چرا یخ روی آب شناور می‌ماند؟
چرا یخ روی آب شناور می‌ماند؟ یک لیوان آب را تصور کنید که چند تکه یخ داخل آن انداخته اید. یخ ها روی سطح آب شناور می مانند و فقط بخشی از حجمشان زیر آب قرار می گیرد. اما اگر کمی به این اتفاق فکر کنیم، یک سؤال جالب به وجود می آید:
چرا یخ که همان آب جامد شده است، روی آب شناور می ماند؟
معمولاً انتظار داریم وقتی یک ماده از حالت مایع به جامد تبدیل می شود، ذرات آن به یکدیگر نزدیک تر شوند و چگالی ماده افزایش پیدا کند. این اتفاق برای بسیاری از مواد درست است؛ اما آب یک استثنای بسیار جالب دارد.
یخ از آب مایع چگالی کمتری دارد و همین موضوع باعث می شود روی آب شناور بماند. چگالی یخ تقریباً ۹ درصد کمتر از آب مایع است.
اما دلیل این رفتار عجیب چیست؟ برای پیدا کردن جواب، باید کمی به دنیای مولکول های آب سفر کنیم.
چگالی چیست و چه ارتباطی با شناور ماندن یخ دارد؟
قبل از اینکه سراغ ساختار مولکولی آب برویم، بهتر است مفهوم چگالی را مرور کنیم. چگالی در ساده ترین تعریف، مقدار جرم موجود در واحد حجم یک ماده است:
چگالی = جرم ÷ حجم
به زبان ساده، اگر دو جسم حجم یکسانی داشته باشند، جسمی که جرم بیشتری دارد، چگالی بیشتری خواهد داشت.
حالا یک تکه یخ و مقداری آب با حجم برابر را در نظر بگیرید. جرم یخ کمتر است؛ بنابراین چگالی یخ نیز کمتر از آب مایع خواهد بود.
چگالی آب خالص در شرایط معمول تقریباً ۱ گرم بر سانتی متر مکعب است، در حالی که چگالی یخ معمولی حدود ۰٫۹ گرم بر سانتی متر مکعب است. به همین دلیل یخ تمایل دارد روی آب قرار بگیرد.
اما سؤال اصلی هنوز باقی است:
چرا یخ چگالی کمتری دارد؟ اینجاست که فیزیک و شیمی دست به دست هم می دهند.
ساختار مولکولی آب چه چیزی را تغییر می دهد؟
مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده و فرمول شیمیایی آن H₂O است.
مولکول های آب به دلیل ساختار خود می توانند با یکدیگر برهم کنش هایی به نام پیوند هیدروژنی ایجاد کنند.
در آب مایع، مولکول ها دائماً در حال حرکت اند و پیوند های هیدروژنی مرتباً تشکیل و شکسته می شوند. به همین دلیل مولکول های آب می توانند نسبتاً آزادانه در کنار یکدیگر حرکت کنند و فشرده تر قرار بگیرند.
اما وقتی آب سرد می شود و به نقطه انجماد نزدیک می شود، شرایط تغییر می کند.
با کاهش دما، حرکت مولکول ها کمتر می شود و پیوندهای هیدروژنی فرصت پیدا می کنند ساختاری منظم تر ایجاد کنند.
در نتیجه، مولکول های آب در یخ به شکل یک ساختار شبکه ای نسبتاً باز مرتب می شوند.
و این ساختار یک ویژگی عجیب دارد:
بین مولکول ها فضای بیشتری ایجاد می شود.
یعنی آب هنگام یخ زدن، برخلاف انتظار، منبسط می شود.
شاید برایتان جالب باشد: چرا نمی توانید با سرعت نور حرکت کنید؟
چرا آب هنگام یخ زدن منبسط می شود؟
اینجا دقیقاً همان جایی است که رفتار آب با بسیاری از مواد دیگر متفاوت می شود.در بسیاری از مواد، وقتی دما کاهش پیدا می کند و ماده از حالت مایع به جامد تبدیل می شود، ذرات معمولاً فشرده تر کنار یکدیگر قرار می گیرند.
اما در آب، پیوندهای هیدروژنی هنگام تشکیل ساختار یخ، مولکول ها را در آرایشی قرار می دهند که نسبت به آب مایع فضای خالی بیشتری دارد.
به همین دلیل، حجم آب هنگام تبدیل شدن به یخ افزایش پیدا می کند، در حالی که جرم آن تقریباً ثابت می ماند.
از آنجا که:
چگالی = جرم ÷ حجم
وقتی حجم افزایش پیدا کند و جرم تقریباً ثابت بماند، چگالی کاهش پیدا می کند.
در نتیجه، چگالی یخ < چگالی آب مایع است و همین موضوع راز اصلی شناور ماندن یخ است.
پس چرا یخ روی آب شناور می ماند؟
یخ روی آب شناور می ماند چون چگالی آن از چگالی آب مایع کمتر است. وقتی جسمی درون یک مایع قرار می‌گیرد، نیروی شناوری به آن وارد می شود. اگر چگالی جسم کمتر از مایع باشد، جسم می تواند روی مایع شناور بماند.
این همان اتفاقی است که برای تکه یخ در لیوان آب رخ می دهد.
یخ آن قدر در آب فرو می رود تا نیروی شناوری بتواند وزن آن را متعادل کند.
به همین دلیل معمولاً بخشی از یخ زیر آب و بخشی از آن بالای سطح آب قرار می گیرد.
شاید برایتان جالب باشد: چرا رنگ آسمان آبی است؟
اگر یخ از آب سنگین تر بود چه اتفاقی می افتاد؟
فرض کنیم یخ چگالی بیشتری از آب داشت و در آب فرو می رفت. چه اتفاقی می افتاد؟در این حالت، وقتی هوا سرد می شد، یخ تشکیل شده روی سطح آب به سمت پایین می رفت و احتمالاً آب بیشتری در معرض هوای سرد قرار می گرفت.
در دریاچه ها و برکه ها، این موضوع می توانست پیامدهای بسیار جدی برای موجودات آبزی داشته باشد.
اما شناور ماندن یخ باعث می شود لایه ای از یخ روی سطح آب تشکیل شود. این لایه می تواند مانند یک عایق حرارتی عمل کند و سرعت از دست رفتن گرمای آب زیرین را کاهش دهد. به همین دلیل، آب زیر لایه یخ می تواند برای مدت بیشتری به حالت مایع باقی بماند و شرایط زندگی موجودات آبزی حفظ شود.در واقع، یک ویژگی ظاهراً ساده و روزمره آب، نقش مهمی در امکان ادامه حیات در محیط های سرد دارد.
پس در پاسخ به این سوال که، چرا یخ روی آب شناور می‌ماند؟باید بگوییم، شناور ماندن یخ روی آب یکی از جالب ترین ویژگی های آب است؛ زیرا برخلاف بسیاری از مواد، آب هنگام تبدیل شدن به جامد ساختاری ایجاد می کند که در آن مولکول ها فاصله بیشتری از یکدیگر دارند.
در آب مایع، مولکول ها آزادانه تر حرکت می کنند و می توانند فشرده تر کنار یکدیگر قرار بگیرند. اما در یخ، پیوندهای هیدروژنی ساختاری شبکه ای ایجاد می کنند که فضای بیشتری بین مولکول ها به وجود می آورد.
پس دفعه بعد که یک تکه یخ داخل لیوان آب انداختید، یادتان باشد با یک پدیده ساده اما شگفت انگیز از دنیای فیزیک و ساختار مولکولی ماده رو به رو هستید.
آکادمی فیزیک باباخانی؛ جایی که حتی یک تکه یخ هم می تواند بهانه ای برای فهمیدن فیزیک باشد!
دیدگاه شما