ואילו בנוזל, מולקולות דחוסות יותר זו לזו, ולכן צפיפותן גבוהה יותר מקרח. עם זאת, כשהמים מתקררים, הם מתחילים להיווצר לתוך מבנה הסריג הקריסטלי שלו. בעוד שהמולקולות רוצות ליצור קשרי מימן בין המטענים החיוביים והשליליים הקלים, אותם מטענים דוחים זה את זה, ומונעים מהמולקולות להתקרב מדי. התוצאה היא מבנה שהוא מעט פחות צפוף ממים נוזליים. למים יש קשר מימן שבגללו הם שונים מיתר החומרים.
- זווית הקשר במולקולת מים היא סביב או מעט פחות מ-109 מעלות.
- מולקולות נדחסות זו לזו באופן הדוק, מה שבתמורה מגביר את צפיפות המים.
- מולקולת מים היא מולקולה בצורת V המורכבת מאטום חמצן אחד במרכז עם אטום מימן בכל צד.
- בעוד מים, צבעי מאכל ושמן נחשבים כולם לנוזלים, הם אינם ניתנים להחלפה!
- מולקולות מים מקושרות זו לזו באמצעות קשרי מימן.
- קשרים אלה משאירים מאחור את הכמות הגדולה יותר של חלל ריק שבגללו יורדת הצפיפות.
כאשר המים מתקררים מתחת ל-4 מעלות צלזיוס, מולקולות המים מתחילות להתארגן יותר זו מזו, כלומר הן מתחילות להתרחב. מתחת ל-0 מעלות צלזיוס, הקרח ממשיך להתרחב ולהיות פחות ופחות צפוף. בכל נקודה, הקרח יהיה פחות צפוף ממים וכך יצוף עליו. קשרי מימן במים נוזליים נשברים ומתחדשים כאשר אטומי מים נתקלים. המולקולות נעשות דחוסות יותר ככל שהמים מתקררים.
קשר מימן במולקולת המים
אז, כוח הציפה כלפי מעלה – בואו נקרא לזה FB, עבור ציפה – שווה למסת המים x g. משקלו של ליטר מים וכל נוזל אחר מושפע גם מלחץ אטמוספרי ומכוח הכבידה. ליטר מים שוקל פחות על הירח מאשר על כדור הארץ אבל יותר על צדק.
מדוע קוביות קרח מים כבדים אינן צפות
בעוד שמדענים יכלו לחזות אם קרח מים כבדים יצוף או ישקע, זה הצריך ניסויים כדי לראות מה יקרה. כולנו יודעים שלעצמים מוצקים יש יותר צפיפות בהשוואה לנוזלים. שכן, המולקולות קשורות יותר זו לזו בחפץ מוצק, שבגללו הן קשות ובעלות משקל רב יותר. כל מולקולה יוצרת קשרי מימן יציבים עם שכנותיה וכל מולקולה נמצאת “במרחק זרוע” זה מזה כדי ליצור גבישי קרח.
מספר גורמים משפיעים על ההתנהגות של קרח מים כבדים
זווית הקשר במולקולת מים היא סביב או מעט פחות מ-109 מעלות. המשיכה בין מולקולת המים נובעת ממומנט הדיפול נטו. אטום החמצן הטעון שלילי חלקית נקשר עם אטום המימן הטעון באופן חיובי חלקי של מולקולת מים אחרת. מבנה הסריג של הקרח נוצר בצורה כזו שנפחו מתרחב והופך אותו לפחות צפוף ממים. ניתן להבין את מבנה הסריג של הקרח על ידי דמיון מולקולות המים המוחזקות בכל פינה של כל הקוביות המונחות אחת ליד השנייה בכל הכיוונים. אטומי החמצן בעלי המטען השלילי נקשרים בחוזקה עם אטומי מימן, ויוצרים קשר מימן חזק.
צְפִיפוּת:
מכיוון שגלון מים שוקל 8.34 ל”ג, הוא מייצר 8.34 ל”ג של קרח. 8.35 פאונד או ליטר מים קפואים שווה ל-8.35 פאונד. מכיוון שקרח פחות צפוף יחסית ממים, אותה כמות של קרח תשקול פחות ממשקל המים.
אבל מדוע צפיפות הקרח קטנה ממים?
עקרון ארכימדס קובע שכדי שעצם יצוף על המים, עליו לעקור כמות שווה של מים. במילים אחרות, אתה יכול לומר שגורלו של חפץ בגוף מים נקבע על ידי עקרון ארכימדס.
מדוע המים מתרחבים כשהם קופאים?
2 אטומי מימן ואטום חמצן קשורים באופן קוולנטי ליצירת מולקולת מים. הקרח קל יותר מהמים מכיוון שצפיפות הקרח קטנה מזו של המים. זה בעיקר בגלל קשר המימן הקיים במולקולות המים. קשרים אלה משאירים מאחור את הכמות הגדולה יותר של חלל ריק שבגללו יורדת הצפיפות. כאשר טמפרטורת המים מגיעה מתחת לנקודת הקיפאון של המים שהיא 0 מעלות צלזיוס, מולקולות H2O יוצרות תבנית שיש ביניהן מספר רב של חללים ריקים.
מדוע נפח הקרח גדול ממים?
כפי שהוסבר לעיל, צפיפות המים הנוזליים גדולה מצפיפות הקרח. הוכח בניסוי שהחומר הפחות צפוף, בכל מצב שהוא, צף על החומר הצפוף יותר. אם המיכל לא ישבר, הלחץ יעלה מהר מאוד עד שבסופו של דבר בסביבות 200 מגה-פסקל, האטומים יתחילו להתארגן מחדש לתצורה חדשה וקומפקטית יותר. לצוללות יש מיכלי נטל עם שסתומים המאפשרים להיכנס או לצאת מים. כאשר מיכלי הנטל מלאים באוויר, הצוללת פחות צפופה ממים והיא צפה. כאשר מיכלי הנטל מלאים במים, הצוללת צפופה יותר ממים והיא שוקעת.
למה קרח צף על המים?
במדידה, מים כבדים צפופים בכ-11% ממים רגילים. לעתים קרובות כאשר נוזל כלשהו הופך לחומר מוצק, נפחו יורד והוא הופך כבד יותר. קרח צף על המים מכיוון שצפיפות הקרח קטנה מזו של המים. מים בטמפרטורת החדר צפופים יותר יחסית מקרח ומים בטמפרטורה גבוהה אף יותר. מולקולות המים בקרח רחוקות יותר מאשר במים בגלל הקוטביות של אטומי המימן, מה שמקנה להן צפיפות גבוהה יותר. לקרח, אפוא, צפיפות נמוכה יותר בהשוואה למים.
כוח כבידה:
האם אי פעם תהיתם למה כל חומר מוצק צף על נוזל כלשהו, למה הוא לא שוקע, אבל לא כל החומר המוצק צף כמו אבנים? הבה נלמד במאמר, מדוע קרח צף על המים והוא לא שוקע. הם טבלו במים, אבל הקרח, שהוא חומר מוצק, אינו שוקע במים, אלא צף. הבה נגלה מדוע קרח בהיותו חומר מוצק צף על פני המים. מים גם מתנהגים כרגיל ומתכווצים והופכים צפופים יותר כשהם מתקררים; עם זאת, הוא מפסיק להתכווץ כאשר הוא מגיע ל-4 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו, למים יש את הצפיפות הגבוהה ביותר שהם יכולים להשיג.
האם ניתן לעצור את התפשטות הקרח?
מכיוון שהפכים מושכים, המטענים הקלים על מולקולות שונות מתקשרים זה עם זה. אינטראקציות אלו נקראות קשרי מימן (שמבחינה טכנית, אינם קשרים כלל). עקרון ארכימדס אומר שכוח הציפה כלפי מעלה הדוחף אל העצם השקוע שווה למשקל המים שנעקרו. משקלו של עצם שווה למסה שלו כפול g, התאוצה הנובעת מכוח הכבידה.