Blocuri de gheață polară și aisberguri plutesc în ocean și, chiar și în băuturi, gheața nu se scufundă niciodată pe fund. Se poate concluziona că gheața nu se scufundă în apă. De ce? Dacă vă gândiți bine, această întrebare poate părea puțin ciudată, deoarece gheața este solidă și - intuitiv - ar trebui să fie mai grea decât lichidă. Deși această afirmație este adevărată pentru majoritatea substanțelor, apa este excepția de la regulă. Apa și gheața se disting prin legături de hidrogen, care fac gheața mai ușoară în stare solidă decât atunci când este în stare lichidă.
Întrebare științifică: de ce gheața nu se scufundă în apă
Să ne imaginăm că suntem la o lecție numită „Lumea din jur” în clasa a III-a. „De ce gheața nu se scufundă în apă?” îi întreabă profesorul pe copii. Iar copiii, neavând cunoștințe profunde în fizică, încep să raționeze. - Poate că este magie? spune unul dintre copii.
Într-adevăr, gheața este extrem de neobișnuită. Practic nu există alte substanțe naturale care, în stare solidă, ar putea pluti pe suprafața unui lichid. Aceasta este una dintre proprietățile care fac din apa o substanță atât de neobișnuită și, sincer, este cea care schimbă calea evoluției planetare.
Există unele planete care conțin cantități uriașe de hidrocarburi lichide, cum ar fi amoniacul - cu toate acestea, atunci când este înghețat, acest material se scufundă în fund. Motivul pentru care gheața nu se scufundă în apă este că atunci când apa îngheață, se extinde, iar odată cu ea, densitatea ei scade. Interesant este că expansiunea gheții poate sparge roci - procesul de glaciare a apei este atât de neobișnuit.
Din punct de vedere științific, procesul de înghețare stabilește cicluri rapide de intemperii, iar anumite substanțe chimice eliberate la suprafață pot dizolva mineralele. În general, există procese și posibilități asociate cu înghețarea apei pe care proprietățile fizice ale altor lichide nu le implică.
Densitatea gheții și a apei
Deci răspunsul la motivul pentru care gheața nu se scufundă în apă, ci plutește la suprafață este că are o densitate mai mică decât lichidul - dar acesta este un răspuns de prim nivel. Pentru a înțelege mai bine, trebuie să știți de ce gheața are o densitate scăzută, de ce lucrurile plutesc în primul rând, cum densitatea duce la plutire.
Amintiți-vă de geniul grec Arhimede, care a aflat că după scufundarea unui anumit obiect în apă, volumul apei crește cu un număr egal cu volumul obiectului scufundat. Cu alte cuvinte, dacă așezi un vas adânc pe suprafața apei și apoi așezi un obiect greu în el, volumul de apă care va fi turnat în vas va fi exact egal cu volumul obiectului. Nu contează dacă obiectul este complet scufundat sauparțial.
Proprietățile apei
Apa este o substanță uimitoare care, practic, hrănește viața pe pământ, pentru că fiecare organism viu are nevoie de ea. Una dintre cele mai importante proprietăți ale apei este că are cea mai mare densitate la 4°C. Astfel, apa fierbinte sau gheața este mai puțin densă decât apa rece. Substanțele mai puțin dense plutesc deasupra substanțelor mai dense.
De exemplu, în timp ce pregătiți o salată, veți observa că uleiul se află la suprafața oțetului - acest lucru se poate explica prin faptul că are o densitate mai mică. Aceeași lege este valabilă și pentru a explica de ce gheața nu se scufundă în apă, ci se scufundă în benzină și kerosen. Doar că aceste două substanțe au o densitate mai mică decât gheața. Deci, dacă arunci o minge gonflabilă în piscină, aceasta va pluti la suprafață, dar dacă arunci o piatră în apă, se va scufunda în fund.
Ce schimbări se întâmplă cu apa când îngheață
Motivul pentru care gheața nu se scufundă în apă se datorează legăturilor de hidrogen care se schimbă atunci când apa îngheață. După cum știți, apa este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Ele sunt atașate prin legături covalente care sunt incredibil de puternice. Cu toate acestea, celăl alt tip de legătură care se formează între diferite molecule, numită legătură de hidrogen, este mai slabă. Aceste legături se formează deoarece atomii de hidrogen încărcați pozitiv sunt atrași de atomii de oxigen încărcați negativ ai moleculelor de apă învecinate.
Când apa este caldă, moleculele sunt foarte active,se mișcă mult, formează și descompun rapid legături cu alte molecule de apă. Au energia să se apropie unul de altul și să se miște rapid. Deci de ce gheața nu se scufundă în apă? Chimia ascunde răspunsul.
Chimia fizică a gheții
Pe măsură ce temperatura apei scade sub 4 °C, energia cinetică a lichidului scade, astfel încât moleculele nu se mai mișcă. Nu au energie pentru a se mișca și sunt la fel de ușor ca la temperaturi ridicate să rupă și să formeze legături. În schimb, formează mai multe legături de hidrogen cu alte molecule de apă pentru a forma structuri hexagonale de rețea.
Ei formează aceste structuri pentru a menține moleculele de oxigen încărcate negativ separate. În mijlocul hexagoanelor formate ca urmare a activității moleculelor, există mult gol.
Gheața se scufundă în apă - motive
Gheața este de fapt cu 9% mai puțin densă decât apa lichidă. Prin urmare, gheața ocupă mai mult spațiu decât apa. Practic, acest lucru are sens deoarece gheața se extinde. Acesta este motivul pentru care nu este recomandat să înghețați o sticlă de apă - apa înghețată poate crea fisuri mari chiar și în beton. Dacă aveți o sticlă de un litru de gheață și o sticlă de un litru de apă, atunci o sticlă de apă cu gheață va fi mai ușor. Moleculele sunt mai îndepărtate în acest punct decât atunci când substanța este în stare lichidă. De aceea gheața nu se scufundă în apă.
Când gheața se topeștestructura cristalină stabilă se descompune și devine mai densă. Când apa se încălzește până la 4°C, câștigă energie și moleculele se deplasează mai repede și mai departe. Acesta este motivul pentru care apa caldă ocupă mai mult spațiu decât apa rece și plutește deasupra apei rece - are o densitate mai mică. Amintiți-vă că, atunci când vă aflați pe lac, în timp ce înotați, stratul superior de apă este întotdeauna frumos și cald, dar când vă lăsați picioarele în jos, simțiți răceala stratului de jos.
Semnificația procesului de înghețare a apei în funcționarea planetei
În ciuda faptului că întrebarea „De ce gheața nu se scufundă în apă?” pentru clasa a 3-a, este foarte important să înțelegem de ce se întâmplă acest proces și ce înseamnă pentru planetă. Astfel, flotabilitatea gheții are implicații importante pentru viața de pe Pământ. Lacurile îngheață iarna în locuri reci - acest lucru permite peștilor și altor animale acvatice să supraviețuiască sub calota de gheață. Dacă fundul ar fi înghețat, atunci există o probabilitate mare ca întregul lac să fie înghețat.
În astfel de condiții, nici un singur organism nu ar fi supraviețuit.
Dacă densitatea gheții ar fi mai mare decât densitatea apei, atunci oceanele s-ar scufunda în gheață, iar calotele glaciare care ar fi atunci la fund nu ar permite nimănui să trăiască acolo. Fundul oceanului ar fi plin de gheață - și în ce s-ar transforma totul? Printre altele, gheața polară este importantă deoarece reflectă lumina și împiedică planeta Pământ să se încălzească prea mult.
