Dlaczego lód unosi się na wodzie?
Najczęstsze wyjaśnienie fenomenu unoszenia się lodu na wodzie jest następujące: gdy woda zamarza, jej cząsteczki układają się w strukturę krystaliczną, co tworzy między nimi dodatkową przestrzeń, sprawiając, że lód ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym. Ale to wyjaśnienie nadmiernie upraszcza prawdę, jak wyjaśnia Russo, fizyk z Uniwersytetu Rzymskiego „La Sapienza” we Włoszech. Prawdziwym powodem są bowiem unikalne właściwości wiązań wodorowych między cząsteczkami wody. W przypadku lodu wiązania te tworzą ustrukturyzowaną, sztywną siatkę, która utrzymuje cząsteczki w bardzo konkretnym układzie. Z kolei w wodzie w stanie ciekłym wiązania wodorowe są elastyczne i mogą się odkształcać bez zerwania. Ta elastyczność pozwala cząsteczkom wody układać się bliżej siebie. „Jeśli tylko wiązania wodorowe byłyby nieco sztywniejsze, woda straciłaby tak duże możliwości upakowania i stała się przez to mniej gęsta niż lód, co zaburzyłoby funkcjonowanie ekosystemów, zmieniło klimat i sprawiło, że Ziemia stałaby się miejscem nie do poznania”, tłumaczy Russo. Aby to przedstawić bardziej obrazowo, można sobie wyobrazić ściskanie cylindra wypełnionego zarówno wodą, jak i lodem. Zgodnie z prawem Clausiusa-Clapeyrona, fundamentalną zasadą termodynamiki, przyłożenie ciśnienia powoduje, że zawartość zaczyna zmieniać stan skupienia na taki, który pozwala na ściślejsze upakowanie cząsteczek. Dla większości substancji fazą tą jest ciało stałe, które posiada zwartą, uporządkowaną strukturę z minimalną ilością pustej przestrzeni. Podobnie jak w przypadku układania kul armatnich lub pomarańczy – aby wypełniały przestrzeń w jak najbardziej efektywny sposób, a przerwy między nimi były minimalne, musimy je ułożyć w regularny, zwarty wzór. Zasada ta sprawdza się zwykle w przypadku ciał stałych, którym sztywne, uporządkowane układy zapewniają maksymalną gęstość. Jednak zachowanie wody jest zupełnie inne. „Woda nie jest zwykłą cieczą”, mówi Russo. Należy do kategorii tzw. „pustych cieczy”. Elastyczność wiązań wodorowych i pusta przestrzeń w strukturze cieczy sprawiają, że nieuporządkowany układ pozwala cząsteczkom wody na gęstsze upakowanie niż w ustrukturyzowanej sieci charakterystycznej dla lodu. Dlatego też pod wpływem ciśnienia zawartość naszej zawiesiny lodowej stanie się bardziej płynna. Prace wykonane przez Russo w ramach projektu SOFTWATER, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, pozwoliły uczonemu na odkrycie dalszych fascynujących właściwości czyniących wodę wyjątkową cieczą. Opracowanie modeli obliczeniowych elastycznych wiązań wodorowych w wodzie umożliwiły Russo i jego zespołowi stworzenie koncepcji nowych form, jakie może przyjąć woda. Woda jest równie tajemnicza, co niezbędna. Zdolność lodu do unoszenia się na powierzchni wody pomaga kształtować nasz klimat i gwarantuje, że pod zamarzniętą taflą jezior i mórz życie może toczyć się dalej. Może warto o tym pomyśleć, gdy następnym razem będziemy mieszać napój z kostkami lodu unoszącymi się na jego powierzchni. Więcej informacji na temat badań przeprowadzonych przez Johna Russo można znaleźć tutaj: Co sprawia, że woda jest wyjątkowa
Słowa kluczowe
SOFTWATER, woda, lód, unoszenie się, gęstość, termodynamiczny, struktura, tajemniczy, ocean, klimat