Γιατί το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει;

Όταν το νερό παγώνει, τα μόριά του διατάσσονται σε μια κρυσταλλική δομή, αποκτώντας έτσι ένα καθορισμένο σχήμα. Αυτή η κρυσταλλική δομή είναι λιγότερο πυκνή και δεδομένου ότι υπάρχουν κενά μεταξύ των μεμονωμένων μορίων στη δομή, ο συνολικός όγκος αυξάνεται και το νερό «διαστέλλεται».

Με μια πρόχειρη ματιά, η φράση "το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει" μπορεί να μην έχει νόημα, επειδή σε υγρή μορφή το νερό δεν έχει καθορισμένο σχήμα ή μορφή και επομένως φαίνεται να καταλαμβάνει περισσότερο χώρο. Επίσης, όταν παγώνει, το νερό παίρνει μια σαφώς καθορισμένη μορφή, η οποία φαίνεται ακριβώς το αντίθετο της «διαστολής».

Επιτρέψτε μου λοιπόν να ξεκινήσω αναλύοντας το ερώτημα που τίθεται στον τίτλο του άρθρου.

Ο πάγος έχει μεγαλύτερο όγκο σε σύγκριση με το νερό; (Photo Credit :George Hodan / Public Domain Pictures)

Το νερό διαστέλλεται πραγματικά όταν παγώνει;

Ναι, το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει. Σημειώστε ότι η λέξη "επεκτείνεται" σε αυτήν την πρόταση υποδηλώνει αύξηση στον όγκο . Έτσι, ένας τεχνικά ορθός τρόπος για να το θέσουμε θα ήταν:η ένταση του νερού αυξάνεται όταν παγώνει.

Αυτή η δήλωση είναι ακριβής και μπορείτε να ελέγξετε τη νομιμότητά της με ένα απλό πείραμα:αν χαμηλώσετε τη θερμοκρασία του νερού, θα παρατηρήσετε ότι ο όγκος του νερού μειώνεται καθώς γίνεται όλο και πιο «άθικτο».

Μπορείτε να ανατρέξετε στον παρακάτω πίνακα για να δείτε πόσο διαστέλλεται το νερό όταν παγώνει:

Σημειώστε ότι ο όγκος του νερού αρχίζει να αυξάνεται καθώς η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τους 4 βαθμούς Κελσίου.

Τώρα, ας μιλήσουμε για το γιατί ο όγκος του νερού αυξάνεται ή γιατί διαστέλλεται όταν παγώνει και αποκτά στερεή μορφή.

Γιατί αυξάνεται ο όγκος του νερού όταν παγώνει;

Αυτό το φαινόμενο έχει να κάνει με τη χημική σύσταση του νερού. Βλέπετε, ένα μόριο νερού αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Η διάταξη αυτών των ατόμων είναι αρκετά μοναδική, γεγονός που προσδίδει στο νερό ορισμένες ειδικές ιδιότητες, όπως η υψηλή θερμοχωρητικότητα του νερού, η επιφανειακή τάση, η πρόσφυση και η συνοχή.

Χημική δομή ενός μορίου νερού.

Αυτή η διάταξη ενός μορίου νερού δημιουργεί μια θετικά φορτισμένη πλευρά κοντά στα άτομα υδρογόνου και μια αρνητικά φορτισμένη πλευρά κοντά στο άτομο οξυγόνου.

Όταν δύο μόρια νερού έρχονται κοντά, η θετική πλευρά του ενός μορίου προσκολλάται στην αρνητική πλευρά του άλλου μορίου. Όταν αυτό συμβαίνει σε μεγάλη κλίμακα (δηλαδή με εκατομμύρια μόρια νερού), αυτό που λαμβάνετε είναι μια μοναδική δομή, η οποία ευθύνεται για ορισμένες από τις χημικές ιδιότητες του νερού.

Σε υγρή μορφή, τα μόρια του νερού μπορούν να κινούνται ελεύθερα, σχηματίζοντας και σπάζοντας δεσμούς υδρογόνου στη διαδικασία, μια ιδιότητα που ευθύνεται για το ακανόνιστο σχήμα του νερού (ή οποιουδήποτε υγρού, για αυτό το θέμα). Ορισμένα μόρια νερού συχνά «στοιβάζονται» το ένα πάνω στο άλλο, γεγονός που εξηγεί την υψηλότερη πυκνότητα του νερού σε σύγκριση με τον πάγο.

Η διάταξη των μορίων του νερού σε υγρή μορφή.

Ωστόσο, καθώς η θερμοκρασία πέφτει και το νερό κρυώνει, οι διαμοριακές δυνάμεις αυξάνονται, η ελευθερία κινήσεων των μορίων του νερού μειώνεται και γίνονται όλο και λιγότερο ενεργητικά (με τη μείωση της θερμοκρασίας).

Όταν το νερό φτάσει στο σημείο πήξης του, η κίνηση των μορίων του γίνεται αμελητέα καθώς παίρνουν ένα πιο καθορισμένο σχήμα, διατεταγμένα σε πλέγματα έξι όψεων.

Παρακάτω είναι μια υπεραπλουστευμένη εκδοχή της διάταξης των μορίων του νερού στην κρυσταλλική τους μορφή στον πάγο:

Η διάταξη των μορίων του νερού σε στερεή μορφή.

Αυτή η κρυσταλλική διάταξη των μορίων του νερού είναι λιγότερο πυκνή, καθώς εμποδίζει τα μόρια να συσσωρευτούν (όπως συμβαίνει στην υγρή μορφή) λόγω ισχυρότερων διαμοριακών δυνάμεων.

Αυτή η απόσταση των μορίων και η διατήρηση τους σταθερά σε αυτή τη θέση αυξάνει τον όγκο του νερού, γι' αυτό λέγεται ότι το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει.

Αυτός είναι ο λόγος που ο πάγος επιπλέει στο νερό

Το νερό διαστέλλεται όταν γίνεται πάγος και δεδομένου ότι ο όγκος είναι αντιστρόφως ανάλογος με την πυκνότητα μιας ουσίας, ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το νερό. Για αυτόν τον λόγο, ο πάγος, μια ουσία που φαίνεται πιο βαριά από την υγρή του μορφή, επιπλέει στο νερό.

Εάν το νερό δεν διαστέλλεται όταν πάγωσε, τότε ο πάγος θα ήταν πιο πυκνός από το νερό. Σκεφτείτε τις επιπτώσεις στο οικοσύστημα του πλανήτη! Ο πάγος στην επιφάνεια των λιμνών, των θαλασσών και των ωκεανών θα βυθιζόταν και αυτά τα υδάτινα σώματα θα γέμιζαν σταδιακά από κάτω προς τα πάνω. Με παγωμένες λίμνες και ωκεανούς, δεν θα υπήρχε υδρόβια ζωή στη Γη.

Από αυτή την άποψη, είναι πολύ καλό που το νερό διαστέλλεται στη στερεά του μορφή!