Lód i gęstość wody

Ilustracja autorstwa Grace Kim. Myśl Co.

Dlaczego lód unosi się na powierzchni wody, zamiast tonąć jak większość ciał stałych? Odpowiedź na to pytanie składa się z dwóch części. Najpierw przyjrzyjmy się, dlaczego coś się unosi. Następnie przyjrzyjmy się, dlaczego lód unosi się na wodzie, zamiast opadać na dno.

Dlaczego lód pływa?

Substancja unosi się, jeśli jest mniej gęsta lub ma mniejszą masę na jednostkę objętości niż inne składniki mieszaniny. Na przykład, jeśli wrzucisz garść kamieni do wiadra z wodą, kamienie, które są gęsty w porównaniu do wody zatonie. Woda, która jest mniej gęsta niż skały, będzie się unosić. Zasadniczo skały wypychają wodę z drogi lub ją wypierają. Aby obiekt mógł się unosić, musi przemieścić ciężar płynu równy swojemu ciężarowi.

Woda osiąga swoją maksymalną gęstość w temperaturze 4°C (40°F). W miarę ochładzania się i zamarzania w lód, w rzeczywistości staje się mniej gęsty. Z drugiej strony większość substancji ma większą gęstość w stanie stałym (zamrożonym) niż w stanie ciekłym. Woda jest inna z powodu wiązanie wodorowe .

A cząsteczka wody składa się z jednego tlenu atom i dwa atomy wodoru silnie połączone ze sobą wiązania kowalencyjne . Cząsteczki wody są również przyciągane do siebie przez słabsze wiązania chemiczne ( wiązania wodorowe ) między dodatnio naładowanym wodorem atomy i ujemnie naładowany atomy tlenu sąsiadujących cząsteczek wody. Gdy woda schładza się poniżej 4°C, wiązania wodorowe dostosowują się, aby utrzymać ujemnie naładowane atomy tlenu od siebie. W ten sposób powstaje sieć krystaliczna powszechnie znana jako lód.

Lód pływa, ponieważ jest o około 9% mniej gęsty 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 do góry. Jedną z konsekwencji jest to, że jeziora i rzeki zamarzają od góry do dołu, pozwalając rybom przetrwać nawet wtedy, gdy zamarzła powierzchnia jeziora. Gdyby zatonął lód, woda zostałaby przesunięta do góry i wystawiona na niższą temperaturę, zmuszając rzeki i jeziora do wypełnienia się lodem i zamarznięcia na stałe.

Zlewozmywaki na ciężką wodę

Jednak nie każdy lód wodny unosi się na zwykłej wodzie. Lód wytwarzany przy użyciu ciężkiej wody, która zawiera deuter, izotop wodoru, tonie w zwykłej wodzie . Wiązanie wodorowe nadal występuje, ale to nie wystarczy, aby zrównoważyć różnicę mas między normalną a ciężką wodą. Lód z ciężkiej wody tonie w ciężkiej wodzie.