Начнем с того, что рассмотрим, что такое закон плотности. Этот закон утверждает, что твердые вещества имеют большую плотность, чем жидкости. Плотность - это соотношение массы к объему. Таким образом, если взять кубик из твёрдого материала и кубик из жидкости одинакового объема, то кубик твёрдого материала будет весить больше из-за большей плотности.
Однако, лёд имеет меньшую плотность, чем вода при той же температуре, благодаря чему он плавает на поверхности воды в водных системах, таких как озера и океаны. Это явление вызывает удивление, поскольку, как мы знаем, твёрдые вещества обычно имеют более высокую плотность, чем жидкости, и стремятся утонуть в них.
Структура льда и воды
Чтобы понять, почему лед плавает на воде, необходимо рассмотреть структуру льда и воды.
Вода - это молекулярное соединение, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода, H2O. Молекулы воды имеют полярную структуру, что означает, что они имеют заряды на концах молекулы, которые могут взаимодействовать с зарядами в других молекулах воды.
В жидкой воде молекулы воды движутся быстро и находятся близко друг к другу, через заряды на концах молекул они взаимодействуют между собой и образуют связи, называемые водородными связями. Водородные связи - это слабые химические связи, которые образуются между водными молекулами и позволяют им двигаться друг по отношению к другу, сохраняя связи между ними.
Когда температура воды опускается до точки замерзания, водородные связи внутри воды становятся более устойчивыми, а водные молекулы начинают формировать регулярную трехмерную решетку, которую мы знаем как лед.
Структура льда образуется из молекул воды, которые связываются в регулярную решетку. В этой решетке между молекулами воды образуются пустоты, которые заполняются воздухом. Поэтому плотность льда составляет менее, чем плотность воды, так как он имеет больший объем при той же массе.
Таким образом, плотность льда меньше плотности воды, и это явление позволяет льду плавать на воде.
Как мы уже упоминали, лед плавает на поверхности водных систем, таких как озера, реки и океаны. Если бы лед не плавал, то под зимним льдом температура воды уменьшилась бы до критических отметок и жизнь в водных системах была бы прекращена. Лед, плавающий на поверхности воды, защищает нижние слои воды от замерзания, сохраняя жизнь в местах, где вода замерзала бы зимой.