Πολικά τεμάχια πάγου και παγόβουνα παρασύρονται στον ωκεανό και ακόμη και στα ποτά ο πάγος δεν βυθίζεται ποτέ στον πυθμένα. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό. Γιατί; Αν το καλοσκεφτείτε, αυτή η ερώτηση μπορεί να σας φανεί λίγο περίεργη, γιατί ο πάγος είναι στερεός και - διαισθητικά - θα πρέπει να είναι βαρύτερος από υγρό. Ενώ αυτή η δήλωση ισχύει για τις περισσότερες ουσίες, το νερό είναι η εξαίρεση στον κανόνα. Το νερό και ο πάγος διακρίνονται από δεσμούς υδρογόνου, οι οποίοι καθιστούν τον πάγο ελαφρύτερο στη στερεά κατάσταση από ότι όταν είναι σε υγρή κατάσταση.
Επιστημονική ερώτηση: γιατί ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό
Ας φανταστούμε ότι βρισκόμαστε σε ένα μάθημα που ονομάζεται "Ο κόσμος γύρω" στην Γ' δημοτικού. «Γιατί ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό;» ρωτά η δασκάλα τα παιδιά. Και τα παιδιά, μη έχοντας βαθιές γνώσεις στη φυσική, αρχίζουν να συλλογίζονται. «Ίσως είναι μαγικό;» λέει ένα από τα παιδιά.
Πράγματι, ο πάγος είναι εξαιρετικά ασυνήθιστος. Πρακτικά δεν υπάρχουν άλλες φυσικές ουσίες που, σε στερεή κατάσταση, θα μπορούσαν να επιπλέουν στην επιφάνεια ενός υγρού. Αυτή είναι μια από τις ιδιότητες που κάνουν το νερό μια τόσο ασυνήθιστη ουσία και, ειλικρινά, είναι αυτό που αλλάζει την πορεία της πλανητικής εξέλιξης.
Υπάρχουν ορισμένοι πλανήτες που περιέχουν τεράστιες ποσότητες υγρών υδρογονανθράκων όπως η αμμωνία - ωστόσο, όταν παγώσει, αυτό το υλικό βυθίζεται στον πυθμένα. Ο λόγος για τον οποίο ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό είναι ότι όταν το νερό παγώνει, διαστέλλεται και μαζί με αυτό μειώνεται η πυκνότητά του. Είναι ενδιαφέρον ότι η διαστολή του πάγου μπορεί να σπάσει βράχους - η διαδικασία παγετώνων του νερού είναι τόσο ασυνήθιστη.
Επιστημονικά μιλώντας, η διαδικασία κατάψυξης δημιουργεί γρήγορους κύκλους καιρικών συνθηκών και ορισμένες χημικές ουσίες που απελευθερώνονται στην επιφάνεια μπορούν να διαλύσουν τα μέταλλα. Γενικά, υπάρχουν διαδικασίες και δυνατότητες που σχετίζονται με την κατάψυξη του νερού που δεν συνεπάγονται οι φυσικές ιδιότητες άλλων υγρών.
Πυκνότητα πάγου και νερού
Λοιπόν, η απάντηση στο γιατί ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό αλλά επιπλέει στην επιφάνεια είναι ότι έχει χαμηλότερη πυκνότητα από το υγρό - αλλά αυτή είναι μια απάντηση πρώτου επιπέδου. Για να καταλάβετε καλύτερα, πρέπει να ξέρετε γιατί ο πάγος έχει χαμηλή πυκνότητα, γιατί τα πράγματα επιπλέουν εξαρχής, πώς η πυκνότητα οδηγεί στην αιώρηση.
Θυμηθείτε τον Έλληνα ιδιοφυΐα Αρχιμήδη, ο οποίος ανακάλυψε ότι μετά τη βύθιση ενός συγκεκριμένου αντικειμένου στο νερό, ο όγκος του νερού αυξάνεται κατά έναν αριθμό ίσο με τον όγκο του βυθισμένου αντικειμένου. Με άλλα λόγια, αν τοποθετήσετε ένα βαθύ πιάτο στην επιφάνεια του νερού και στη συνέχεια τοποθετήσετε ένα βαρύ αντικείμενο μέσα σε αυτό, ο όγκος του νερού που θα χυθεί στο πιάτο θα είναι ακριβώς ίσος με τον όγκο του αντικειμένου. Δεν έχει σημασία αν το αντικείμενο είναι τελείως βυθισμένο ήμερικώς.
Ιδιότητες του νερού
Το νερό είναι μια καταπληκτική ουσία που βασικά τροφοδοτεί τη ζωή στη γη, γιατί κάθε ζωντανός οργανισμός το χρειάζεται. Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες του νερού είναι ότι έχει την υψηλότερη πυκνότητα στους 4°C. Έτσι, το ζεστό νερό ή ο πάγος είναι λιγότερο πυκνό από το κρύο νερό. Λιγότερο πυκνές ουσίες επιπλέουν πάνω από πιο πυκνές ουσίες.
Για παράδειγμα, κατά την προετοιμασία μιας σαλάτας, θα παρατηρήσετε ότι το λάδι βρίσκεται στην επιφάνεια του ξιδιού - αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι έχει μικρότερη πυκνότητα. Ο ίδιος νόμος ισχύει και για την εξήγηση γιατί ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό, αλλά βυθίζεται στη βενζίνη και την κηροζίνη. Απλώς αυτές οι δύο ουσίες έχουν μικρότερη πυκνότητα από τον πάγο. Έτσι, αν ρίξετε μια φουσκωτή μπάλα στην πισίνα, θα επιπλέει στην επιφάνεια, αλλά αν ρίξετε μια πέτρα στο νερό, θα βυθιστεί στον πάτο.
Τι αλλάζει στο νερό όταν παγώνει
Ο λόγος που ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου που αλλάζουν όταν το νερό παγώνει. Όπως γνωρίζετε, το νερό αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου. Συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς που είναι απίστευτα ισχυροί. Ωστόσο, ο άλλος τύπος δεσμού που σχηματίζεται μεταξύ διαφορετικών μορίων, που ονομάζεται δεσμός υδρογόνου, είναι πιο αδύναμος. Αυτοί οι δεσμοί σχηματίζονται επειδή τα θετικά φορτισμένα άτομα υδρογόνου έλκονται από τα αρνητικά φορτισμένα άτομα οξυγόνου γειτονικών μορίων νερού.
Όταν το νερό είναι ζεστό, τα μόρια είναι πολύ ενεργά,κινούνται πολύ, σχηματίζουν γρήγορα και αποσυνθέτουν δεσμούς με άλλα μόρια νερού. Έχουν την ενέργεια να πλησιάσουν ο ένας τον άλλον και να κινηθούν γρήγορα. Γιατί λοιπόν ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό; Η χημεία κρύβει την απάντηση.
Φυσική χημεία του πάγου
Καθώς η θερμοκρασία του νερού πέφτει κάτω από τους 4 °C, η κινητική ενέργεια του υγρού μειώνεται, επομένως τα μόρια δεν κινούνται πλέον. Δεν έχουν την ενέργεια να κινηθούν και είναι τόσο εύκολο όσο σε υψηλή θερμοκρασία να σπάσουν και να σχηματίσουν δεσμούς. Αντίθετα, σχηματίζουν περισσότερους δεσμούς υδρογόνου με άλλα μόρια νερού για να σχηματίσουν εξαγωνικές δομές πλέγματος.
Σχηματίζουν αυτές τις δομές για να διατηρούν χωριστά τα αρνητικά φορτισμένα μόρια οξυγόνου. Στη μέση των εξαγώνων που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της δραστηριότητας των μορίων, υπάρχει πολύ κενό.
Ο πάγος βυθίζεται στο νερό - λόγοι
Ο πάγος είναι στην πραγματικότητα 9% λιγότερο πυκνός από το υγρό νερό. Επομένως, ο πάγος καταλαμβάνει περισσότερο χώρο από το νερό. Πρακτικά, αυτό είναι λογικό γιατί ο πάγος διαστέλλεται. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν συνιστάται η κατάψυξη ενός γυάλινου μπουκαλιού νερού - το παγωμένο νερό μπορεί να δημιουργήσει μεγάλες ρωγμές ακόμη και στο σκυρόδεμα. Εάν έχετε ένα μπουκάλι λίτρου πάγου και ένα μπουκάλι λίτρου νερού, τότε ένα μπουκάλι παγωμένου νερού θα είναι ευκολότερο. Τα μόρια βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους σε αυτό το σημείο παρά όταν η ουσία βρίσκεται σε υγρή κατάσταση. Γι' αυτό ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό.
Όταν λιώσει ο πάγοςη σταθερή κρυσταλλική δομή διασπάται και γίνεται πιο πυκνή. Όταν το νερό θερμαίνεται στους 4°C, αποκτά ενέργεια και τα μόρια κινούνται όλο και πιο γρήγορα. Αυτός είναι ο λόγος που το ζεστό νερό καταλαμβάνει περισσότερο χώρο από το κρύο νερό και επιπλέει πάνω από το κρύο νερό - έχει μικρότερη πυκνότητα. Θυμηθείτε, όταν βρίσκεστε στη λίμνη, ενώ κολυμπάτε, το πάνω στρώμα του νερού είναι πάντα ωραίο και ζεστό, αλλά όταν βάζετε τα πόδια σας κάτω, αισθάνεστε την ψυχρότητα του κάτω στρώματος.
Η σημασία της διαδικασίας κατάψυξης του νερού στη λειτουργία του πλανήτη
Παρά το γεγονός ότι η ερώτηση "Γιατί ο πάγος δεν βυθίζεται στο νερό;" για τον βαθμό 3, είναι πολύ σημαντικό να κατανοήσουμε γιατί συμβαίνει αυτή η διαδικασία και τι σημαίνει για τον πλανήτη. Έτσι, η άνωση του πάγου έχει σημαντικές επιπτώσεις για τη ζωή στη Γη. Οι λίμνες παγώνουν το χειμώνα σε κρύα μέρη - αυτό επιτρέπει στα ψάρια και σε άλλα υδρόβια ζώα να επιβιώσουν κάτω από το στρώμα πάγου. Αν ο βυθός ήταν παγωμένος, τότε υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να παγώσει ολόκληρη η λίμνη.
Σε τέτοιες συνθήκες, δεν θα είχε επιζήσει ούτε ένας οργανισμός.
Αν η πυκνότητα του πάγου ήταν μεγαλύτερη από την πυκνότητα του νερού, τότε οι ωκεανοί θα βυθίζονταν στον πάγο και τα καλύμματα πάγου που θα βρίσκονταν στον πυθμένα δεν θα επέτρεπαν σε κανέναν να ζήσει εκεί. Ο βυθός του ωκεανού θα ήταν γεμάτος πάγο - και σε τι θα μετατρεπόταν όλο αυτό; Μεταξύ άλλων, ο πολικός πάγος είναι σημαντικός επειδή αντανακλά το φως και εμποδίζει τον πλανήτη Γη να ζεσταθεί πολύ.
