Ο πάγος και η πυκνότητα του νερού

Γιατί ο πάγος επιπλέει πάνω από το νερό, αντί να βυθίζεται όπως τα περισσότερα στερεά; Υπάρχουν δύο σκέλη στην απάντηση σε αυτή την ερώτηση. Πρώτον, ας ρίξουμε μια ματιά στο γιατί οτιδήποτε επιπλέει. Στη συνέχεια, εξετάστε γιατί ο πάγος επιπλέει στην κορυφή του υγρού νερού, αντί να βυθιστεί στον πυθμένα.

Μια ουσία επιπλέει αν είναι λιγότερο πυκνή ή έχει μικρότερη μάζα ανά μονάδα όγκου, σε σχέση με άλλα συστατικά ενός μείγματος. Για παράδειγμα, αν πετάξετε μια χούφτα βράχων σε έναν κάδο νερού, τα βράχια, τα οποία είναι πυκνός σε σύγκριση με το νερό, θα βυθιστεί. Το νερό, το οποίο είναι λιγότερο πυκνό από τα βράχια, θα επιπλέει. Βασικά, τα βράχια σπρώχνουν το νερό από το δρόμο ή το μετατοπίζουν. Για να μπορεί ένα αντικείμενο να επιπλέει, πρέπει να μετατοπίσει ένα βάρος υγρού ίσο με το βάρος του.

Το νερό φθάνει τη μέγιστη πυκνότητά του στους 4 ° C (40 ° F). Καθώς ψύχεται περαιτέρω και παγώνει σε πάγο, στην πραγματικότητα γίνεται λιγότερο πυκνός. Από την άλλη πλευρά, οι περισσότερες ουσίες είναι πιο πυκνές στην στερεή (κατεψυγμένη) τους κατάσταση από ότι στην υγρή τους κατάσταση. Το νερό είναι διαφορετικό λόγω του

ΕΝΑ μόριο νερού είναι κατασκευασμένο από ένα οξυγόνο άτομο και δύο άτομα υδρογόνου ενωμένα μεταξύ τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Τα μόρια νερού προσελκύονται επίσης μεταξύ τους από ασθενέστερους χημικούς δεσμούς (δεσμούς υδρογόνου) μεταξύ του θετικά φορτισμένου υδρογόνου άτομα και το αρνητικά φορτισμένο άτομα οξυγόνου των γειτονικών μορίων νερού. Καθώς το νερό ψύχεται κάτω από τους 4 ° C, οι δεσμοί υδρογόνου προσαρμόζονται ώστε να κρατούν τα αρνητικά φορτισμένα άτομα οξυγόνου χωριστά. Αυτό παράγει ένα κρυσταλλικό πλέγμα γνωστό ως πάγο.

Ο πάγος επιπλέει επειδή είναι περίπου 9% λιγότερο πυκνός από το υγρό νερό. Με άλλα λόγια, ο πάγος παίρνει περίπου 9% περισσότερο χώρο από το νερό, έτσι ένα λίτρο πάγου ζυγίζει λιγότερο από λίτρο νερό. Το βαρύτερο νερό μετατοπίζει τον ελαφρύτερο πάγο, οπότε ο πάγος επιπλέει στην κορυφή. Μια συνέπεια αυτού είναι ότι οι λίμνες και τα ποτάμια καταψύχονται από πάνω προς τα κάτω, επιτρέποντας στα ψάρια να επιβιώσουν ακόμη και όταν η επιφάνεια μιας λίμνης έχει παγώσει. Εάν ο πάγος βυθιστεί, το νερό θα μετατοπιστεί στην κορυφή και θα εκτεθεί σε ψυχρότερη θερμοκρασία, αναγκάζοντας τα ποτάμια και τις λίμνες να γεμίσουν με πάγο και να παγώσουν στερεά.

Εντούτοις, δεν όλο το νερό πάγο επιπλέει σε κανονικό νερό. Ο πάγος που παρασκευάζεται με βαρύ νερό, ο οποίος περιέχει το δευτέριο ισότοπο υδρογόνου, βυθίζεται σε κανονικό νερό. Η δέσμευση του υδρογόνου εξακολουθεί να συμβαίνει, αλλά δεν αρκεί για να αντισταθμιστεί η διαφορά μάζας μεταξύ κανονικού και βαρέος ύδατος. Ο πάγος βαρύ νερό βυθίζεται σε βαρύ νερό.