Polární ledové bloky a ledovce se unášejí oceánem a dokonce ani v nápojích led nikdy neklesne ke dnu. Lze usuzovat, že led ve vodě neklesá. Proč? Pokud se nad tím zamyslíte, může se vám tato otázka zdát trochu zvláštní, protože led je pevný a – intuitivně – by měl být těžší než tekutý. Zatímco toto tvrzení platí pro většinu látek, voda je výjimkou z pravidla. Voda a led se vyznačují vodíkovými vazbami, díky nimž je led v pevném stavu lehčí, než když je v kapalném stavu.
Vědecká otázka: proč led ve vodě neklesá
Představme si, že jsme ve 3. třídě na lekci s názvem „Svět kolem“. „Proč se led ve vodě netopí?“ptá se učitelka dětí. A děti, které nemají hluboké znalosti fyziky, začnou uvažovat. "Možná je to magie?" říká jedno z dětí.
Ve skutečnosti je led extrémně neobvyklý. Prakticky neexistují žádné jiné přírodní látky, které by v pevném stavu mohly plavat na hladině kapaliny. To je jedna z vlastností, která dělá z vody tak neobvyklou látku, a upřímně řečeno, právě ona mění cestu planetární evoluce.
Existují planety, které obsahují obrovské množství kapalných uhlovodíků, jako je čpavek – avšak po zmrazení tento materiál klesá ke dnu. Důvod, proč led ve vodě neklesá, je ten, že když voda zamrzne, rozpíná se a s tím klesá i její hustota. Je zajímavé, že expanze ledu může lámat skály - proces zalednění vody je tak neobvyklý.
Vědecky řečeno proces zmrazování nastavuje rychlé cykly zvětrávání a určité chemikálie uvolněné na povrchu mohou rozpouštět minerály. Obecně existují procesy a možnosti spojené se zamrzáním vody, které fyzikální vlastnosti jiných kapalin nenaznačují.
Hustota ledu a vody
Odpověď na to, proč led neklesá ve vodě, ale plave na hladině, je, že má nižší hustotu než kapalina – ale to je odpověď první úrovně. Abyste lépe porozuměli, musíte vědět, proč má led nízkou hustotu, proč věci vůbec plavou, jak hustota vede k plovoucímu pohybu.
Připomeňme řeckého génia Archiméda, který zjistil, že po ponoření určitého předmětu do vody se objem vody zvětší o číslo rovnající se objemu ponořeného předmětu. Jinými slovy, pokud na hladinu vody položíte hlubokou misku a pak do ní umístíte těžký předmět, objem vody, který se nalije do misky, se bude přesně rovnat objemu předmětu. Nezáleží na tom, zda je objekt zcela ponořený respčástečně.
Vlastnosti vody
Voda je úžasná látka, která v podstatě živí život na Zemi, protože ji potřebuje každý živý organismus. Jednou z nejdůležitějších vlastností vody je, že má nejvyšší hustotu při 4°C. Horká voda nebo led má tedy menší hustotu než studená voda. Méně husté látky plavou nad hustšími látkami.
Například při přípravě salátu si všimnete, že olej je na povrchu octa – lze to vysvětlit tím, že má nižší hustotu. Stejný zákon platí také pro vysvětlení, proč led neklesá ve vodě, ale klesá v benzínu a petroleji. Jde jen o to, že tyto dvě látky mají nižší hustotu než led. Pokud tedy hodíte nafukovací míč do bazénu, bude plavat na hladině, ale pokud hodíte kámen do vody, klesne ke dnu.
Jaké změny se dějí s vodou, když zamrzne
Důvod, proč led ve vodě neklesá, je způsoben vodíkovými vazbami, které se mění, když voda zamrzne. Jak víte, voda se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Jsou spojeny kovalentními vazbami, které jsou neuvěřitelně silné. Druhý typ vazby, který se tvoří mezi různými molekulami, nazývaný vodíková vazba, je však slabší. Tyto vazby se tvoří, protože kladně nabité atomy vodíku jsou přitahovány k záporně nabitým atomům kyslíku sousedních molekul vody.
Když je voda teplá, molekuly jsou velmi aktivní,hodně se pohybovat, rychle vytvářet a rozkládat vazby s jinými molekulami vody. Mají energii přiblížit se k sobě a rychle se pohybovat. Proč tedy led ve vodě neklesá? Chemie skrývá odpověď.
Fyzikální chemie ledu
Jak teplota vody klesne pod 4 °C, kinetická energie kapaliny klesá, takže molekuly se již nepohybují. Nemají energii na pohyb a stejně snadno jako při vysoké teplotě se rozbijí a vytvoří vazby. Místo toho tvoří více vodíkových vazeb s jinými molekulami vody za vzniku hexagonálních mřížkových struktur.
Tvoří tyto struktury, aby udržely záporně nabité molekuly kyslíku od sebe. Uprostřed šestiúhelníků vzniklých v důsledku aktivity molekul je spousta prázdnoty.
Led klesá ve vodě – důvody
Led má ve skutečnosti o 9 % nižší hustotu než kapalná voda. Led proto zabírá více místa než voda. Prakticky to dává smysl, protože led se rozpíná. To je důvod, proč se nedoporučuje zmrazovat skleněnou láhev s vodou - zmrzlá voda může vytvořit velké trhliny i v betonu. Pokud máte litrovou láhev ledu a litrovou láhev vody, pak bude láhev s ledovou vodou jednodušší. Molekuly jsou v tomto bodě od sebe dále, než když je látka v kapalném stavu. To je důvod, proč led ve vodě neklesá.
Když led tajestabilní krystalová struktura se rozpadá a stává se hustší. Když se voda ohřeje na 4°C, získává energii a molekuly se pohybují rychleji a dále. To je důvod, proč horká voda zabírá více místa než studená a plave na studené vodě – má menší hustotu. Pamatujte, že když jste na jezeře a plavete, horní vrstva vody je vždy příjemná a teplá, ale když si dáte nohy dolů, cítíte chlad spodní vrstvy.
Význam procesu zamrzání vody ve fungování planety
Navzdory skutečnosti, že otázka "Proč led neklesá do vody?" pro stupeň 3 je velmi důležité pochopit, proč k tomuto procesu dochází a co to znamená pro planetu. Vztlak ledu má tedy důležité důsledky pro život na Zemi. Jezera v zimě na chladných místech zamrzají – to umožňuje rybám a dalším vodním živočichům přežít pod ledovým příkrovem. Pokud by dno zamrzlo, pak je vysoká pravděpodobnost, že by mohlo zamrznout celé jezero.
V takových podmínkách by nepřežil jediný organismus.
Pokud by hustota ledu byla vyšší než hustota vody, pak by se oceány ponořily do ledu a ledové čepice, které by pak byly na dně, by nikomu nedovolily tam žít. Dno oceánu by bylo plné ledu – a v co by se to všechno proměnilo? Polární led je mimo jiné důležitý, protože odráží světlo a brání planetě Zemi před přehřátím.
