คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ว่าทำไมน้ำแข็งถึงลอยอยู่ในน้ำที่เป็นของเหลว

ทำไมน้ำแข็งจึงลอยอยู่เหนือน้ำแทนที่จะจมเหมือนของแข็งส่วนใหญ่? คำตอบสำหรับคำถามนี้มีอยู่สองส่วน ขั้นแรกเราจะค้นหาว่าทำไมบางสิ่งถึงลอยได้ จากนั้นเราจะตรวจสอบว่าเหตุใดน้ำแข็งจึงลอยอยู่เหนือน้ำที่เป็นของเหลวแทนที่จะจมลงสู่ก้นบึ้ง

ทำไมน้ำแข็งถึงลอยได้?

สารจะลอยได้หากมีความหนาแน่นน้อยกว่าหรือมีมวลต่อหน่วยปริมาตรน้อยกว่าส่วนประกอบอื่นๆ ในส่วนผสม ตัวอย่างเช่น หากโยนก้อนหินหนึ่งกำมือลงในถังน้ำ หินซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจะจมลง น้ำซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าหินจะลอยได้ โดยทั่วไปหินจะดันน้ำออกจากภาชนะหรือแทนที่ การที่วัตถุจะลอยได้นั้นจะต้องแทนที่น้ำหนักของของเหลวให้เท่ากับน้ำหนักของมันเอง

น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4°C (40°F) เมื่อเย็นลงและกลายเป็นน้ำแข็ง ซึ่งจริงๆ แล้วมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ สำหรับสสารส่วนใหญ่ ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นในสถานะของแข็ง (แช่แข็ง) นั่นคือ มักจะมีความหนาแน่นมากกว่าในสถานะของเหลว น้ำแตกต่างกันเนื่องจากพันธะไฮโดรเจน

โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโควาเลนต์ โมเลกุลของน้ำยังดึงดูดกันด้วยพันธะเคมีที่อ่อนกว่าพันธะโควาเลนต์มาก เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน แรงดึงดูดนี้เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งมีประจุบวกกับอะตอมของออกซิเจนของโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งมีประจุเป็นลบ เมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 4 °C พันธะไฮโดรเจนจะจัดเรียงตัวใหม่เพื่อแยกอะตอมออกซิเจนที่มีประจุลบออกจากกัน ทั้งหมดนี้ก่อให้เกิดโครงข่ายของผลึกที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นน้ำแข็ง

น้ำแข็งลอยได้เพราะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่เป็นของเหลวประมาณ 9% กล่าวอีกนัยหนึ่ง น้ำแข็งใช้พื้นที่มากกว่าน้ำประมาณ 9% ดังนั้นน้ำแข็งหนึ่งลิตรจึงมีน้ำหนักน้อยกว่าน้ำหนึ่งลิตร น้ำที่หนักกว่าจะแทนที่น้ำแข็งที่เบากว่า ดังนั้นน้ำแข็งจึงลอยอยู่บนผิวน้ำ ผลที่ตามมาจากสิ่งนี้เห็นได้ในทะเลสาบและแม่น้ำ ซึ่งกลายเป็นน้ำแข็งจากด้านบนลงล่าง ทำให้ปลาสามารถอยู่รอดได้แม้ว่าพื้นผิวของทะเลสาบจะเป็นน้ำแข็งก็ตาม หากน้ำแข็งจม น้ำจะเคลื่อนตัวขึ้นสู่ผิวน้ำและสัมผัสกับอุณหภูมิที่เย็นกว่า ทำให้แม่น้ำและทะเลสาบกลายเป็นน้ำแข็ง

น้ำแข็งที่มีน้ำหนักมากจะจมลงในน้ำที่เป็นของเหลว

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่น้ำทั้งหมดที่อยู่ในรูปน้ำแข็งหรือในสถานะของแข็งที่ลอยอยู่บนผิวน้ำปกติ น้ำแข็งที่ทำขึ้นจากน้ำหนัก ซึ่งก็คือไอโซโทปของไฮโดรเจน ดิวเทอเรียม จะจมอยู่ในน้ำธรรมดา พันธะไฮโดรเจนยังคงเกิดขึ้นในน้ำประเภทนี้ แต่มีจำนวนไม่เพียงพอที่จะชดเชยความแตกต่างของมวลระหว่างน้ำปกติและน้ำหนัก ดังนั้นน้ำแข็งที่มีน้ำหนักมากจึงจมอยู่ในน้ำที่เป็นของเหลว