Polárne ľadové bloky a ľadovce sa unášajú v oceáne a dokonca ani v nápojoch ľad nikdy neklesne na dno. Dá sa usúdiť, že ľad vo vode neklesá. prečo? Ak sa nad tým zamyslíte, môže sa vám zdať táto otázka trochu zvláštna, pretože ľad je pevný a – intuitívne – by mal byť ťažší ako tekutý. Aj keď toto tvrdenie platí pre väčšinu látok, voda je výnimkou z pravidla. Voda a ľad sa vyznačujú vodíkovými väzbami, vďaka ktorým je ľad v pevnom stave ľahší, než keď je v tekutom stave.
Vedecká otázka: prečo ľad neklesá vo vode
Predstavme si, že sme na hodine s názvom „Svet okolo“v 3. ročníku. "Prečo ľad neklesá vo vode?" pýta sa učiteľka detí. A deti, ktoré nemajú hlboké znalosti fyziky, začnú uvažovať. "Možno je to mágia?" hovorí jedno z detí.
Ľad je skutočne mimoriadne nezvyčajný. Prakticky neexistujú žiadne iné prírodné látky, ktoré by v pevnom stave mohli plávať na hladine kvapaliny. Toto je jedna z vlastností, ktorá robí vodu takou nezvyčajnou látkou a, úprimne povedané, práve ona mení cestu planetárneho vývoja.
Existujú planéty, ktoré obsahujú obrovské množstvo tekutých uhľovodíkov, ako je amoniak – avšak po zmrazení tento materiál klesá ku dnu. Dôvod, prečo ľad vo vode neklesá, je ten, že keď voda zamrzne, roztiahne sa a s tým sa zníži aj jej hustota. Zaujímavé je, že expanzia ľadu môže lámať skaly – proces zaľadnenia vody je taký nezvyčajný.
Vedecky povedané, proces zmrazovania nastavuje rýchle cykly zvetrávania a určité chemikálie uvoľnené na povrchu môžu rozpúšťať minerály. Vo všeobecnosti existujú procesy a možnosti spojené so zmrazovaním vody, ktoré fyzikálne vlastnosti iných kvapalín nenaznačujú.
Hustota ľadu a vody
Odpoveď na otázku, prečo ľad neklesá vo vode, ale pláva na povrchu, je, že má nižšiu hustotu ako kvapalina – ale to je odpoveď prvej úrovne. Aby ste lepšie porozumeli, musíte vedieť, prečo má ľad nízku hustotu, prečo veci plávajú, ako hustota vedie k plávaniu.
Pripomeňme si gréckeho génia Archimeda, ktorý zistil, že po ponorení určitého predmetu do vody sa objem vody zväčší o číslo, ktoré sa rovná objemu ponoreného predmetu. Inými slovami, ak na hladinu vody položíte hlbokú misku a potom do nej položíte ťažký predmet, objem vody, ktorý sa naleje do misky, sa bude presne rovnať objemu predmetu. Nezáleží na tom, či je objekt celý ponorený respčiastočne.
Vlastnosti vody
Voda je úžasná látka, ktorá v podstate živí život na Zemi, pretože ju potrebuje každý živý organizmus. Jednou z najdôležitejších vlastností vody je, že má najvyššiu hustotu pri 4°C. Horúca voda alebo ľad sú teda menej husté ako studená voda. Menej husté látky plávajú na vrchu hustejších látok.
Napríklad pri príprave šalátu si všimnete, že olej je na povrchu octu – dá sa to vysvetliť tým, že má nižšiu hustotu. Rovnaký zákon platí aj pre vysvetlenie, prečo ľad neklesá vo vode, ale klesá v benzíne a petroleji. Ide len o to, že tieto dve látky majú nižšiu hustotu ako ľad. Ak teda hodíte nafukovaciu loptu do bazéna, bude plávať na hladine, ale ak hodíte kameň do vody, klesne na dno.
Aké zmeny sa dejú s vodou, keď zamrzne
Dôvod, prečo ľad vo vode neklesá, je spôsobený vodíkovými väzbami, ktoré sa menia, keď voda zamrzne. Ako viete, voda sa skladá z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka. Sú spojené kovalentnými väzbami, ktoré sú neuveriteľne silné. Iný typ väzby, ktorý sa tvorí medzi rôznymi molekulami, nazývaný vodíková väzba, je však slabší. Tieto väzby vznikajú, pretože kladne nabité atómy vodíka sú priťahované k záporne nabitým atómom kyslíka susedných molekúl vody.
Keď je voda teplá, molekuly sú veľmi aktívne,veľa pohybovať, rýchlo vytvárať a rozkladať väzby s inými molekulami vody. Majú energiu priblížiť sa k sebe a rýchlo sa pohybovať. Prečo teda ľad neklesá vo vode? Chémia skrýva odpoveď.
Fyzikálna chémia ľadu
Keď teplota vody klesne pod 4 °C, kinetická energia kvapaliny sa zníži, takže molekuly sa už nepohybujú. Nemajú energiu na pohyb a rovnako ľahko ako pri vysokej teplote sa rozbijú a vytvárajú väzby. Namiesto toho vytvárajú viac vodíkových väzieb s inými molekulami vody, čím vytvárajú hexagonálne mriežkové štruktúry.
Tvoria tieto štruktúry, aby držali negatívne nabité molekuly kyslíka od seba. V strede šesťuholníkov, ktoré vznikli aktivitou molekúl, je veľa prázdnoty.
Ľad klesá vo vode – dôvody
Ľad má v skutočnosti o 9 % menšiu hustotu ako tekutá voda. Ľad preto zaberá viac miesta ako voda. Prakticky to dáva zmysel, pretože ľad sa rozširuje. Preto sa neodporúča zmrazovať sklenenú fľašu s vodou - zamrznutá voda môže vytvoriť veľké trhliny aj v betóne. Ak máte litrovú fľašu ľadu a litrovú fľašu vody, potom bude fľaša s ľadovou vodou jednoduchšia. Molekuly sú v tomto bode ďalej od seba, ako keď je látka v kvapalnom stave. To je dôvod, prečo ľad vo vode neklesá.
Keď sa ľad roztopístabilná kryštálová štruktúra sa rozpadá a stáva sa hustejšou. Keď sa voda zohreje na 4°C, získava energiu a molekuly sa pohybujú rýchlejšie a ďalej. To je dôvod, prečo horúca voda zaberá viac miesta ako studená a pláva na studenej vode – má menšiu hustotu. Pamätajte, že keď ste pri plávaní na jazere, vrchná vrstva vody je vždy príjemná a teplá, ale keď si dáte nohy dole, pocítite chlad spodnej vrstvy.
Význam procesu zamŕzania vody vo fungovaní planéty
Napriek tomu, že otázka "Prečo ľad neklesá do vody?" pre 3. ročník je veľmi dôležité pochopiť, prečo sa tento proces deje a čo to znamená pre planétu. Vztlak ľadu má teda dôležité dôsledky pre život na Zemi. Jazerá zamŕzajú v zime na chladných miestach – to umožňuje rybám a iným vodným živočíchom prežiť pod ľadovou pokrývkou. Ak by bolo zamrznuté dno, potom je vysoká pravdepodobnosť, že by mohlo zamrznúť celé jazero.
V takýchto podmienkach by neprežil ani jeden organizmus.
Ak by hustota ľadu bola vyššia ako hustota vody, potom by sa oceány ponorili do ľadu a ľadové čiapky, ktoré by potom boli na dne, by nedovolili nikomu tam žiť. Dno oceánu by bolo plné ľadu – a na čo by sa to všetko zmenilo? Polárny ľad je okrem iného dôležitý, pretože odráža svetlo a zabraňuje prehriatiu planéty Zem.
