Poliariniai ledo luitai ir ledkalniai dreifuoja vandenyne ir net gėrimuose ledas niekada nenugrimzta į dugną. Galima daryti išvadą, kad ledas vandenyje neskęsta. Kodėl? Gerai pagalvojus, šis klausimas gali pasirodyti kiek keistas, nes ledas yra kietas ir – intuityviai – turėtų būti sunkesnis už skystą. Nors šis teiginys tinka daugumai medžiagų, vanduo yra taisyklės išimtis. Vanduo ir ledas išsiskiria vandeniliniais ryšiais, dėl kurių ledas kietas yra lengvesnis nei skystas.
Mokslinis klausimas: kodėl ledas neskęsta vandenyje
Įsivaizduokime, kad 3 klasėje dalyvaujame pamokoje „Pasaulis aplink“. „Kodėl ledas neskęsta vandenyje?“– klausia vaikų mokytojas. Ir vaikai, neturėdami gilių fizikos žinių, pradeda samprotauti. – Galbūt tai magija? sako vienas iš vaikų.
Iš tiesų, ledas yra labai neįprastas. Kitų natūralių medžiagų, kurios kietos būsenos galėtų plūduriuoti skysčio paviršiuje, praktiškai nėra. Tai viena iš savybių, dėl kurių vanduo yra tokia neįprasta medžiaga, ir, atvirai kalbant, ji keičia planetos evoliucijos kelią.
Yra kai kurių planetų, kuriose yra daug skystų angliavandenilių, tokių kaip amoniakas, tačiau užšalus ši medžiaga nugrimzta į dugną. Ledas neskęsta vandenyje dėl to, kad užšaldamas vanduo plečiasi, o kartu su juo mažėja ir jo tankis. Įdomu tai, kad besiplečiantis ledas gali sulaužyti uolas – vandens apledėjimo procesas toks neįprastas.
Moksliškai kalbant, užšalimo procesas sukelia greitus atmosferos poveikio ciklus ir tam tikros cheminės medžiagos, išsiskiriančios ant paviršiaus, gali ištirpinti mineralus. Apskritai, yra procesų ir galimybių, susijusių su vandens užšalimu, kurių kitų skysčių fizinės savybės nereiškia.
Ledo ir vandens tankis
Taigi atsakymas į klausimą, kodėl ledas neskęsta vandenyje, o plūduriuoja paviršiuje, yra toks, kad jo tankis yra mažesnis nei skysčio, bet tai yra pirmojo lygio atsakymas. Kad geriau suprastumėte, turite žinoti, kodėl ledo tankis mažas, kodėl daiktai pirmiausia plūduriuoja, kaip tankis lemia plūduriavimą.
Prisiminkime graikų genijų Archimedą, kuris išsiaiškino, kad panardinus tam tikrą objektą į vandenį vandens tūris padidėja skaičiumi, lygiu panardinto objekto tūriui. Kitaip tariant, jei ant vandens paviršiaus pastatysite gilų indą, o po to įdėsite į jį sunkų daiktą, vandens tūris, kuris bus pilamas į indą, bus lygiai toks pat kaip objekto tūris. Nesvarbu, ar objektas yra visiškai panardintas ariš dalies.
Vandens savybės
Vanduo yra nuostabi medžiaga, kuri iš esmės maitina gyvybę žemėje, nes jo reikia kiekvienam gyvam organizmui. Viena iš svarbiausių vandens savybių yra ta, kad jo tankis didžiausias esant 4°C temperatūrai. Taigi karštas vanduo ar ledas yra mažiau tankus nei š altas vanduo. Mažiau tankios medžiagos plūduriuoja ant tankesnių medžiagų.
Pavyzdžiui, ruošdami salotas pastebėsite, kad aliejus yra ant acto paviršiaus – tai galima paaiškinti tuo, kad jo tankis mažesnis. Tas pats dėsnis galioja ir aiškinant, kodėl ledas neskęsta vandenyje, o skęsta benzine ir žibale. Tiesiog šių dviejų medžiagų tankis yra mažesnis nei ledo. Taigi, jei įmessite pripučiamą kamuolį į baseiną, jis plūduriuos paviršiumi, o jei įmessite akmenį į vandenį, jis nusės į dugną.
Kokie pasikeičia vanduo, kai jis užšąla
Priežastis, dėl kurios ledas neskęsta vandenyje, yra dėl vandenilio ryšių, kurie pasikeičia vandeniui užšalus. Kaip žinote, vandenį sudaro vienas deguonies atomas ir du vandenilio atomai. Jie yra sujungti kovalentiniais ryšiais, kurie yra neįtikėtinai stiprūs. Tačiau kitos rūšies ryšys, susidarantis tarp skirtingų molekulių, vadinamas vandenilio ryšiu, yra silpnesnis. Šie ryšiai susidaro, nes teigiamai įkrautus vandenilio atomus traukia gretimų vandens molekulių neigiamai įkrauti deguonies atomai.
Kai vanduo šiltas, molekulės yra labai aktyvios,daug juda, greitai formuoja ir ardo ryšius su kitomis vandens molekulėmis. Jie turi energijos priartėti vienas prie kito ir greitai judėti. Taigi kodėl ledas neskęsta vandenyje? Chemija slepia atsakymą.
Fizikinė ledo chemija
Vandens temperatūrai nukritus žemiau 4 °C, skysčio kinetinė energija mažėja, todėl molekulės nebejuda. Jie neturi energijos judėti ir yra taip pat lengva, kaip aukštoje temperatūroje, nutrūkti ir suformuoti ryšius. Vietoj to, jie sudaro daugiau vandenilio ryšių su kitomis vandens molekulėmis ir sudaro šešiakampes gardelės struktūras.
Jie sudaro šias struktūras, kad atskirtų neigiamą krūvį turinčias deguonies molekules. Šešiakampių, susidarančių dėl molekulių veiklos, viduryje yra daug tuštumos.
Ledas skęsta vandenyje – priežastys
Ledas iš tikrųjų yra 9 % mažesnis nei skystas vanduo. Todėl ledas užima daugiau vietos nei vanduo. Praktiškai tai prasminga, nes ledas plečiasi. Būtent todėl nerekomenduojama užšaldyti stiklinio vandens butelio – užšalęs vanduo gali susidaryti didelių įtrūkimų net betone. Jei turite litro butelį ledo ir litrinį butelį vandens, tada ledinio vandens butelį bus lengviau. Šiuo metu molekulės yra toliau viena nuo kitos nei tada, kai medžiaga yra skystoje būsenoje. Štai kodėl ledas neskęsta vandenyje.
Kai ledas ištirpsstabili kristalų struktūra suyra ir tampa tankesnė. Kai vanduo sušyla iki 4°C, jis įgauna energijos, o molekulės juda greičiau ir toliau. Dėl šios priežasties karštas vanduo užima daugiau vietos nei š altas ir plūduriuoja ant š alto vandens – jo tankis mažesnis. Atsiminkite, kai būnate ežere, maudantis, viršutinis vandens sluoksnis visada būna gražus ir šiltas, tačiau nuleidus kojas pajuntate apatinio sluoksnio š altį.
Vandens užšalimo proceso reikšmė planetos funkcionavimui
Nepaisant to, kad klausimas "Kodėl ledas neskęsta vandenyje?" 3 klasei labai svarbu suprasti, kodėl šis procesas vyksta ir ką jis reiškia planetai. Taigi, ledo plūdrumas turi svarbių pasekmių gyvybei Žemėje. Ežerai žiemą užšąla š altose vietose – tai leidžia žuvims ir kitiems vandens gyvūnams išgyventi po ledo danga. Jei dugnas būtų užšalęs, didelė tikimybė, kad užšals visas ežeras.
Tokiomis sąlygomis nei vienas organizmas nebūtų išgyvenęs.
Jei ledo tankis būtų didesnis nei vandens tankis, tai vandenynai skęstų lede, o ledo kepurės, kurios tada būtų apačioje, neleistų ten niekam gyventi. Vandenyno dugnas būtų pilnas ledo – o į ką visa tai virstų? Be kita ko, poliarinis ledas yra svarbus, nes jis atspindi šviesą ir neleidžia Žemės planetai per daug įkaisti.
