A sarki jégtömbök és jéghegyek sodródnak az óceánban, és még az italokban sem süllyed a jég a fenékre. Megállapítható, hogy a jég nem süllyed el a vízben. Miért? Ha belegondolunk, ez a kérdés kissé furcsának tűnhet, mert a jég szilárd, és – intuitív módon – nehezebbnek kell lennie, mint a folyékony. Bár ez az állítás a legtöbb anyagra igaz, a víz kivétel a szabály alól. A vizet és a jeget hidrogénkötések különböztetik meg, amelyek szilárd állapotban könnyebbé teszik a jeget, mint folyékony állapotban.
Tudományos kérdés: miért nem süllyed el a jég a vízben
Képzeljük el, hogy a „The World Around” című leckében vagyunk a 3. osztályban. „Miért nem süllyed el a jég a vízben?” – kérdezi a tanár a gyerekektől. És a gyerekek, mivel nem rendelkeznek mély fizikális ismeretekkel, okoskodni kezdenek. – Talán varázslat? mondja az egyik gyerek.
Valóban, a jég rendkívül szokatlan. Gyakorlatilag nincs más természetes anyag, amely szilárd állapotban lebeghetne a folyadék felszínén. Ez az egyik olyan tulajdonság, amely a vizet olyan szokatlan anyaggá teszi, és őszintén szólva ez az, ami megváltoztatja a bolygófejlődés útját.
Vannak bolygók, amelyek hatalmas mennyiségű folyékony szénhidrogént, például ammóniát tartalmaznak – fagyáskor azonban ez az anyag a fenékre süllyed. A jég nem süllyed el a vízben az az oka, hogy amikor a víz megfagy, kitágul, és ezzel együtt a sűrűsége is csökken. Érdekes módon a jég tágulása széttörheti a sziklákat – a víz eljegesedésének folyamata annyira szokatlan.
Tudományosan szólva, a fagyasztási folyamat gyors időjárási ciklusokat hoz létre, és bizonyos, a felszínen felszabaduló vegyszerek feloldhatják az ásványokat. Általánosságban elmondható, hogy a víz megfagyásával kapcsolatban vannak olyan folyamatok és lehetőségek, amelyekre más folyadékok fizikai tulajdonságai nem utalnak.
Jég és víz sűrűsége
Tehát arra, hogy a jég miért nem süllyed el a vízben, hanem úszik a felszínen, az az, hogy sűrűsége kisebb, mint a folyadéké – de ez az első szintű válasz. A jobb megértéshez tudnod kell, miért alacsony a jég sűrűsége, miért úsznak a dolgok először, hogyan vezet a sűrűség az úszáshoz.
Emlékezzünk vissza a görög zsenire, Arkhimédészre, aki rájött, hogy miután egy bizonyos tárgyat vízbe merítünk, a víz térfogata a bemerített tárgy térfogatával megegyező számmal megnő. Más szóval, ha egy mély edényt helyezünk a víz felszínére, majd belehelyezünk egy nehéz tárgyat, akkor az edénybe öntött víz térfogata pontosan megegyezik a tárgy térfogatával. Nem mindegy, hogy az objektum teljesen elmerül, illrészben.
A víz tulajdonságai
A víz egy csodálatos anyag, amely alapvetően táplálja a földi életet, mert minden élő szervezetnek szüksége van rá. A víz egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy 4°C-on a legnagyobb a sűrűsége. Így a forró víz vagy a jég kevésbé sűrű, mint a hideg víz. A kevésbé sűrű anyagok lebegnek a sűrűbb anyagok tetején.
Például egy saláta elkészítése közben észreveszi majd, hogy az olaj az ecet felületén van – ez azzal magyarázható, hogy kisebb a sűrűsége. Ugyanez a törvény arra is érvényes, hogy megmagyarázza, miért nem süllyed el a jég a vízben, hanem a benzinben és a kerozinban. Csak hát ennek a két anyagnak kisebb a sűrűsége, mint a jégnek. Tehát, ha egy felfújható labdát a medencébe dobsz, az a felszínen lebeg, de ha a vízbe dobsz egy követ, az a fenékre süllyed.
Mi történik a vízzel, ha megfagy?
Az ok, amiért a jég nem süllyed a vízben, a hidrogénkötéseknek köszönhető, amelyek a víz megfagyásakor megváltoznak. Mint tudják, a víz egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll. Hihetetlenül erős kovalens kötések kötik össze őket. A különböző molekulák között kialakuló másik típusú kötés, az úgynevezett hidrogénkötés azonban gyengébb. Ezek a kötések azért jönnek létre, mert a pozitív töltésű hidrogénatomok vonzódnak a szomszédos vízmolekulák negatív töltésű oxigénatomjaihoz.
Amikor a víz meleg, a molekulák nagyon aktívak,sokat mozognak, gyorsan kötéseket alakítanak ki és bomlanak le más vízmolekulákkal. Megvan nekik az energiájuk ahhoz, hogy közeledjenek egymáshoz és gyorsan mozogjanak. Miért nem süllyed el a jég a vízben? A kémia elrejti a választ.
Jég fizikai kémiája
Ahogy a víz hőmérséklete 4 °C alá csökken, a folyadék mozgási energiája csökken, így a molekulák már nem mozognak. Nincs elegendő energiájuk a mozgáshoz, és olyan könnyen felszakadnak és kötéseket alkotnak, mint magas hőmérsékleten. Ehelyett több hidrogénkötést képeznek más vízmolekulákkal, és hatszögletű rácsszerkezeteket alkotnak.
Ezeket a struktúrákat azért alkotják, hogy távol tartsák egymástól a negatív töltésű oxigénmolekulákat. A molekulák tevékenysége következtében kialakuló hatszögek közepén nagy az üresség.
Jég süllyed a vízben – okok
A jég valójában 9%-kal kevésbé sűrű, mint a folyékony víz. Ezért a jég több helyet foglal el, mint a víz. Gyakorlatilag ennek van értelme, mert a jég kitágul. Éppen ezért nem ajánlott egy üveg vizet lefagyasztani – a fagyott víz még a betonban is nagy repedéseket okozhat. Ha van egy literes palack jeges és egy literes palack vizünk, akkor könnyebb lesz egy jeges vizes palack. A molekulák ezen a ponton távolabb vannak egymástól, mint amikor az anyag folyékony állapotban van. Ezért nem süllyed el a jég a vízben.
Amikor a jég elolvada stabil kristályszerkezet felbomlik és sűrűbbé válik. Amikor a víz 4°C-ra melegszik, energiát nyer, és a molekulák gyorsabban és távolabb mozognak. Ez az oka annak, hogy a meleg víz több helyet foglal el, mint a hideg, és a hideg víz tetején lebeg – kisebb a sűrűsége. Ne feledje, amikor a tavon tartózkodik, úszás közben a víz felső rétege mindig kellemes és meleg, de amikor leteszi a lábát, érzi az alsó réteg hidegét.
A víz fagyás folyamatának jelentősége a bolygó működésében
Annak ellenére, hogy a "Miért nem süllyed el a jég a vízben?" A 3. osztály számára nagyon fontos megérteni, miért történik ez a folyamat, és mit jelent ez a bolygó számára. Így a jég felhajtóereje fontos hatással van a földi életre. A tavak télen befagynak a hideg helyeken – ez lehetővé teszi a halak és más vízi állatok túlélését a jégtakaró alatt. Ha a fenék befagyott, akkor nagy a valószínűsége annak, hogy az egész tó befagyott.
Ilyen körülmények között egyetlen élőlény sem maradt volna életben.
Ha a jég sűrűsége nagyobb lenne, mint a víz sűrűsége, akkor az óceánok jégbe süllyednének, és az akkor alul lévő jégsapkák nem engednék meg senkinek, hogy ott éljen. Az óceán feneke tele lenne jéggel – és mivé válik az egész? A sarki jég többek között azért is fontos, mert visszaveri a fényt, és megóvja a Földet a túlmelegedéstől.
