В океані дрейфують полярні крижані брили і айсберги, і навіть в напоях лід ніколи не опускається на дно. Можна зробити висновок, що лід не тоне у воді. Чому? Якщо подумати про це, то це питання може здатися трохи дивним, тому що лід твердий і — інтуїтивно — повинен бути важче рідини. Хоча це твердження справедливо для більшості речовин, вода є винятком з правила. Воду і лід відрізняють водневі зв'язки, які в твердому стані роблять лід легше, ніж коли він перебуває в рідкому стані.

Питання науковий: чому лід не тоне у воді

Уявімо, що ми знаходимося на уроці під назвою «Навколишній світ» у 3 класі. «Чому лід не тоне у воді?», — запитує вчителька дітей. І малюки, не маючи глибоких пізнань у фізиці, починають розмірковувати. «Можливо, це магія?» — заявляє один з дітей. Дійсно, лід вкрай незвичайний. Практично немає ніяких інших природних речовин, які у твердому стані могли б плавати на поверхні рідини. Це одне з властивостей, що робить воду таким незвичайним речовиною і, якщо зізнатися, саме воно змінює шляху еволюції планет. Існують деякі планети, які містять величезну кількість таких рідких вуглеводнів, як, наприклад, аміак — тим не менш, при замерзанні цей матеріал опускається на дно. Причина того, чому лід не тоне у воді, полягає в тому, що при замерзанні вода розширюється, і разом з цим знижується її щільність. Цікаво, розширення льоду може розбити камені — настільки незвичайний процес зледеніння води.


Кажучи науковою мовою, в процесі замерзання встановлюються швидкі цикли вивітрювання і певні хімічні речовини, що виділяються на поверхні здатні розчиняти мінерали. В цілому, з замерзанням води пов'язані такі процеси і можливості, яких фізичні властивості інших рідин не припускають.

Щільність льоду і води

Таким чином, відповідь на питання про те, чому лід не тоне у воді, а плаває на поверхні, полягає в тому, що він має меншу щільність, ніж рідина — але це відповідь першого рівня. Для кращого розуміння потрібно знати, чому у льоду низька щільність, чому речі спливають в першу чергу, як щільність призводить до плавання. Згадаймо грецького генія Архімеда, який з'ясував, що після занурення певного предмета у воду об'єм води збільшується на число, яке дорівнює об'єму підводного об'єкта. Іншими словами, якщо ви глибоке блюдо покладіть на поверхню води, а потім помістіть в нього важкий предмет, то обсяг води, який наллється в страву, буде точно дорівнює обсягу об'єкта. Не має значення, об'єкт занурюється повністю або частково.

Властивості води

Вода — це дивна речовина, яке в основному живить життя на землі, адже кожен живий організм має потребу в ній. Одним з найбільш важливих властивостей води є те, що вона володіє найвищою щільністю при температурі 4 °C. Так, гаряча вода або лід є менш щільними, ніж холодна вода. Менш щільні речовини плавають поверх більш щільних речовин.
Наприклад, під час приготування салату, можна помітити, що масло знаходиться на поверхні оцту — це можна пояснити тим, що воно володіє меншою густиною. Цей же закон дійсний і для пояснення того, чому у воді лід не тоне, а в бензині, гасі — тоне. Просто ці дві речовини мають меншу, ніж у льоду, щільністю. Так, якщо ви запустите в басейн надувний м'ячик, він буде плавати на поверхні, якщо ж ви кинете у воду камінь — він опуститься на дно.

Які зміни відбуваються з водою при замерзанні

Причина того, чому лід не тоне в воді, пов'язана з водневими зв'язками, які змінюються при замерзанні води. Як відомо, вода складається з одного атома кисню і двох атомів водню. Вони прикріплені ковалентными зв'язками, які неймовірно сильні. Однак інший тип зв'язку, який утворюється між різними молекулами, званий водневої зв'язком, слабкіше. Ці зв'язки утворюються тому, що позитивно заряджені атоми водню притягуються негативно зарядженими атомами кисню сусідніх молекул води. Коли вода тепла, молекули дуже активні, багато переміщаються, швидко утворюють і розкладають зв'язку з іншими молекулами води. У них є енергія, щоб наближатися одна до одної і рухатися швидко. Отже, чому лід не тоне у воді? Хімія приховує відповідь.

Фізико-хімія льоду

По мірі того, як температура води опускається нижче 4 °C, кінетична енергія рідини зменшується, тому молекули більше не переміщуються. У них немає енергії для переміщення і такого ж легкого, як при високій температурі, розриву і формування зв'язків. Замість цього вони утворюють більше водневих зв'язків з іншими молекулами води з утворенням гексагональних структур решітки. Вони утворюють ці структури, щоб підтримувати негативно заряджені молекули кисню один від одного. В середині шестикутників, утворених в результаті діяльності молекул, багато порожнечі.

Лід тоне у воді — причини

Лід фактично на 9% менш щільний, ніж рідка вода. Тому лід займає більше місця, ніж вода. Практично це має сенс, тому що лід розширюється. Ось чому не рекомендують заморожувати скляну пляшку води — заморожена вода може створювати великі тріщини навіть в бетоні. Якщо у вас є літрова пляшка льоду і літрова пляшка води, тоді пляшка з крижаною водою буде легше. Молекули знаходяться далі один від одного в цій точці, ніж коли речовина знаходиться в рідкому стані. Ось чому лід не тоне у воді.
Коли лід тане, стабільна кристалічна структура руйнується і стає щільніше. Коли вода прогрівається до 4 °C, вона отримує енергію, і молекули рухаються швидше і далі. Саме з цієї причини гаряча вода займає більше місця, ніж холодна вода, і плаває на поверхні холодної води — вона володіє меншою густиною. Згадайте, коли ви знаходитесь на озері під час купання верхній шар води завжди приємний і теплий, проте коли ви опускаєте ноги глибше, відчуваєте холод нижнього шару.

Значення процесу замерзання води у функціонуванні планети

Незважаючи на те, що питання «Чому лід не тоне у воді?» для 3 класу, дуже важливо розуміти, чому цей процес відбувається і яке має значення для планети. Так, плавучість льоду має важливі наслідки для життя на Землі. Озера замерзають взимку у холодних місцях — це дозволяє рибі і іншим водним тваринам виживати під крижаним покривалом. Якщо б замерзло дно, то висока ймовірність того, що всі озеро могло б бути заморожено. В таких умовах в живих не залишилося б ні єдиного організму. Якби щільність льоду була вище щільності води, то в океанах лід би опустився, і крижані шапки, які в такому разі перебували б на дні, не дозволили б кому-небудь там жити. На дні океану було б повно льоду — і що б це все перетворилося? Крім усього іншого, полярний лід важливий, оскільки він відбиває світло і оберігає планету Земля від надмірного перегрівання.