Jak powstaje lód?
Dlaczego lód pływa i nie tonie?
Czy woda tonie w wodzie?
Jak powstaje lód?
Wodór (H) i tlen (O) to dwa gazy, które łączą się w cząsteczkę tlenku wodoru H²O (potocznie zwana wodą). Owa cząsteczka H²O – jest dipolarna – tworzy dwa pola +/- : elektroujemnego tlenu i dodatniego wodoru. Ta dipolarność jest ważna, ponieważ pozwala pojedynczym cząsteczkom H²O przyciągać się wzajemnie (+do-) i tworzyć skupiska (asocjaty). A dokładnie trzy stany skupienia zależne od temperatury : gazową parę wodną (powyżej 100°C), płynną wodę (100°C – 0°C) i krystaliczny lód (poniżej 0°C).
Im wyższa temperatura tym cząsteczki są mniej zagęszczone bo bardziej ruchliwe. Dlatego każdy z trzech stanów skupienia charakteryzuje się różną ruchliwością i gęstością cząsteczek H²O. Powyżej 100°C cząsteczki są bardzo ruchliwe przez co oddalają się od siebie tworząc mgiełkę pary wodnej.
Pomiędzy 100°C i 0°C są nadal ruchliwe ale jednocześnie przyciągają się na tyle mocno, że tworzą płynną wodę. Im woda jest zimniejsza tym bardziej pozbawia cząsteczki H²O ruchliwości, więc coraz bardziej zbliżają się do siebie i zagęszczają. Największą gęstość woda osiąga w temperaturze 4°C. Cząsteczki H²O tak mocno się przyciągają, że zaczynają się sztywno łączyć w pary po 2 cząsteczki wody (H²O)². Dalsze oziębianie jednak nie powoduje jeszcze większego zagęszczenia – wręcz przeciwnie, właśnie z powodu owych sztywnych powiązań H²O, których ilość zaczyna się zwiększać, tworzy coraz bardziej ażurowe i przestrzenne konstrukcje uniemożliwiające większe zagęszczenie.
Poniżej 0°C cząsteczki H²O przyciągają się już tak mocno, że już wszystkie wiążą się ze sobą w sztywne zbiory (asocjaty) tworzące kryształy lodu. Dosłownie zastygają w bezruchu, ograniczając się jedynie do drgań.
A dokładniej, owa sztywność wiązań cząsteczek H²O w kryształy lodu jest siatką atomów tlenu powiązanych atomami wodoru (tzw. wiązania wodorowe). Połączone atomami wodoru atomy tlenu tworzą układ heksagonalny na bazie pustego w środku graniastosłupa o podstawie sześciokąta (tak też wyglądają pojedyncze kryształki śniegu). Konsekwencją takiego łączenia się cząsteczek H2O jest powstanie sieci krystalicznej lodu o ażurowej strukturze przypominającej tunele.
Dlaczego lód pływa i nie tonie?
Wyżej opisana sieć krystaliczna lodu zawiera więc wiele pustych miejsc i właśnie one decydują o tym, że gęstość (masa właściwa) lodu jest mniejsza od gęstości wody i co za tym idzie, że objętość lodu jest większa niż objętość wody. Dlatego zimą pękają rury, które rozsadza zamarzająca woda, której nagle robi się więcej. I z tego również powodu lód pływa i nie tonie, ponieważ poszerzając swoją objętość i zmniejszając gęstość staje się lżejszy niż woda – zgodnie z prawem Archimedesa, siła wyporu wody działająca na ciało jest tym większa, im lżejsze jest ciało od wody (ma mniejszą gęstość).
Czy woda tonie w wodzie?
TAK! Na tej samej zasadzie jak tonie wszystko inne co jest cięższe od wody :), czyli co ma większą gęstość. Woda ma różną gęstość więc różny ciężar. Im woda zimniejsza tym ma większą gęstość i ciężar – więc tonie w cieplejszej wodzie. Ale tylko do pewnej, unikalnej jedynie dla wody granicy : do 4ºC. A dokładnie w 3,98ºC woda jest najcięższa! Ma największą gęstość i najmniejszą objętość . Ma to gigantyczne znaczenie dla zimowego przetrwania ryb i wszystkich innych mieszkańców zbiorników wodnych. Gdy przy temperaturach powietrza poniżej 0ºC woda zamarza, to przy dnie zbiornika wodnego – gromadzi się najcięższa woda – czyli ta o największej gęstości i temperaturze +4ºC. To zapewnia zwierzętom wodnym odpowiednie warunki do przeżycia. Dodatkowo, pływający po powierzchni lżejszy lód działa jak izolator ponieważ charakteryzuje się złym przewodnictwem cieplnym i zabezpiecza głębsze warstwy wody przed zamarzaniem, chroniąc w ten sposób żyjące tam organizmy.
Efekt anomalnej rozszerzalności cieplnej : w zakresie temperatur od 0ºC do 4ºC woda „kurczy się” i staje się cięższa (maleje jej objętość i wzrasta gęstość). Dlatego opada na dno.
Do niezwykłych właściwości wody należy również lepsza rozpuszczalność gazów w niskich temperaturach. Dzięki temu głębsze, zimne warstwy wody są lepiej dotlenione! Więc ryby pod lodem mają czym oddychać.
Gdyby woda nie miała tej niepowtarzalnej cechy – anomalnej rozszerzalności cieplnej, wówczas najzimniejszy lód byłby najcięższy i każdej zimy opadałoby na dno coraz więcej lodu, gdzie następnego lata promienie słoneczne nie zdołałyby go roztopić. W krótkim czasie woda w większości rzek i jezior, a nawet mórz zamieniłaby się w lód. Ale na szczęście tak nie jest 🙂
