litr wody. Cięższa woda wypiera lżejszy lód, więc lód unosi się na powierzchni wody. Jedną z konsekwencji tego są jeziora i rzeki, które zamarzają od góry do dołu, co pozwala rybom przetrwać nawet wtedy, gdy powierzchnia jeziora jest zamarznięta. Gdyby lód opadł, woda wypłynęłaby na powierzchnię i zostałaby wystawiona na działanie niższych temperatur, powodując zamarznięcie rzek i jezior.
Ciężki lód wodny tonie w ciekłej wodzie
Jednak nie cała woda w postaci lodu lub w stanie stałym unosi się na powierzchni normalnej wody. Lód sporządzony z ciężkiej wody, to znaczy zawierającej deuter, izotop wodoru, tonie w zwykłej wodzie. Wiązania wodorowe nadal występują w tego rodzaju wodzie, ale nie w wystarczającej liczbie, aby zrekompensować różnicę masy między normalną wodą a ciężką wodą. Dlatego ciężki lód wodny tonie również w wodzie ciekłej.
