Polära isblock och isberg driver i havet, och även i drinkar sjunker isen aldrig till botten. Man kan dra slutsatsen att is inte sjunker i vatten. Varför? Om du tänker efter kan den här frågan verka lite konstig, eftersom is är fast och – intuitivt – borde vara tyngre än flytande. Även om detta påstående är sant för de flesta ämnen, är vatten undantaget från regeln. Vatten och is kännetecknas av vätebindningar, som gör isen lättare i fast tillstånd än när den är i flytande tillstånd.
Vetenskaplig fråga: varför sjunker inte is i vatten
Låt oss föreställa oss att vi går på en lektion som heter "The World Around" i 3:e klass. "Varför sjunker inte is i vattnet?" frågar läraren barnen. Och barnen, som inte har djupa kunskaper i fysik, börjar resonera. "Det kanske är magi?" säger ett av barnen.
Innerligen är isen extremt ovanlig. Det finns praktiskt taget inga andra naturliga ämnen som i fast tillstånd skulle kunna flyta på ytan av en vätska. Detta är en av egenskaperna som gör vatten till ett så ovanligt ämne och ärligt talat är det det som förändrar planeternas evolution.
Det finns vissa planeter som innehåller enorma mängder flytande kolväten som ammoniak - men när det är fruset sjunker detta material till botten. Anledningen till att is inte sjunker i vatten är att när vatten fryser så expanderar det och med det minskar dess densitet. Intressant nog kan utvidgningen av is bryta stenar - processen med nedisning av vatten är så ovanlig.
Vetenskapligt sett sätter frysprocessen upp snabba vädercykler och vissa kemikalier som släpps ut på ytan kan lösa upp mineraler. I allmänhet finns det processer och möjligheter förknippade med frysning av vatten som de fysikaliska egenskaperna hos andra vätskor inte innebär.
Täthet av is och vatten
Så svaret på varför is inte sjunker i vatten utan flyter på ytan är att den har en lägre densitet än vätska - men det är ett svar på första nivån. För att bättre förstå behöver du veta varför is har låg densitet, varför saker flyter i första hand, hur densitet leder till flytande.
Kom ihåg det grekiska geniet Arkimedes, som fick reda på att efter att ha dopat ett visst föremål i vatten, ökar vattenvolymen med ett tal lika med volymen av det nedsänkta föremålet. Med andra ord, om du placerar en djup skål på vattenytan och sedan placerar ett tungt föremål i den, kommer volymen vatten som kommer att hällas i skålen att vara exakt lika med föremålets volym. Det spelar ingen roll om föremålet är helt nedsänkt ellerdelvis.
Vattnets egenskaper
Vatten är ett fantastiskt ämne som i grund och botten föder livet på jorden, eftersom varje levande organism behöver det. En av vattnets viktigaste egenskaper är att det har den högsta densiteten vid 4°C. Således är varmt vatten eller is mindre tät än kallt vatten. Mindre täta ämnen flyter ovanpå tätare ämnen.
Till exempel när du förbereder en sallad kommer du att märka att oljan finns på ytan av vinägern - detta kan förklaras av att den har en lägre densitet. Samma lag är också giltig för att förklara varför is inte sjunker i vatten, utan sjunker i bensin och fotogen. Det är bara det att dessa två ämnen har en lägre densitet än is. Så om du kastar en uppblåsbar boll i poolen kommer den att flyta på ytan, men om du kastar en sten i vattnet kommer den att sjunka till botten.
Vilka förändringar händer med vatten när det fryser
Anledningen till att is inte sjunker i vatten beror på vätebindningarna som förändras när vattnet fryser. Som ni vet består vatten av en syreatom och två väteatomer. De är fästa med kovalenta bindningar som är otroligt starka. Den andra typen av bindning som bildas mellan olika molekyler, som kallas en vätebindning, är dock svagare. Dessa bindningar bildas eftersom de positivt laddade väteatomerna attraheras till de negativt laddade syreatomerna i närliggande vattenmolekyler.
När vattnet är varmt är molekylerna mycket aktiva,röra sig mycket, snabbt bilda och bryta ner bindningar med andra vattenmolekyler. De har energin att närma sig varandra och röra sig snabbt. Så varför sjunker inte is i vattnet? Kemi döljer svaret.
Isens fysikaliska kemi
När vattentemperaturen sjunker under 4 °C, minskar vätskans kinetiska energi, så att molekylerna inte längre rör sig. De orkar inte röra sig och är lika lätta som vid hög temperatur att bryta och bilda bindningar. Istället bildar de fler vätebindningar med andra vattenmolekyler för att bilda hexagonala gitterstrukturer.
De bildar dessa strukturer för att hålla isär negativt laddade syremolekyler. I mitten av de hexagoner som bildas till följd av molekylernas aktivitet finns det mycket tomhet.
Is sjunker i vatten - skäl
Is är faktiskt 9 % mindre tät än flytande vatten. Därför tar is mer plats än vatten. Praktiskt taget är detta vettigt eftersom isen expanderar. Det är därför det inte rekommenderas att frysa en glasflaska med vatten - fruset vatten kan skapa stora sprickor även i betong. Om du har en liters flaska is och en liters flaska vatten, då blir en isvattenflaska lättare. Molekylerna är längre ifrån varandra vid denna punkt än när ämnet är i flytande tillstånd. Det är därför isen inte sjunker i vattnet.
När isen smälterden stabila kristallstrukturen bryts ner och blir tätare. När vattnet värms upp till 4°C får det energi och molekylerna rör sig snabbare och längre. Detta är anledningen till att varmt vatten tar mer plats än kallt vatten och flyter ovanpå kallt vatten - det har mindre densitet. Kom ihåg att när du är på sjön, medan du simmar, är det översta lagret av vatten alltid skönt och varmt, men när du sätter ner fötterna känner du kylan från det nedre lagret.
Betydelsen av processen att frysa vatten för planetens funktion
Trots att frågan "Varför sjunker inte is i vatten?" för årskurs 3 är det mycket viktigt att förstå varför denna process sker och vad den betyder för planeten. Därför har isens flytkraft viktiga konsekvenser för livet på jorden. Sjöar fryser på vintern på kalla platser - detta gör att fiskar och andra vattenlevande djur kan överleva under inlandsisen. Om botten vore frusen, så är det stor sannolikhet att hela sjön kan vara frusen.
Under sådana förhållanden skulle inte en enda organism ha överlevt.
Om isens densitet var högre än vattentätheten, då skulle haven sjunka i is, och iskapporna som då skulle vara på botten skulle inte tillåta någon att bo där. Havets botten skulle vara full av is - och vad skulle allt bli till? Bland annat är polarisen viktig eftersom den reflekterar ljus och förhindrar att planeten jorden blir för varm.
