تم النشر اليوم 2024/08/07 | لماذا كثافة الجليد أقل من الماء

البنية الجزيئية المميزة للجليد

تُشكّل جزيئات الماء في حالته الصلبة أيّ الجليد هيكلاً منظمّاً من جزيئات الأكسجين والهيدروجين ومتباعداً في الوقت ذاته، حيث يُحيط بكلّ ذرة أكسجين 4 ذرات هيدروجين؛ ذرتان منهما ترتبطان بعلاقة تشاركية مع ذرة الأكسجين، والذرتان المتبقيتان مبتعدتان مسافة أطول عن ذرة الأكسجين وترتبط كلّ منهما معها برابطة هيدروجينية من خلال أزواج الإلكترونات غير المشتركة.
يُسبّب هيكل جزيئات الجليد المتباعد والمفتوح بأن تكون كثافته أقل من كثافته في الحالة السائلة التي يتكسّر فيها الهيكل وتقترب الجزيئات من بعضها البعض، ويجدر بالذكر أنّ جزيئات الجليد تُشكّل هياكل متنوعة قد يصل عددها إلى 18 شكلاً مختلفاً من الجليد، تتغيّر تبعاً للعوامل الخارجية من حرارة وضغط.

لماذا كثافة الجليد أقل من كثافة الماء؟

تقل كثافة الماء عندما يتجمّد بسبب طريقة تصرّف الروابط الهيدروجينية أثناء تجمّده، ولفهم العبارة السابقة تجدر الإشارة إلى أنّ الكثافة هي الكتلة لكلّ وحدة حجم، ورغم أنّ الكتلة لا تتأثّر بتغير درجة الحرارة إلّا أنّ الحجم أو الحيّز الذي تشغله المادة يتغيّر مع تغيّر درجة الحرارة من خلال علاقة عكسية، ممّا يعني أنّ الكثافة أيضاً تتغيّر مع تغيّر درجة الحرارة، حيث تزداد كثافة السائل مع انخفاض درجة الحرارة؛ لأنّ الطاقة الحركية لجزيئاته تقل ممّا يجعل الجزيائات تقترب من بعضها أكثر فأكثر ممّا يؤدّي إلى زيادة الكثافة.
يتصرّف الماء مثل باقي السوائل إلى أنّ يصل إلى درجة حرارة 4°مئوية فعند هذه الدرجة يصل أقصى كثافة له ثمّ تبدأ كثافته بالانخفاض تدريجياً من 4°-0° مئوية؛ وذلك بسبب الروابط الهيدروجينية التي تربط جزيئات الماء مع بعضها البعض، حيث إنّها تبدأ بتشكيل شبكات تتميّز بهيكل سداسي مع وجود فراغ في منتصف الأشكال السداسية، ممّا يدفع جزيئات الماء لمسافات أبعد ممّا كانت عليه في الحالة السائلة وبالتالي تقل الكثافة.

كثافة الماء عند درجات حرارة مختلفة

يعرض الجدول الآتي كثافة الماء عند درجات الحرارة المختلفة: درجة الحرارة (مئوية) الكثافة (غم/ سم³) 0 درجة مئوية 0.

99987

4 درجة مئوية 1.

00000

10 درجة مئوية 0.

99975

15.
6 درجة مئوية 0.

99907

21 درجة مئوية 0.

99802 32

2 درجة مئوية 0.

99510

48.
9 درجة مئوية 0.

98870

60 درجة مئوية 0.

98338

82.
2 درجة مئوية 0.

97056

100 درجة مئوية 0.

95865