چرا یخ روی آب شناور می شود؟ بررسی دلایل علمی

چرا یخ روی آب شناور است و مانند اکثر جامدات غرق نمی شود؟ پاسخ به این سؤال به دو بخش تقسیم می شود. ابتدا نگاهی خواهیم انداخت به اینکه چرا هر چیزی شناور می شود. سپس بررسی خواهیم کرد که چرا یخ در بالای آب مایع شناور است و به ته آن نمی رود.

چرا یخ شناور است

یک ماده زمانی شناور است که چگالی آن کمتر باشد یا به عبارتی جرم آن در واحد حجم کمتر از سایر اجزای موجود در مخلوط باشد. برای مثال، اگر چند سنگ را در یک سطل آب بیندازید، سنگ ها که نسبت به آب چگال ترند، غرق می شوند، در حالی که آب که چگالی کمتری نسبت به سنگ ها دارد، شناور می ماند. به طور کلی، سنگ ها آب را کنار زده یا جابجا می کنند. برای اینکه یک جسم بتواند شناور بماند، باید وزنی از مایع را که برابر با وزن خودش باشد، جابجا کند.

آب در دمای ۴ درجه سلسیوس (۴۰ درجه فارنهایت) به حداکثر چگالی خود می رسد. هنگام سرد شدن بیشتر و یخ زدن، چگالی آن کاهش می یابد. از طرف دیگر، بیشتر مواد در حالت جامد (یخ زده) چگال تر از حالت مایع خود هستند. آب به دلیل پیوندهای هیدروژنی متفاوت است.

یک مولکول آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است که به شدت به هم متصل هستند. مولکول های آب همچنین به وسیله پیوندهای شیمیایی ضعیف تری (پیوندهای هیدروژنی) بین اتم های هیدروژن با بار مثبت و اتم های اکسیژن با بار منفی مولکول های همسایه آب به یکدیگر جذب می شوند. هنگامی که آب به دمای زیر ۴ درجه سلسیوس می رسد، پیوندهای هیدروژنی تنظیم می شوند تا اتم های اکسیژن با بار منفی را از یکدیگر دور نگه دارند. این امر منجر به تولید یک شبکه بلوری معروف به یخ می شود.

یخ شناور است زیرا حدود ۹ درصد کمتر از آب مایع چگالی دارد. به عبارت دیگر، یخ حدود ۹ درصد فضای بیشتری نسبت به آب اشغال می کند، بنابراین یک لیتر یخ کمتر از یک لیتر آب وزن دارد. آب سنگین تر یخ سبک تر را جابجا می کند، بنابراین یخ به سمت بالا شناور می شود. یکی از پیامدهای این واقعیت این است که دریاچه ها و رودخانه ها از بالا به پایین یخ می زنند، به طوری که ماهی ها حتی وقتی سطح دریاچه یخ زده باشد، می توانند زنده بمانند. اگر یخ غرق می شد، آب به سمت بالا جابجا و در معرض دماهای سرد قرار می گرفت که باعث می شد رودخانه ها و دریاچه ها پر از یخ شوند و کاملاً یخ بزنند.

یخ آب سنگین غرق می شود

با این حال، همه یخ های آبی روی آب معمولی شناور نیستند. یخ تهیه شده با استفاده از آب سنگین که شامل ایزوتوپ هیدروژن، یعنی دوترون است، در آب معمولی غرق می شود. پیوند هیدروژنی هنوز هم اتفاق می افتد، اما کافی نیست که تفاوت جرم بین آب معمولی و آب سنگین را جبران کند. یخ آب سنگین در آب سنگین غرق می شود.