מדוע קרח צף על מים? מה שוקל יותר מים או קרח?

מדוע קרח צף על פני המים במקום לשקוע, כמו רוב המוצקים?

ישנם שני חלקים לתשובה לשאלה זו. ראשית, בואו נסתכל על למה משהו צף. לאחר מכן, בואו נבדוק מדוע קרח צף על גבי מים נוזליים, במקום לשקוע לתחתית.

למה קרח צף?

חומר צף אם הוא פחות צפוף, או יש פחות מסה ליחידת נפח, מאשר מרכיבים אחרים בתערובת. לדוגמה, אם אתם זורקים חופן סלעים לתוך דלי של מים, הסלעים, אשר צפופים לעומת המים, שוקעים. המים, אשר צפופים פחות מן הסלעים, ירחפו. ביסודו של דבר, הסלעים ״דוחפים״ את המים מן הדרך או מזיזים אותם. כל אובייקט כדי להיות מסוגל לצוף,  צריך להזיז משקל של נוזל שווה למשקל שלו עצמו.

מים מגיעים לצפיפות המקסימלית שלהם ב4 מעלות צלזיוס והם החומר היחיד שככל שהם מתקררים יותר והופכים להיות קרח, הם הופכים להיות פחות צפופים. מצד שני, רוב החומרים הם צפופים ביותר במצב מוצק (קפוא) שלהם מאשר במצב נוזלי שלהם. מים שונים משאר החומרים בגלל קשרי המימן שבמולקולה H2O.

מולקולת מים מורכבת מאטום חמצן אחד ושני אטומי מימן, המחוברים זה לזה בצורה חזקה עם קשרים קוולנטיים. מולקולות המים נמשכות זו לזו גם על ידי קשרים כימיים חלשים יותר (קשרי מימן) בין אטומי המימן הטעונים לטובה לבין אטומי החמצן הטעונים של מולקולות המים השכנות. כאשר המים מתקררים מתחת ל- 4 מעלות צלזיוס, קשרי המימן ״מסתגלים״ ואז הם יכולים להחזיק את אטומי החמצן הטעונים שלילי זה מזה. זה מייצר סריג קריסטל, אשר ידוע בכינויו 'קרח'.

קרח צף כי הוא כ – 9% פחות צפוף ממים נוזליים. במילים אחרות, קרח לוקח כ 9% יותר מקום מאשר מים, כך ליטר של קרח שוקל פחות מליטר מים. המים הכבדים יותר מחליפים את הקרח הקל יותר, כך שהקרח צף למעלה. אחת התוצאות של זה היא כי אגמים ונהרות קופאים מלמעלה למטה, המאפשר דגים לשרוד גם כאשר פני השטח של אגם קפוא מעל. אם הקרח היה שוקע , המים היו נעקפים למעלה וחשופים לטמפרטורה קרה יותר, והיו מאלצים את נהרות ואגמים להתמלא בקרח ולהקפוא.

מים כבדים

עם זאת, לא כל קרח מים צף על מים רגילים. קרח שנעשה באמצעות מים כבדים, אשר מכיל את האיזוטופ דוטיום מימן, שוקע במים רגילים. קשרי מימן עדיין מתרחשים, אבל זה לא מספיק כדי לקזז את ההפרש  בין מים נורמליים כבדים. קרח מים כבדים שוקע במים כבדים.