Почему лед плавает на поверхности воды, а не тонет, как большинство твердых частиц? Ответ на этот вопрос состоит из двух частей. Во-первых, давайте посмотрим, почему что-то плавает. Затем давайте рассмотрим, 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 бросаете горсть камней в ведро с водой, камни, которые плотный по сравнению с водой, утонет. Вода, которая менее плотная, чем камни, будет плавать. По сути, камни отталкивают воду от дороги или вытесняют ее. Чтобы объект мог плавать, он должен сместить вес жидкости, равный его собственному весу.
Вода достигает максимальной плотности при 4 ° C (40 ° F). Поскольку это охлаждается далее и замерзает в лед, это фактически становится менее плотным. С другой стороны, большинство веществ наиболее плотно в своем твердом (замороженном) состоянии, чем в жидком состоянии. Вода отличается из-за водородная связь.
молекула воды сделан из одного кислорода атом и два атома водорода сильно связаны друг с другом ковалентные связи. Молекулы воды также притягиваются друг к другу более слабыми химическими связями (водородные связи) между положительно заряженным водородом атомы и отрицательно заряженный атомы кислорода соседних молекул воды. Когда вода остывает до температуры ниже 4 ° C, водородные связи корректируются, чтобы удерживать отрицательно заряженные атомы кислорода друг от друга. Это производит кристаллическую решетку, обычно известную как лед.
Лед плавает, потому что он примерно на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Другими словами, лед занимает примерно на 9% больше места, чем вода, поэтому литр льда весит меньше, чем литр воды. Более тяжелая вода вытесняет более легкий лед, поэтому лед плавает наверх. Одним из следствий этого является то, что озера и реки замерзают сверху донизу, что позволяет рыбе выживать, даже когда поверхность озера замерзла. Если лед затонет, вода будет вытеснена на вершину и подвергнута воздействию более холодной температуры, заставляя реки и озера наполняться льдом и замерзать.
Тяжелые раковины льда
Однако не весь водяной лед плавает на обычной воде. Лед сделан с использованием тяжелой воды, которая содержит изотоп водорода дейтерий, тонет в обычной воде. Водородное связывание все еще происходит, но этого недостаточно, чтобы компенсировать разницу в массе между обычной и тяжелой водой. Тяжелый водный лед тонет в тяжелой воде.