Почему лед плавает поверх воды, а не тонет, как большинство твердых тел? Ответ на этот вопрос состоит из двух частей. Во-первых, давайте посмотрим, почему что-то плавает. Затем давайте посмотрим, почему лед плавает поверх жидкой воды, а не опускается на дно.
Почему лед плавает
Вещество плавает, если оно менее плотное или имеет меньшую массу на единицу объема, чем другие компоненты в смеси. Например, если вы бросите горсть камней в ведро с водой, камни, более плотные по сравнению с водой, утонут. Вода, менее плотная, чем камни, будет плавать. По сути, камни отталкивают воду или вытесняют ее. Чтобы объект мог плавать, он должен вытеснить жидкость, равную его собственному весу.
Вода достигает максимальной плотности при 4 ° C. (40 ° F). По мере того, как он охлаждается и превращается в лед, он становится менее плотным. С другой стороны, большинство веществ в твердом (замороженном) состоянии являются наиболее плотными, чем в жидком состоянии. Вода отличается из-за водородных связей.
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, прочно связанных друг с другом ковалентными связями. Молекулы воды также притягиваются друг к другу более слабыми химическими связями (водородными связями) между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды. Когда вода охлаждается до температуры ниже 4 ° C, водородные связи регулируются, удерживая отрицательно заряженные атомы кислорода друг от друга. В результате образуется кристаллическая решетка, обычно известная как лед.
Лед плавает, потому что он примерно на 9% менее плотен, чем жидкая вода. Другими словами, лед занимает примерно на 9% больше места, чем вода, поэтому литр льда весит меньше литра воды. Более тяжелая вода вытесняет более легкий лед, поэтому лед всплывает наверх. Одним из следствий этого является то, что озера и реки замерзают сверху донизу, позволяя рыбе выжить даже тогда, когда поверхность озера замерзла. Если бы лед опустился, вода сместилась бы к вершине и подверглась бы более холодной температуре, заставляя реки и озера заполняться льдом и замерзать.
Тяжелая вода Ледяные раковины
Однако не весь водяной лед плавает в обычной воде. Лед, сделанный с использованием тяжелой воды, содержащей изотоп водорода дейтерий, тонет в обычной воде. Водородная связь все еще происходит, но этого недостаточно, чтобы компенсировать разницу масс между нормальной и тяжелой водой. Тяжелый водяной лед тонет в тяжелой воде.
