أولاً، عندما يتجمد الماء ليصبح ثلجًا، يتشكل ترتيب بلوري معين يتطلب مساحة أكبر من الترتيب العشوائي لجزيئات الماء في الحالة السائلة، مما يؤدي إلى زيادة حجم الثلج مقارنة بحجم الماء السائل. ثانياً، تتشكل هياكل فراغية بين بلورات الثلج مما يسهم أيضًا في زيادة حجمه وبالتالي تقليل كثافته.

لماذا كثافة الجليد أقل من كثافة الماء السائل

لماذا كثافة الجليد أقل من كثافة الماء السائل؟ الإجابة: لأن جزيئات الجليد ترتب نفسها في بنية صلبة رباعية السطوح بسبب بقاء المساحات الشبيهة بالقفص في روابطها، في حين تبقى جزيئات الماء في شكل روابط خطيّة.

إن الكثافة هي خاصية فيزيائية يمكن من خلالها قياس مدى تماسك مادة ما عن طريق مقارنة كمية المادة التي يحتوي الجسم عليها في حجم معين له كثافة عالية، أي باختصار هي العلاقة بين كتلة المادة والحجم الذي تشغله، ومن الناحية النوعية فإنه يمكن توضيح مدى ثقل الجسم عند حجم ثابت بواسطتها.

وحقيقة أن الكثافة تختلف من مادة إلى أخرى، إذ هنالك مواد عالية الكثافة مثل الحديد والبلاتين والرصاص، ومواد أخرى منخفضة الكثافة مثل الزجاج والخيزران والألمنيوم والستايروفوم، والتي يطلق عليها اسم المواد المتناثرة أيضاً.

وبشكل عام فإن المواد في حالتها السائلة تكون أقل كثافة من المواد في حالتها الصلبة، وكذلك فإنها في حالتها الغازية أقل كثافة من الحالة السائلة، ويعود ذلك إلى حقيقة أن المواد الصلبة تحتوي على جزيئات كثيفة، بينما السوائل عبارة عن مواد يمكن أن تنزلق الجزيئات فيها حول بعضها البعض بشكل أسهل، أمّا الغازات فهي جزيئات حرّة الحركة في كل مكان، وبالتأكيد فإنه يمكن معرفة المزيد عن المواد الأخرى وكثافتها عن طريق مراجعة جدول كثافة المواد.

ومن خلال الشرح أعلاه وفهم فكرة الكثافة بالعموم، يمكن أن نلاحظ أن الجليد يعتبر من المواد الصلبة، أمّا الماء فيعتبر من المواد السائلة، وبالتالي فإنه ووفقاً للقاعدة السابقة فالجليد أقل كثافة من الماء، ويعود السبب في ذلك إلى كون جزيئات الجليد ترتب نفسها في بنية صلبة رباعية السطوح بسبب بقاء المساحات الشبيهة بالقفص في روابطها، في حين تبقى جزيئات الماء في شكل روابط خطية، وعليه فإنه كلما زاد حجم الجليد، انخفضت كثافته.

لماذا الثلج اثقل من الماء

الثلج ليس أثقل من الماء، بل العكس.

الثلج هو الماء نفسه لكن في حالة فيزيائية معينة وهي التجمد، حيث يتحول خلالها من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، وقد يظن الكثير من الأشخاص أن تحوّل الماء إلى ثلج قد يجعله أثقل وزناً، وربما يعود السبب في هذا الظن إلى اعتبار الثلج من المواد الصلبة، لكن يجدر التنويه إلى أن هذه المعلومة مغلوطة، فقد أثبتت الدراسات العلمية حقيقة أن الماء أثقل من الثلج.

ولتوضيح الفكرة بشكل أكبر لابدّ أن نؤكد على أن جزيء الماء يتكون من اتحاد ذرة أكسجين واحدة مع ذرتين هيدروجين، ويتواجد في الحالات الفيزيائية الثلاثة الصلبة (الثلج)، والسائلة (الماء)، والغازية (البخار).

تتأثر جزيئات الماء تبعاً للحالة التي يكون عليها، فنلاحظ أنها تتماسك معاً في الحالة السائلة عند درجة الحرارة العادية بسبب التجاذب الذي يحدث فيما بينها، وبالتالي فإنها تملك القدرة عل التحرك باستمرار في الحاوية، في حين يمنع التجمد والتحول إلى الحالة الصلبة حركة الجزيئات بحرية بسبب الترتيب الشبكي له؛ وهذا ما يمنح الثلج كثافة أقل من كثافة الماء.

وبناءً على التحليل السابق لحركة جزيئات الماء فإنه يمكن القول أن السبب الرئيسي لكون وزن الماء أثقل من وزن الثلج يعود إلى انخفاض كثافة الثلج، وذلك بسبب التباعد الذي يحدث بين جزيئات الماء عند وقوع عملية التجمد.

لماذا يطفو الجليد فوق الماء

يطفو الجليد فوق الماء لأنه أقل كثافة منه.

قد تبدو فكرة ارتفاع الجليد فوق سطح الماء غريبة بعض الشيء، لأن معظم المواد تكون أكثر كثافة عندما تكون في حالتها الصلبة، لكن الأمر مع الماء مختلف، فهو يصل إلى كثافته القصوى عند 40 درجة فهرنهايت (4.4 درجة مئوية)، وعند حدوث عملية التجمد، فإنه يصبح أقل كثافة من حالته السائلة التي كان عليها، على الرغم من أن التحول الذي حدث حوّله إلى مادة صلبة، والسبب في ذلك يعود إلى الطبيعة الفريدة للروابط الهيدروجينية.

ولشرح الطريقة التي يطفو الجليد بها فوق الماء لابد من فهم تركيبة الماء، إذ يتكون كل جزيء ماء من ذرة أكسجين مرتبطة بقوة بذرتين هيدروجين، وينعكس ذلك في الصيغة الكيميائية للمياه: H2O.

تميل جزيئات الماء في درجات الحرارة العادية إلى الانجذاب إلى بعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية معينة، والتي تبدأ مع انخفاض درجة حرارة الماء في فصل ذرات الأكسجين سالبة الشحنة عن بعضها البعض، مما يشكل بنية بلورية صلبة والتي تدعى “الجليد”.

تشغل جزيئات الماء في الجليد مساحة أكبر بحوالي 9% من الماء السائل، ممّا يعني أن كثافة الجليد أقل كثافة من الماء بما يقارب نسبة 9%.

ويمكن ملاحظة ذلك بشكل عملي من خلال وزن جالون من الماء، وجالون من الثلج بنفس الميزان، ليظهر جليّاً أن وزن جالون الثلج أقل من جالون الماء، وكمثال ثانٍ يمكن أن نأخذ كوباً من الماء ونضع به قطعة من الثلج، لنلاحظ أن الماء الأكثر كثافة يقوم بدفع قطعة الجليد الأقل كثافة إلى الأعلى، حيث تطفو على السطح.

ولابدّ من الإشارة إلى أن هذه الخاصية الفريدة للمياه في الكثافة مفيدة بشكل خاص للأسماك التي تعيش في المسطحات المائية التي تتجمد في الشتاء، وذلك لان الجليد يطفو على السطك، وبالتالي فإن عملية التجمد تتم من الأعلى إلى الأسفل، مما يساعد الأسماك في البقاء على قيد الحياة تحت الماء عند تجمّد السطح.

هل يزيد وزن الماء عند التجمد

لا يزيد وزن الماء عند التجمد.

من المعروف أن الماء يتكون من جزيئات صغيرة تتقارب وتتباعد وفقاً للحالة الفيزيائية التي يكون عليها، ففي الحالة السائلة تكون الجزيئات متقاربة من بعضها البعض، مع إمكانية تحركها باستمرار، لكن عندما يتم تجميدها وتحويلها إلى الحالة الصلبة (الجليد)، فإن الجزيئات تصبح مُقيّدة بعض الشيء، مما يجعل حركتها بطيئة بشكل كبير، لذلك عليك أن تتعلم كيفية حساب كثافة السوائل حتى تستطيع أن تجيب عن هذه الاسئلة بسهولة.

ولابدّ من التنويه هنا إلى أن جزيئات الماء هي نفسها في كل من الحالتين الصلبة والسائلة، وهذا ما يفسر عدم زيادة وزن الماء عند حدوث عملية التجمد، حيث أن التغيير الوحيد الذي يتم في هذه الحالة يكون في الكثافة، إذ تغدو كثافة الجليد أقل من كثافة الماء.

شاهد الزوار أيضاً: