Bloki lodu polarnego i góry lodowe dryfują w oceanie, a nawet w napojach lód nigdy nie opada na dno. Można stwierdzić, że lód nie tonie w wodzie. Czemu? Jeśli się nad tym zastanowić, to pytanie może wydawać się trochę dziwne, bo lód jest stały i – intuicyjnie – powinien być cięższy niż płynny. Chociaż to stwierdzenie jest prawdziwe dla większości substancji, woda jest wyjątkiem od reguły. Wodę i lód wyróżniają wiązania wodorowe, które sprawiają, że lód w stanie stałym jest lżejszy niż w stanie ciekłym.
Pytanie naukowe: dlaczego lód nie tonie w wodzie
Wyobraźmy sobie, że jesteśmy na lekcji o nazwie „Wokół świata” w trzeciej klasie. „Dlaczego lód nie tonie w wodzie?”, pyta dzieci nauczycielka. A dzieciaki, nie mające głębokiej wiedzy z fizyki, zaczynają rozumować. – Może to magia? mówi jedno z dzieci.
Zaprawdę, lód jest niezwykle niezwykły. Praktycznie nie ma innych naturalnych substancji, które w stanie stałym mogłyby unosić się na powierzchni cieczy. Jest to jedna z właściwości, które sprawiają, że woda jest tak niezwykłą substancją i, szczerze mówiąc, zmienia ścieżkę planetarnej ewolucji.
Istnieją planety, które zawierają ogromne ilości ciekłych węglowodorów, takich jak amoniak - jednak po zamrożeniu materiał ten opada na dno. Powodem, dla którego lód nie tonie w wodzie, jest to, że gdy woda zamarza, rozszerza się, a wraz z nią zmniejsza się jej gęstość. Co ciekawe, ekspansja lodu może łamać skały – proces zlodowacenia wody jest tak niezwykły.
Z naukowego punktu widzenia proces zamrażania powoduje szybkie cykle wietrzenia, a niektóre chemikalia uwalniane na powierzchni mogą rozpuszczać minerały. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją procesy i możliwości związane z zamrażaniem wody, z których nie wynikają właściwości fizyczne innych cieczy.
Gęstość lodu i wody
Więc odpowiedź na pytanie, dlaczego lód nie tonie w wodzie, ale unosi się na powierzchni, jest taka, że ma on mniejszą gęstość niż ciecz – ale to odpowiedź pierwszego poziomu. Aby lepiej zrozumieć, musisz wiedzieć, dlaczego lód ma niską gęstość, dlaczego rzeczy unoszą się w powietrzu, w jaki sposób gęstość prowadzi do unoszenia się.
Przypomnijmy sobie greckiego geniusza Archimedesa, który dowiedział się, że po zanurzeniu pewnego przedmiotu w wodzie, objętość wody wzrasta o liczbę równą objętości zanurzonego przedmiotu. Innymi słowy, jeśli umieścisz głębokie naczynie na powierzchni wody, a następnie umieścisz w nim ciężki przedmiot, objętość wody, która zostanie wlana do naczynia, będzie dokładnie równa objętości przedmiotu. Nie ma znaczenia, czy obiekt jest całkowicie zanurzony, czyczęściowo.
Właściwości wody
Woda jest niesamowitą substancją, która zasadniczo odżywia życie na ziemi, ponieważ każdy żywy organizm jej potrzebuje. Jedną z najważniejszych właściwości wody jest to, że ma najwyższą gęstość w temperaturze 4°C. Tak więc gorąca woda lub lód są mniej gęste niż zimna woda. Mniej gęste substancje unoszą się na wierzchu gęstszych substancji.
Na przykład podczas przygotowywania sałatki zauważysz, że olej jest na powierzchni octu - można to wytłumaczyć mniejszą gęstością. To samo prawo dotyczy również wyjaśnienia, dlaczego lód nie tonie w wodzie, ale tonie w benzynie i nafcie. Tyle, że te dwie substancje mają mniejszą gęstość niż lód. Tak więc, jeśli wrzucisz nadmuchiwaną piłkę do basenu, będzie unosić się na powierzchni, ale jeśli wrzucisz kamień do wody, opadnie na dno.
Jakie zmiany zachodzą w wodzie, gdy zamarza
Powodem, dla którego lód nie tonie w wodzie, są wiązania wodorowe, które zmieniają się, gdy woda zamarza. Jak wiesz, woda składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Są połączone wiązaniami kowalencyjnymi, które są niezwykle silne. Jednak inny rodzaj wiązania, który tworzy się między różnymi cząsteczkami, zwany wiązaniem wodorowym, jest słabszy. Wiązania te tworzą się, ponieważ dodatnio naładowane atomy wodoru są przyciągane do ujemnie naładowanych atomów tlenu sąsiednich cząsteczek wody.
Gdy woda jest ciepła, cząsteczki są bardzo aktywne,dużo się ruszać, szybko tworzyć i rozkładać wiązania z innymi cząsteczkami wody. Mają energię, by zbliżyć się do siebie i szybko się poruszać. Dlaczego więc lód nie tonie w wodzie? Chemia ukrywa odpowiedź.
Fizyczna chemia lodu
Gdy temperatura wody spada poniżej 4 °C, energia kinetyczna cieczy maleje, więc cząsteczki nie poruszają się. Nie mają energii do poruszania się i tak samo łatwo jak w wysokiej temperaturze pękają i tworzą wiązania. Zamiast tego tworzą więcej wiązań wodorowych z innymi cząsteczkami wody, tworząc heksagonalne struktury sieci.
Tworzą te struktury, aby oddzielić ujemnie naładowane cząsteczki tlenu. W środku sześciokątów powstałych w wyniku działania molekuł jest dużo pustki.
Lód tonie w wodzie - powody
Lód jest w rzeczywistości o 9% mniej gęsty niż woda w stanie ciekłym. Dlatego lód zajmuje więcej miejsca niż woda. W praktyce ma to sens, ponieważ lód się rozszerza. Dlatego nie zaleca się zamrażania szklanej butelki wody – zamarznięta woda może tworzyć duże pęknięcia nawet w betonie. Jeśli masz litrową butelkę lodu i litrową butelkę wody, wtedy butelka z lodem będzie łatwiejsza. W tym momencie cząsteczki są dalej od siebie niż wtedy, gdy substancja jest w stanie ciekłym. Dlatego lód nie tonie w wodzie.
Kiedy lód topniejestabilna struktura krystaliczna rozpada się i staje się gęstsza. Gdy woda nagrzewa się do 4°C, nabiera energii, a cząsteczki poruszają się szybciej i dalej. To jest powód, dla którego gorąca woda zajmuje więcej miejsca niż zimna i unosi się na zimnej wodzie - ma mniejszą gęstość. Pamiętaj, że gdy jesteś na jeziorze podczas pływania, górna warstwa wody jest zawsze ciepła i ciepła, ale gdy kładziesz nogi na dół, czujesz chłód dolnej warstwy.
Znaczenie procesu zamrażania wody w funkcjonowaniu planety
Pomimo tego, że pytanie "Dlaczego lód nie tonie w wodzie?" dla klasy 3 bardzo ważne jest, aby zrozumieć, dlaczego ten proces się dzieje i co oznacza dla planety. Dlatego też pływalność lodu ma ważne implikacje dla życia na Ziemi. Zimą jeziora zamarzają w zimnych miejscach - to pozwala rybom i innym zwierzętom wodnym przetrwać pod pokrywą lodową. Gdyby zamarzło dno, istnieje duże prawdopodobieństwo, że zamarzło całe jezioro.
W takich warunkach nie przetrwałby ani jeden organizm.
Gdyby gęstość lodu była wyższa niż gęstość wody, oceany zatopiłyby się w lodzie, a pokrywy lodowe, które wtedy znajdowałyby się na dnie, nie pozwoliłyby nikomu tam mieszkać. Dno oceanu byłoby pełne lodu – a w co by to wszystko się zmieniło? Między innymi lód polarny jest ważny, ponieważ odbija światło i zapobiega nadmiernemu nagrzewaniu się planety.
