קוביות קרח וגרגירי קרח קוטביות נסחפות באוקיינוס, ואפילו במשקאות הקרח לעולם לא שוקע לקרקעית. ניתן להסיק שקרח אינו שוקע במים. למה? אם תחשבו על זה, השאלה הזו עלולה להיראות קצת מוזרה, כי קרח מוצק ובאופן אינטואיטיבי צריך להיות כבד יותר מנוזל. בעוד שהצהרה זו נכונה עבור רוב החומרים, מים הם החריג לכלל. מים וקרח מובחנים בקשרי מימן, שהופכים את הקרח לקל יותר במצב מוצק מאשר כשהוא במצב נוזלי.
שאלה מדעית: מדוע קרח לא שוקע במים
בוא נדמיין שאנחנו בשיעור שנקרא "העולם מסביב" בכיתה ג'. "למה הקרח לא שוקע במים?", שואלת המורה את הילדים. והילדים, שאינם בעלי ידע מעמיק בפיזיקה, מתחילים לחשוב. "אולי זה קסם?" אומר אחד הילדים.
אכן, הקרח יוצא דופן ביותר. אין כמעט חומרים טבעיים אחרים שבמצב מוצק יכולים לצוף על פני הנוזל. זו אחת התכונות שהופכות את המים לחומר כה יוצא דופן, ולמען האמת, זה מה שמשנה את נתיב האבולוציה הפלנטרית.
יש כמה כוכבי לכת המכילים כמויות עצומות של פחמימנים נוזליים כמו אמוניה - אולם כאשר הוא קפוא, החומר הזה שוקע לתחתית. הסיבה לכך שהקרח אינו שוקע במים היא שכאשר מים קופאים, הם מתרחבים, ואיתם יורדת הצפיפות שלו. מעניין, התפשטות הקרח עלולה לשבור סלעים - תהליך הקרחון של המים הוא כל כך יוצא דופן.
מבחינה מדעית, תהליך ההקפאה מגדיר מחזורי בליה מהירים וכימיקלים מסוימים המשתחררים על פני השטח יכולים להמיס מינרלים. באופן כללי, ישנם תהליכים ואפשרויות הקשורות להקפאת מים שהתכונות הפיזיקליות של נוזלים אחרים אינם מרמזים עליהם.
צפיפות של קרח ומים
אז התשובה למה קרח לא שוקע במים אלא צף על פני השטח היא שיש לו צפיפות נמוכה יותר מאשר נוזל - אבל זו תשובה ברמה הראשונה. כדי להבין טוב יותר, אתה צריך לדעת למה לקרח יש צפיפות נמוכה, למה דברים צפים מלכתחילה, איך צפיפות מובילה לציפה.
נזכיר את הגאון היווני ארכימדס, שגילה שלאחר הטבילה של חפץ מסוים במים, נפח המים גדל במספר השווה לנפח החפץ הטבול. במילים אחרות, אם מניחים צלחת עמוקה על פני המים ולאחר מכן מניחים בתוכו חפץ כבד, נפח המים שיישפך לכלי יהיה שווה בדיוק לנפח החפץ. זה לא משנה אם החפץ שקוע לגמרי אוחלקית.
מאפייני המים
מים הם חומר מדהים שמזין את החיים על פני כדור הארץ, כי כל אורגניזם חי זקוק להם. אחת התכונות החשובות ביותר של מים היא שיש להם את הצפיפות הגבוהה ביותר ב-4 מעלות צלזיוס. לפיכך, מים חמים או קרח צפופים פחות ממים קרים. חומרים צפופים פחות צפים על גבי חומרים צפופים יותר.
לדוגמה, בזמן הכנת סלט, תשימו לב שהשמן נמצא על פני החומץ - ניתן להסביר זאת בכך שהוא בעל צפיפות נמוכה יותר. אותו חוק תקף גם להסבר מדוע קרח אינו שוקע במים, אלא שוקע בבנזין ובנפט. רק שלשני החומרים האלה יש צפיפות נמוכה יותר מקרח. לכן, אם תזרקו כדור מתנפח לבריכה, הוא יצוף על פני השטח, אבל אם תזרקו אבן למים, היא תשקע לקרקעית.
מה השינויים קורים למים כשהם קופאים
הסיבה שהקרח לא שוקע במים נובעת מקשרי המימן המשתנים כאשר המים קופאים. כידוע, מים מורכבים מאטום חמצן אחד ושני אטומי מימן. הם מחוברים בקשרים קוולנטיים שהם חזקים להפליא. עם זאת, סוג הקשר הנוסף שנוצר בין מולקולות שונות, הנקרא קשר מימן, חלש יותר. קשרים אלו נוצרים מכיוון שאטומי המימן הטעונים בחיוב נמשכים לאטומי החמצן הטעונים שלילי של מולקולות מים שכנות.
כשהמים חמים, המולקולות פעילות מאוד,נעים הרבה, יוצרים ומפרקים במהירות קשרים עם מולקולות מים אחרות. יש להם את האנרגיה להתקרב אחד לשני ולנוע במהירות. אז למה הקרח לא שוקע במים? הכימיה מסתירה את התשובה.
כימיה פיזיקלית של קרח
כאשר טמפרטורת המים יורדת מתחת ל-4 מעלות צלזיוס, האנרגיה הקינטית של הנוזל פוחתת, כך שהמולקולות אינן זזות יותר. אין להם את האנרגיה לנוע וקל כמו בטמפרטורה גבוהה להישבר וליצור קשרים. במקום זאת, הם יוצרים יותר קשרי מימן עם מולקולות מים אחרות כדי ליצור מבני סריג משושה.
הם יוצרים את המבנים האלה כדי להרחיק מולקולות חמצן בעלות מטען שלילי. באמצע המשושים הנוצרים כתוצאה מפעילות מולקולות, יש הרבה ריקנות.
קרח שוקע במים - סיבות
קרח הוא למעשה 9% פחות צפוף ממים נוזליים. לכן, קרח תופס יותר מקום ממים. מעשית, זה הגיוני כי הקרח מתרחב. זו הסיבה שלא מומלץ להקפיא בקבוק מים מזכוכית - מים קפואים עלולים ליצור סדקים גדולים גם בבטון. אם יש לך בקבוק ליטר של קרח ובקבוק ליטר מים, אז בקבוק מי קרח יהיה קל יותר. המולקולות רחוקות יותר בנקודה זו מאשר כאשר החומר נמצא במצב נוזלי. זו הסיבה שהקרח לא שוקע במים.
כשהקרח נמסמבנה הגביש היציב מתפרק והופך צפוף יותר. כשהמים מתחממים ל-4 מעלות צלזיוס, הם צוברים אנרגיה והמולקולות נעות מהר יותר ורחוק יותר. זו הסיבה שמים חמים תופסים יותר מקום ממים קרים וצפים על גבי מים קרים – יש להם פחות צפיפות. זכור, כשאתה על האגם, תוך כדי שחייה, שכבת המים העליונה תמיד נעימה וחמימה, אבל כאשר אתה מניח את הרגליים, אתה מרגיש את הקור של השכבה התחתונה.
המשמעות של תהליך הקפאת המים בתפקוד כדור הארץ
למרות שהשאלה "למה קרח לא שוקע במים?" עבור כיתה 3, חשוב מאוד להבין מדוע תהליך זה מתרחש ומה המשמעות שלו עבור כדור הארץ. לפיכך, לציפה של הקרח יש השלכות חשובות על החיים על פני כדור הארץ. אגמים קופאים בחורף במקומות קרים - זה מאפשר לדגים וחיות מים אחרות לשרוד מתחת למעטה הקרח. אם הקרקעית הייתה קפואה, אז יש סבירות גבוהה שכל האגם יכול להיות קפוא.
בתנאים כאלה, אף אורגניזם אחד לא היה שורד.
אם צפיפות הקרח הייתה גבוהה מצפיפות המים, אז האוקיינוסים היו שוקעים בקרח, וכיפות הקרח שיהיו אז בתחתית לא יאפשרו לאף אחד לחיות שם. קרקעית האוקיינוס תהיה מלאה בקרח - ולמה כל זה יהפוך? בין היתר, קרח קוטבי חשוב מכיוון שהוא מחזיר אור ומונע את כדור הארץ להתחמם מדי.
