رفتار عجیب آب: چرا آب هنگام یخ زدن منبسط میشود؟
مقدمه: یک قانون کلی و یک استثنای بزرگ
تقریباً همه مواد جهان، هنگامی که سرد میشوند، منقبض میشوند. یعنی ذرات1 آنها به هم نزدیکتر شده و در نتیجه حجم کمتر و جرم حجمی2 بیشتری پیدا میکنند. اگر یک میله آهنی را حرارت دهیم، طول آن افزایش مییابد و با سرد شدن، دوباره کوتاه میشود. اما آب، این مایع حیات، قانونشکنی میکند. آب از دمای 4°C به سمت 0°C (دمای انجماد) نه تنها منقبض نمیشود، بلکه منبسط میشود! این یعنی یک لیتر آب در 4°C سنگینتر از همان یک لیتر آب در 0°C است. این رفتار غیرعادی، پیامدهای بسیار مهمی برای زندگی در سیاره ما دارد.
دلیل مولکولی این پدیده: قدرت پیوندهای هیدروژنی
برای درک این موضوع باید به دنیای مولکولها سفر کنیم. هر مولکول آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است ($H_2O$). این مولکولها مانند آهنرباهای کوچک، با یکدیگر کشش دارند. این کشش قوی را پیوند هیدروژنی4 مینامند.
وقتی آب گرم است، مولکولها انرژی زیادی دارند و به سرعت حرکت میکنند. در این حالت، پیوندهای هیدروژنی دائماً تشکیل و شکسته میشوند و مولکولها میتوانند نسبتاً فشرده کنار هم قرار گیرند. با کاهش دما، انرژی جنبشی5 مولکولها کم میشود.
در دمای 4°C، چگالی آب به حداکثر خود میرسد. با سرد شدن بیشتر، پیوندهای هیدروژنی قدرت بیشتری پیدا میکنند و شروع به آراستن مولکولهای آب در یک ساختار بلوری6 باز و ششضلعی میکنند. این آرایش بسیار منظم (که در یخ کامل میشود) مانند یک قفس خالی است و فضای خالی زیادی بین مولکولها ایجاد میکند. بنابراین، همین پیوندهای قوی، مولکولها را مجبور میکنند فاصله بیشتری از هم بگیرند، در نتیجه حجم افزایش و چگالی کاهش مییابد.
| دما (°C) | چگالی (g/cm³) | تغییر حجم نسبت به 4°C | وضعیت |
|---|---|---|---|
| 20 | 0.9982 | کمی بیشتر | مایع |
| 4 | 1.0000 | حداکثر چگالی (مرجع) |
بیشینه
|
| 1 | 0.9999 | کمی کمتر (منبسط شده) | مایع |
| 0 (یخ) | 0.9168 | ~9% بیشتر (خیلی منبسط شده) | جامد |
پیامدهای حیاتی در طبیعت و زندگی
این رفتار غیرعادی آب، تنها یک نکته علمی کنجکاویبرانگیز نیست، بلکه شرط اساسی ادامه حیات بر روی زمین است. مهمترین پیامد آن مربوط به محیطهای آبی مانند دریاچهها، رودها و اقیانوسها است.
فرض کنید آب مانند دیگر مواد بود و در سرما منقبض میشد. در زمستان، آب سرد سطح دریاچه سنگینتر میشد و به عمق میرفت و آب گرمتر جای آن را میگرفت. این چرخه ادامه مییافت تا کل دریاچه از کف تا سطح یخ میزد و تمام موجودات زنده درون آن از بین میرفتند.
اما در واقعیت چه اتفاقی میافتد؟ با سرد شدن هوا، آب سطح دریاچه خنک و سنگین میشود و به پایین میرود. این روند تا زمانی که تمام آب دریاچه به دمای 4°C برسد ادامه دارد. از این به بعد، با سردتر شدن سطح (مثلاً تا 2°C یا 1°C)، آب سطح سبکتر از آب عمق (که 4°C است) میشود. بنابراین، این آب سردتر در سطح باقی میماند و در نهایت یخ میزند. این یخ نیز چون چگالی کمی دارد، روی سطح شناور میماند و مانند یک پتوی عایق از سردتر شدن بیشتر لایههای زیرین جلوگیری میکند. در نتیجه، کف دریاچه همیشه در دمای حدود 4°C باقی میماند و ماهیها و دیگر آبزیان میتوانند زمستان را سپری کنند.
نمایش علمی و آزمایشهای ساده
میتوان این پدیده را با یک آزمایش ساده در خانه یا مدرسه مشاهده کرد. یک بطری پلاستیکی شفاف و انعطافپذیر را کاملاً از آب پر کنید، درب آن را محکم ببندید و آن را داخل فریزر بگذارید. پس از چند ساعت، متوجه خواهید شد که بطری متورم شده یا حتی ترک خورده است. دلیل آن این است که آب در حال یخ زدن، منبسط میشود و به دیوارههای بطری فشار میآورد. این همان دلیلی است که در زمستان ممکن است لولههای آب منجمد و ترکیده شوند.
مثال دیگر، قالبهای یخ هستند. اگر دقت کنید، یخهای تشکیلشده در قالب، همیشه در مرکز برآمدگی دارند. این برآمدگی ناشی از انبساط آب هنگام تغییر حالت از مایع به جامد است. در صنعت و مهندسی نیز این موضوع بسیار مهم است. برای مثال، در ساخت بتنریزی در هوای سرد یا طراحی مخازن و لولههای حامل آب، همیشه باید فضایی برای انبساط احتمالی آب در نظر گرفت.
$\text{\% افزایش حجم} \approx \frac{V_{ice} - V_{4}}{V_{4}} \times 100 \approx \frac{1.09 - 1.00}{1.00} \times 100 \approx 9\%$ این یعنی حجم یخ حدود 9% بیشتر از حجم آبی است که از آن به وجود آمده است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. انبساط آب از دمای 4°C آغاز میشود. یعنی وقتی آب از 4°C به سمت 0°C سرد میشود (در حالتی که هنوز مایع است)، به تدریج منبسط و سبکتر میشود. بیشترین انبساط در لحظه تغییر حالت از مایع به جامد (یخ) رخ میدهد که حدود 9% افزایش حجم دارد.
خیر، این یک خاصیت برای آب خالص است. ناخالصیهایی مانند نمک، نقطه انجماد آب را پایین میآورند و الگوی تغییر چگالی آن را تغییر میدهند. آب دریا در دمای انجماد (که زیر 0°C است) منقبض میشود. البته آب دریا نیز در یک بازه دمایی خاص، پیش از انجماد، ممکن است اندکی منبسط شود، اما این رفتار به پیچیدگی و شدت آب خالص نیست.
بله، اما بسیار نادر است. عناصری مانند بیسموت7 و گالیم8 و برخی آلیاژها نیز هنگام انجماد منبسط میشوند. اما فراوانی و اهمیت آب در کره زمین، این رفتار را برای ما بسیار ویژه و حیاتی کرده است.
پاورقی
1 ذرات (Particles): اجزای بسیار کوچک تشکیلدهنده مواد مانند اتمها، مولکولها یا یونها.
2 جرم حجمی (Volumetric Mass): همان چگالی (Density).
3 چگالی (Density): جرم یک ماده در واحد حجم آن.
4 پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond): یک نیروی جاذبه نسبتاً قوی بین اتم هیدروژن با بار جزئی مثبت در یک مولکول و یک اتم الکترونگاتیو (مانند اکسیژن یا نیتروژن) در مولکول دیگر.
5 انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژی ناشی از حرکت.
6 ساختار بلوری (Crystalline Structure): آرایش منظم و تکرارشونده اتمها، مولکولها یا یونها در یک ماده جامد.
7 بیسموت (Bismuth): یک عنصر شیمیایی با نماد Bi.
8 گالیم (Gallium): یک عنصر شیمیایی با نماد Ga.
