Paarijäälohkot ja jäävuoret ajelehtivat v altameressä, eikä edes juomissa jää koskaan uppoa pohjaan. Voidaan päätellä, että jää ei uppoa veteen. Miksi? Jos ajattelee sitä, tämä kysymys saattaa tuntua hieman oudolta, koska jää on kiinteää ja - intuitiivisesti - sen pitäisi olla raskaampaa kuin neste. Vaikka tämä väite pätee useimpiin aineisiin, vesi on poikkeus säännöstä. Vesi ja jää erottuvat vetysidoksista, jotka tekevät jäästä kiinteässä tilassa kevyempää kuin nestemäisessä tilassa.
Tieteellinen kysymys: miksi jää ei uppoa veteen
Kuvitellaan, että olemme 3. luokalla oppitunnilla nimeltä "The World Around".”Miksi jää ei uppoa veteen?” opettaja kysyy lapsilta. Ja lapset, joilla ei ole syvällistä tietoa fysiikasta, alkavat järkeillä. "Ehkä se on taikuutta?" sanoo yksi lapsista.
Jää on todellakin erittäin epätavallinen. Käytännössä ei ole muita luonnollisia aineita, jotka kiinteässä tilassa voisivat kellua nesteen pinnalla. Tämä on yksi niistä ominaisuuksista, jotka tekevät vedestä niin epätavallisen aineen, ja suoraan sanottuna se muuttaa planeetan evoluution polkua.
Jotkut planeetat sisältävät v altavia määriä nestemäisiä hiilivetyjä, kuten ammoniakkia – jäätyessään tämä materiaali kuitenkin uppoaa pohjaan. Syy, miksi jää ei uppoa veteen, on se, että jäätyessään vesi laajenee ja sen mukana sen tiheys pienenee. Mielenkiintoista on, että jään laajeneminen voi rikkoa kiviä – veden jäätyminen on niin epätavallista.
Tieteellisesti katsottuna jäätymisprosessi saa aikaan nopeita sääsyklejä, ja tietyt pinnalle vapautuvat kemikaalit voivat liuottaa mineraaleja. Yleensä veden jäätymiseen liittyy prosesseja ja mahdollisuuksia, joita muiden nesteiden fysikaaliset ominaisuudet eivät tarkoita.
Jään ja veden tiheys
Joten vastaus siihen, miksi jää ei uppoa veteen vaan kelluu pinnalla, on, että sen tiheys on pienempi kuin nesteen – mutta se on ensimmäisen tason vastaus. Ymmärtääksesi paremmin, sinun on tiedettävä, miksi jään tiheys on pieni, miksi asiat ylipäätään kelluvat, kuinka tiheys johtaa kellumiseen.
Muistakaa kreikkalainen nero Arkhimedes, joka huomasi, että kun tietty esine oli upotettu veteen, veden tilavuus kasvaa luvulla, joka vastaa upotetun esineen tilavuutta. Toisin sanoen, jos asetat syvän astian veden pinnalle ja asetat siihen sitten raskaan esineen, astiaan kaadettava vesi on täsmälleen yhtä suuri kuin esineen tilavuus. Sillä ei ole väliä, onko kohde kokonaan veden alla vaiosittain.
Veden ominaisuudet
Vesi on hämmästyttävä aine, joka pohjimmiltaan ruokkii elämää maan päällä, koska jokainen elävä organismi tarvitsee sitä. Yksi veden tärkeimmistä ominaisuuksista on, että sen tiheys on suurin 4 °C:ssa. Siksi kuuma vesi tai jää on vähemmän tiheää kuin kylmä vesi. Vähemmän tiheät aineet kelluvat tiheämpien aineiden päällä.
Esimerkiksi salaattia valmistaessasi huomaat, että öljy on etikan pinnalla - tämä voidaan selittää sillä, että sen tiheys on pienempi. Sama laki pätee myös selittämään, miksi jää ei uppoa veteen, vaan uppoaa bensiiniin ja kerosiiniin. Kyse on vain siitä, että näillä kahdella aineella on pienempi tiheys kuin jäällä. Joten jos heittää puhallettavan pallon altaaseen, se kelluu pinnalla, mutta jos heität kiven veteen, se uppoaa pohjaan.
Mitä muutoksia tapahtuu vedelle, kun se jäätyy
Syy, miksi jää ei uppoa veteen, johtuu vetysidoksista, jotka muuttuvat veden jäätyessä. Kuten tiedät, vesi koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Ne on kiinnitetty kovalenttisilla sidoksilla, jotka ovat uskomattoman vahvoja. Kuitenkin toinen eri molekyylien välille muodostuva sidostyyppi, jota kutsutaan vetysidokseksi, on heikompi. Nämä sidokset muodostuvat, koska positiivisesti varautuneet vetyatomit houkuttelevat viereisten vesimolekyylien negatiivisesti varautuneita happiatomeja.
Kun vesi on lämmintä, molekyylit ovat hyvin aktiivisia,liikkuvat paljon, muodostavat ja hajottavat nopeasti sidoksia muiden vesimolekyylien kanssa. Heillä on energiaa lähestyä toisiaan ja liikkua nopeasti. Joten miksi jää ei uppoa veteen? Kemia piilottaa vastauksen.
Jän fysikaalinen kemia
Kun veden lämpötila laskee alle 4 °C, nesteen liike-energia laskee, joten molekyylit eivät enää liiku. Niillä ei ole energiaa liikkua, ja ne katkeavat ja muodostavat sidoksia yhtä helposti kuin korkeassa lämpötilassa. Sen sijaan ne muodostavat enemmän vetysidoksia muiden vesimolekyylien kanssa muodostaen kuusikulmaisia hilarakenteita.
Ne muodostavat nämä rakenteet pitääkseen negatiivisesti varautuneet happimolekyylit erillään. Molekyylien toiminnan seurauksena muodostuneiden kuusikulmioiden keskellä on paljon tyhjyyttä.
Jää uppoaa veteen - syyt
Jää on itse asiassa 9 % vähemmän tiheää kuin nestemäinen vesi. Siksi jää vie enemmän tilaa kuin vesi. Käytännössä tämä on järkevää, koska jää laajenee. Tästä syystä lasivesipullon pakastamista ei suositella – jäätynyt vesi voi aiheuttaa suuria halkeamia jopa betoniin. Jos sinulla on litran pullo jäätä ja litran vesipullo, jäävesipullo on helpompi. Molekyylit ovat tässä vaiheessa kauempana toisistaan kuin silloin, kun aine on nestemäisessä tilassa. Siksi jää ei uppoa veteen.
Kun jää sulaavakaa kiderakenne hajoaa ja tihenee. Kun vesi lämpenee 4°C:een, se saa energiaa ja molekyylit liikkuvat nopeammin ja kauemmas. Tästä syystä kuuma vesi vie enemmän tilaa kuin kylmä vesi ja kelluu kylmän veden päällä - sen tiheys on pienempi. Muista, että kun olet järvellä uidessa, vesipinta on aina mukavaa ja lämmintä, mutta kun lasket jalat alas, tunnet pohjakerroksen kylmyyden.
Veden jäätymisprosessin merkitys planeetan toiminnalle
Huolimatta siitä, että kysymys "Miksi jää ei uppoa veteen?" luokalle 3 on erittäin tärkeää ymmärtää, miksi tämä prosessi tapahtuu ja mitä se merkitsee planeetalle. Näin ollen jään kelluvuus vaikuttaa merkittävästi elämään maapallolla. Järvet jäätyvät talvella kylmissä paikoissa - tämä mahdollistaa kalat ja muut vesieläimet selviytyä jäätikön alla. Jos pohja olisi jäässä, on suuri todennäköisyys, että koko järvi voisi jäätyä.
Sellaisissa olosuhteissa yksikään organismi ei olisi selvinnyt.
Jos jään tiheys olisi suurempi kuin veden tiheys, niin v altameret uppoutuisivat jään sisään ja pohjassa olevat jääpeitteet eivät antaisi kenenkään asua siellä. Meren pohja olisi täynnä jäätä – ja millaiseksi se kaikki muuttuisi? Napajää on tärkeä muun muassa siksi, että se heijastaa valoa ja estää maapallon kuumenemisen liian kuumaksi.
