ก้อนน้ำแข็งขั้วโลกและภูเขาน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในมหาสมุทร และแม้แต่ในเครื่องดื่ม น้ำแข็งก็ไม่เคยจมลงสู่ก้นทะเล สรุปได้ว่าน้ำแข็งไม่จมน้ำ ทำไม หากคุณลองคิดดู คำถามนี้อาจดูแปลกๆ เล็กน้อย เพราะน้ำแข็งเป็นของแข็งและควรหนักกว่าของเหลวโดยสัญชาตญาณ แม้ว่าข้อความนี้จะเป็นจริงสำหรับสารส่วนใหญ่ แต่น้ำก็เป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎเกณฑ์นี้ น้ำและน้ำแข็งมีความแตกต่างจากพันธะไฮโดรเจน ซึ่งทำให้น้ำแข็งมีน้ำหนักเบาในสถานะของแข็งมากกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลว
คำถามวิทยาศาสตร์: ทำไมน้ำแข็งไม่จมน้ำ
ลองนึกภาพว่าเราอยู่ในบทเรียนเรื่อง "โลกรอบตัว" ตอนป.3 “ทำไมน้ำแข็งไม่จมลงในน้ำ” ครูถามเด็ก และเด็กๆ ที่ไม่มีความรู้ด้านฟิสิกส์อย่างลึกซึ้งก็เริ่มให้เหตุผล “บางทีอาจเป็นเวทมนตร์?” เด็กคนหนึ่งพูด
น้ำแข็งนี่ไม่ธรรมดาจริงๆ แทบไม่มีสารธรรมชาติอื่นใดที่สามารถลอยอยู่บนผิวของของเหลวในสถานะของแข็งได้ นี่เป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่ทำให้น้ำเป็นสารที่ไม่ธรรมดา และตรงไปตรงมา มันคือสิ่งที่ทำให้เส้นทางวิวัฒนาการของดาวเคราะห์เปลี่ยนไป
มีดาวเคราะห์บางดวงที่มีไฮโดรคาร์บอนเหลวจำนวนมาก เช่น แอมโมเนีย แต่เมื่อถูกแช่แข็ง สารนี้จะจมลงไปด้านล่าง สาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมลงในน้ำก็เพราะเมื่อน้ำแข็งกลายเป็นน้ำแข็ง มันจะขยายตัว และความหนาแน่นของน้ำแข็งจะลดลงด้วย ที่น่าสนใจคือการขยายตัวของน้ำแข็งสามารถทำลายหินได้ กระบวนการทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งนั้นผิดปกติมาก
ในเชิงวิทยาศาสตร์ กระบวนการแช่แข็งทำให้เกิดวงจรการผุกร่อนอย่างรวดเร็ว และสารเคมีบางชนิดที่ปล่อยออกมาบนพื้นผิวสามารถละลายแร่ธาตุได้ โดยทั่วไป มีกระบวนการและความเป็นไปได้ที่เกี่ยวข้องกับการแช่แข็งของน้ำซึ่งคุณสมบัติทางกายภาพของของเหลวอื่นๆ ไม่ได้หมายความถึง
ความหนาแน่นของน้ำแข็งและน้ำ
ดังนั้น คำตอบว่าทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงในน้ำแต่ลอยอยู่บนผิวน้ำก็คือ มันมีความหนาแน่นต่ำกว่าของเหลว - แต่นั่นเป็นคำตอบระดับแรก เพื่อให้เข้าใจมากขึ้น คุณต้องรู้ว่าเหตุใดน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำ เหตุใดสิ่งต่างๆ จึงลอยในตอนแรก ความหนาแน่นนำไปสู่การลอยตัวได้อย่างไร
นึกถึงอาร์คิมิดีสอัจฉริยะชาวกรีกที่พบว่าหลังจากจุ่มวัตถุบางอย่างลงในน้ำ ปริมาตรของน้ำจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนเท่ากับปริมาตรของวัตถุที่แช่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้าคุณวางจานลึกบนพื้นผิวของน้ำ แล้ววางของหนักลงไป ปริมาตรของน้ำที่จะเทลงในจานจะเท่ากับปริมาตรของวัตถุพอดี ไม่สำคัญว่าวัตถุจะจมอยู่ใต้น้ำหรือบางส่วน
คุณสมบัติของน้ำ
น้ำเป็นสารมหัศจรรย์ที่หล่อเลี้ยงชีวิตบนโลกเพราะสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการมัน คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของน้ำคือมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4°C ดังนั้นน้ำร้อนหรือน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเย็น สารที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะลอยอยู่บนสารที่มีความหนาแน่นมากกว่า
ตัวอย่างเช่น ขณะเตรียมสลัด คุณจะสังเกตเห็นว่าน้ำมันอยู่บนผิวน้ำส้มสายชู - นี้สามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่ามันมีความหนาแน่นต่ำกว่า กฎหมายฉบับเดียวกันนี้ใช้อธิบายได้ว่าทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงในน้ำ แต่จะจมลงในน้ำมันเบนซินและน้ำมันก๊าด เพียงแต่สารทั้งสองนี้มีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำแข็ง ดังนั้น ถ้าคุณโยนลูกบอลเป่าลมลงไปในสระ มันจะลอยอยู่บนผิวน้ำ แต่ถ้าคุณโยนหินลงไปในน้ำ มันจะจมลงสู่ก้นบ่อ
จะเกิดอะไรขึ้นกับน้ำเมื่อมันแข็งตัว
เหตุผลที่น้ำแข็งไม่จมในน้ำนั้นเกิดจากพันธะไฮโดรเจนที่เปลี่ยนแปลงเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง อย่างที่คุณทราบ น้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอม พวกมันถูกยึดด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งอย่างเหลือเชื่อ อย่างไรก็ตาม พันธะอีกประเภทหนึ่งที่ก่อตัวระหว่างโมเลกุลต่างๆ ที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจนนั้นอ่อนแอกว่า พันธะเหล่านี้ก่อตัวขึ้นเนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนที่มีประจุบวกถูกดึงดูดไปยังอะตอมออกซิเจนที่มีประจุลบของโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้เคียง
เมื่อน้ำอุ่นโมเลกุลก็กระฉับกระเฉงเคลื่อนที่มาก สร้างและสลายพันธะกับโมเลกุลของน้ำอื่นๆ อย่างรวดเร็ว พวกเขามีพลังงานที่จะเข้าหากันและเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว ทำไมน้ำแข็งไม่จมลงในน้ำ? เคมีซ่อนคำตอบ
เคมีฟิสิกส์ของน้ำแข็ง
เมื่ออุณหภูมิของน้ำลดลงต่ำกว่า 4 °C พลังงานจลน์ของของเหลวจะลดลง โมเลกุลจึงไม่เคลื่อนที่อีกต่อไป พวกมันไม่มีพลังงานที่จะเคลื่อนที่และง่ายพอๆ กับที่อุณหภูมิสูงในการแตกและสร้างพันธะ แต่จะสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำอื่นๆ เพื่อสร้างโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยม
พวกมันสร้างโครงสร้างเหล่านี้เพื่อแยกโมเลกุลออกซิเจนที่มีประจุลบออกจากกัน ตรงกลางของรูปหกเหลี่ยมที่เกิดจากการทำงานของโมเลกุลมีความว่างเปล่ามากมาย
น้ำแข็งจมน้ำ - เหตุผล
น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำของเหลวถึง 9% ดังนั้นน้ำแข็งจึงใช้พื้นที่มากกว่าน้ำ ในทางปฏิบัติ เรื่องนี้สมเหตุสมผลเพราะน้ำแข็งขยายตัว ด้วยเหตุนี้จึงไม่แนะนำให้แช่ขวดน้ำในขวดแก้ว เพราะน้ำที่แช่แข็งสามารถสร้างรอยร้าวขนาดใหญ่ได้แม้ในคอนกรีต หากคุณมีน้ำแข็งหนึ่งขวดและน้ำหนึ่งขวดลิตร ขวดน้ำน้ำแข็งจะง่ายกว่า ณ จุดนี้โมเลกุลจะห่างกันมากกว่าเมื่อสารอยู่ในสถานะของเหลว น้ำแข็งจึงไม่จมน้ำ
เมื่อน้ำแข็งละลายโครงสร้างผลึกที่มั่นคงแตกตัวและหนาแน่นขึ้น เมื่อน้ำอุ่นขึ้นถึง 4°C จะได้รับพลังงานและโมเลกุลจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นและไกลขึ้น นี่คือเหตุผลที่น้ำร้อนใช้พื้นที่มากกว่าน้ำเย็นและลอยอยู่บนน้ำเย็น - มีความหนาแน่นน้อยกว่า จำไว้ว่าเมื่อคุณอยู่ในทะเลสาบ ขณะว่ายน้ำ ชั้นบนสุดของน้ำจะอบอุ่นและอุ่นเสมอ แต่เมื่อคุณวางเท้า คุณจะรู้สึกถึงความเย็นของชั้นล่าง
ความสำคัญของกระบวนการแช่แข็งน้ำในการทำงานของโลก
ทั้งๆที่คำถามที่ว่า "ทำไมน้ำแข็งไม่จมน้ำ?" สำหรับเกรด 3 สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าเหตุใดกระบวนการนี้จึงเกิดขึ้นและมีความหมายต่อโลกอย่างไร ดังนั้นการลอยตัวของน้ำแข็งจึงมีนัยสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก ทะเลสาบกลายเป็นน้ำแข็งในฤดูหนาวในที่เย็น ทำให้ปลาและสัตว์น้ำอื่นๆ สามารถอยู่รอดได้ภายใต้แผ่นน้ำแข็ง หากด้านล่างถูกแช่แข็ง มีความเป็นไปได้สูงที่ทั้งทะเลสาบจะถูกแช่แข็ง
ในสภาพเช่นนี้จะไม่มีสิ่งมีชีวิตใดรอดชีวิต
ถ้าความหนาแน่นของน้ำแข็งสูงกว่าความหนาแน่นของน้ำ มหาสมุทรก็จะจมลงในน้ำแข็ง และแผ่นน้ำแข็งที่อยู่ด้านล่างจะไม่อนุญาตให้ใครอาศัยอยู่ที่นั่น ก้นมหาสมุทรจะเต็มไปด้วยน้ำแข็ง - และมันจะกลายเป็นอะไร? เหนือสิ่งอื่นใด น้ำแข็งขั้วโลกมีความสำคัญเพราะมันสะท้อนแสงและป้องกันไม่ให้โลกร้อนเกินไป
