De ce plutește gheața?
Fie că este vorba de un cub de gheață de câteva grame într-un pahar cu suc de fructe sau de un aisberg de câteva tone în Atlanticul de Nord, realitatea fizică este aceeași: gheața plutește. Acesta este un fapt incontestabil.
Dar cum putem explica acest fenomen?
Gheață, mai densă decât apa în stare lichidă
Alexander Hafemann
Apa este un compus care există în trei forme: solidă, lichidă și gazoasă. Forma solidă a apei este gheața, forma lichidă este apa, iar forma gazoasă se numește abur sau vapori.
În mod obișnuit, gheața plutește pe forma lichidă a apei, spre deosebire de multe alte corpuri solide care se scufundă atunci când sunt așezate pe apă.
Gheața plutește pe apă deoarece este mai puțin densă decât aceasta (apa are o densitate mai mică atunci când este înghețată). O moleculă de apă (H2O) este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen. Acești atomi împart perechi de electroni. Acest lucru este cunoscut sub numele de legătură de hidrogen: sarcina pozitivă a unui atom de hidrogen este atrasă de atomul de oxigen încărcat negativ al unei alte molecule de apă. Când apa îngheață, aceste legături de hidrogen formează o rețea cristalină.
Cea mai mare parte a gheții de pe suprafața Pământului formează cristale hexagonale repetitive. Există o mulțime de spații goale în această structură reticulară care se umple cu aer, ceea ce duce la o densitate mai mică a gheții.
Principiul lui Arhimede afirmă că, pentru ca un obiect să plutească pe apă, trebuie să deplaseze o cantitate egală de apă.
De obicei, obiectele solide sunt mai dense decât lichidele. Logica este susținută de chimie, deoarece moleculele care alcătuiesc solidele sunt strâns legate între ele, ceea ce le face mai compacte. Astfel, ele sunt mai grele decât lichidele și gazele. Cu toate acestea, gheața este o excepție, deoarece este mai puțin densă decât apa și, prin urmare, plutește pe ea.
Marcus Löfvenberg
În cele mai multe cazuri, răcirea unui lichid duce la o creștere a densității sale până când acesta devine solid. În acel moment, acesta atinge densitatea maximă.
Apa se comportă ușor diferit în comparație cu alte lichide. Pe măsură ce apa se răcește, densitatea acesteia crește. Cu toate acestea, în loc să atingă densitatea maximă atunci când este îngheață, aceasta atinge cea mai mare densitate la 4 grade Celsius.
Răcirea apei dincolo de 4 grade Celsius duce la o scădere a densității sale datorită naturii unice a legăturilor de hidrogen. În momentul în care apa devine gheață, aceasta are o densitate mai mică decât apa. Mai exact, apa este cu 9% mai puțin densă decât apa, ocupând astfel 9% spațiu suplimentar. În consecință, un litru de apă înghețată cântărește mai puțin decât un litru de apă. Motivul pentru acest lucru este că legăturile de hidrogen din apă sunt mai compacte în stare lichidă, dar mai puțin compacte în stare solidă.
De asemenea, gheața plutește datorită complexității flotabilității în raport cu forța gravitațională. Forța de flotabilitate este o „împingere în sus” a densității lichidului.
Pe de altă parte, gravitația este o „atracție descendentă” care se referă la densitatea lichidului. Pentru ca un solid să plutească pe un lichid, forța de împingere în sus trebuie să fie mai mare decât forța de atracție în jos. Prin urmare, ori de câte ori gheața este așezată pe apă, împingerea în sus este mai mare decât atracția descendentă.
Danting Zhu
Proprietatea unică a gheții de a pluti pe apă face posibilă supraviețuirea peștilor care trăiesc în corpuri de apă care îngheață în timpul iernii. Corpurile de apă îngheață de sus în jos, permițând peștilor să trăiască în condiții normale, în ciuda suprafeței înghețate.
Dacă ar fi fost invers, gheața ar fi deplasat apa în partea de sus și ar fi înghețat și ea. Prin urmare, râurile și lacurile ar fi înghețat total în anotimpul rece și fi dus la moartea tuturor vietăților marine.
