چرا یخ شناور می‌شود؟

می‌خواهید آزمایش شناوری سرگرم کننده‌ای انجام بدهید؟ اگر از ‌خودتان سؤال می‌کرده‌اید که چرا یخ روی آب شناور می‌شود، مقاله‌ی زیر همه‌ی پاسخ‌ها را با توجه به پدیده‌ی طبیعی شناوری به شما خواهد داد.
حتماً فکر ساده‌ای از ذهن شما گذشته است: چرا یخ در آب شناور می شود؟ این سؤال بسیار ساده است آن قدر ‌که ممکن است به عنوان امری مبرهن خوانده شود، اما توضیح علمی بسیار پیچیده‌‌‌‌ای دارد. یکی از محبوب‌ترین آزمایش‌های بچه‌های کوچک مدرسه‌ای آزمایشی است که تفاوت بین چیزهایی که غرق می‌شوند و چیزها‌یی که شناور می‌شوند را توضیح ‌دهد.

شناور شدن یخ‌ روی آب

چگالی نقش مهمی در شناور شدن یخ روی آب بازی می‌کند. چگالی را به عنوان خاصیت‌های کیفی یک ماده تعریف می‌کنیم که براساس جرم بر واحد حجم محاسبه می‌شود. یخ حالت جامد آب مایع، یعنی آب منجمد شده است. آب چگالتر از یخ است. یخ از قوانین پایه‌ی ترمودینامیک پیروی نمی‌کند. طبق این قوانین جرم جامدی که سنگین‌تر از آب است در آب غرق می‌شود، اما یخ به جای غرق شدن در آب شناور می‌شود چون از آب سبک‌تر است.
مایعات هنگام سرد شدن منقبض می‌شوند. مولکول‌های منفرد و آزاد مایع تا وقتی که ماده به جامد تبدیل شود ازسرعت خود می‌کاهند و متوقف می‌شوند. آب هم منقبض می‌شود اما تا نقطه‌ای مشخص. همین‌طور که دما افت می‌کند مولکول‌ها از سرعت خود می‌کاهند و منقبض می‌شوند. وقتی دما به °4 سانتیگراد می‌رسد و می‌خواهد پایین‌تر بیاید، آب شروع به انبساط می‌کند. این خاصیت بی‌ همتای یخ در ساختار مولکولی آن نهفته است. توضیح زیر در باره‌ی پیوندهای هیدروژنی آب و یخ علت این که یخ روی آب شناور می‌شود را بیان می‌کند.

ساختار مولکولی آب

ساختار شیمیایی آب H2O است. بنا بر این دو اتم هیدروژن H و یک اتم اکسیژنO در آب وجود دارد. این اتمها با به اشتراک گذاشتن پیوند کووالانسی به یک دیگر متصل شده‌اند. طی این پیوند اتم‌ها الکترون‌هایشان را با یک دیگر به اشتراک می‌گذارند. اتم‌های اکسیژن بارمنفی بسیار کمی نسبت به اتم‌های هیدروژن دارند به طوری که اکسیژن تمایل شدیدی به جذب الکترون‌ها دارد. جذب اکسیژن بار مثبت بسیار کمی به هیدروژن می‌دهد. بنا بر این مولکول‌های H2O جذب یک دیگر می‌شوند. این تعامل بین مولکول‌های همسایه در آب توسط اتم‌های اکسیژن با بار منفی و اتم‌های هیدروژن با بار مثبت بسیار کم به پیوند هیدروژنی معروف است. پیوندهای کووالانسی محکم‌تر از پیوندهای هیدروژنی هستند. گفته می‌شود مولکول H2O قطبی است چرا ‌که یک سر آن بار منفی بسیار کم و سر دیگرش بار مثبت بسیار کمی دارد.

چرا یخ در لیوان آب شناور می‌شود؟

یک لیوان آب را تصور کنید، همه‌ی مولکول‌های آب با عجله در حال دویدن توی لیوان هستند. تعدادی اتم با بار منفی بسیار کم و تعدادی اتم با ابر مثبت بسیار کم وجود دارند. این مسئله باعث جاذبه بین مولکول‌ها می‌شود. نیروی چگالی آب هم وجود دارد که برابر است با 2 پوند بر اینچ مربع .(psi) وقتی یخ را به لیوان آب اضافه می‌کنید، چگالی مکعب یخ کم‌تر از2 psi
است، بنا بر این یخ در لیوان آب شناور می‌شود.

چرا یخ در آب شناور اما در الکل غرق می‌شود؟

جواب به همین سادگی است، چگالی الکل کمتر از آب است و وزن مخصوصی دارد که کمتر از 1 است. چگالی مولکولی یخ ‌بیشتر از الکل است و بنا بر این یخ تا کف ظرف پایین می‌رود، درحالی که در مورد آب همان طور که در بالا دیده شد یخ سبک‌تر از آب است و در لیوان آب شناور می‌شود.
چگالی یخ کمتر از آب است و طی سرد شدن به جای انقباض، انبساط پیدا می‌کند. بنا بر این حجم یخ بیشتر از حجم آب مایع با جرم یکسان است و درنتیجه یخ شناور می‌شود.
برطبق اصل ترمودینامیک، با افزایش فاصله‌ی مولکول‌ها از یک دیگر چگالی کاهش و با کاهش دما چگالی افزایش می‌یابد. آن چه در مورد یخ روی می‌دهد بر خلاف این اصل است. یخ حجم بیشتری نسبت به آب مایع اشغال می‌کند و بنا بر این چگالی کمتری نسبت به آب دارد.
چگالی یخ 9% کمتر از آب مایع است و حجم آن 9% بیشتر از آب است. آب متراکم‌تر جای گزین یخ و یخ در سطح آب شناور می‌شود. مادر طبیعت بسیار با هوش است. در زمستان وقتی همه‌ی رودخانه‌ها و دریاچه‌ها یخ می‌زنند، تنها لایه‌ی سطحی منجمد می‌شود و آب زیر یخ مایع است. این مسئله به بقای تمام گیاهان وجانوران آب زی کمک می‌کند. اگر یخ تا کف آب فرو برود، باعث جا به جایی آب و به سطح آمدن آن خواهد ‌شد. از آن جایی که آب بیشتری در معرض یخ زدن قرار می‌گیرد، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها به یخ تبدیل خواهند ‌شد، که منجر به نابودی حیات آب زیان می‌شود. بنا بر این، این، شیوه‌ی طبیعت است در محافظت کردن از دارایی‌های با ارزشش.