Polaarjääplokid ja jäämäed triivivad ookeanis ning isegi jookides ei vaju jää kunagi põhja. Sellest võib järeldada, et jää vees ei vaju. Miks? Kui järele mõelda, võib see küsimus tunduda veidi kummaline, sest jää on tahke ja – intuitiivselt – peaks olema vedelast raskem. Kuigi see väide kehtib enamiku ainete kohta, on vesi erand reeglist. Vett ja jääd eristavad vesiniksidemed, mis muudavad jää tahkes olekus kergemaks kui vedelas olekus.
Teaduslik küsimus: miks jää vette ei vaju
Kujutame ette, et oleme 3. klassis tunnis "Maailm ümber". “Miks jää vette ei vaju?” küsib õpetaja lastelt. Ja lapsed, kellel pole sügavaid füüsikateadmisi, hakkavad arutlema. "Võib-olla on see maagia?" ütleb üks lastest.
Tõepoolest, jää on äärmiselt ebatavaline. Praktiliselt puuduvad muud looduslikud ained, mis tahkes olekus võiksid vedeliku pinnal hõljuda. See on üks omadusi, mis muudab vee nii ebatavaliseks aineks ja aus alt öeldes muudab see planeedi evolutsiooni teed.
Mõned planeedid sisaldavad tohutul hulgal vedelaid süsivesinikke, näiteks ammoniaaki, kuid külmumisel vajub see materjal põhja. Põhjus, miks jää vees ei vaju, seisneb selles, et kui vesi külmub, siis see paisub ja koos sellega väheneb ka selle tihedus. Huvitav on see, et jää paisumine võib kive purustada – vee jäätumise protsess on nii ebatavaline.
Teaduslikult öeldes loob külmumisprotsess kiired ilmastikutsüklid ja teatud pinnale eralduvad kemikaalid võivad mineraale lahustada. Üldiselt on vee külmutamisega seotud protsesse ja võimalusi, mida teiste vedelike füüsikalised omadused ei tähenda.
Jää ja vee tihedus
Nii et vastus küsimusele, miks jää ei vaju vees, vaid hõljub pinnal, on see, et selle tihedus on väiksem kui vedelikul – aga see on esmatasandi vastus. Et paremini mõista, peate teadma, miks jää on madala tihedusega, miks asjad üldse hõljuvad, kuidas tihedus viib ujumiseni.
Meenutagem kreeka geeniust Archimedest, kes avastas, et pärast teatud objekti vette kastmist suureneb vee maht arvu võrra, mis on võrdne sukeldatud objekti mahuga. Teisisõnu, kui asetate veepinnale sügava tassi ja asetate sellesse raske eseme, on nõusse valatava vee maht täpselt võrdne eseme mahuga. Pole tähtis, kas objekt on täielikult vee all võiosaliselt.
Vee omadused
Vesi on hämmastav aine, mis põhimõtteliselt toidab elu maa peal, sest seda vajab iga elusorganism. Vee üks olulisemaid omadusi on see, et selle tihedus on suurim 4°C juures. Seega on kuum vesi või jää vähem tihe kui külm vesi. Vähem tihedad ained hõljuvad tihedamate ainete peal.
Näiteks salatit valmistades märkad, et õli on äädika pinnal – see on seletatav asjaoluga, et selle tihedus on väiksem. Sama seadus kehtib ka selgitamaks, miks jää ei vaju vees, vaid vajub bensiinis ja petrooleumis. Lihts alt nende kahe aine tihedus on väiksem kui jääl. Seega, kui viskad täispuhutava palli basseini, siis see hõljub pinnal, aga kui viskad kivi vette, vajub see põhja.
Mis muutub veega, kui see külmub
Põhjus, miks jää vees ei vaju, on tingitud vesiniksidemetest, mis muutuvad vee külmumisel. Nagu teate, koosneb vesi ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist. Need on kinnitatud kovalentsete sidemetega, mis on uskumatult tugevad. Teist tüüpi side, mis moodustub erinevate molekulide vahel, mida nimetatakse vesiniksidemeks, on aga nõrgem. Need sidemed tekivad seetõttu, et positiivselt laetud vesinikuaatomeid tõmbavad naaberveemolekulide negatiivselt laetud hapnikuaatomid.
Kui vesi on soe, on molekulid väga aktiivsed,liigub palju, moodustab ja lagundab kiiresti sidemeid teiste veemolekulidega. Neil on energiat üksteisele läheneda ja kiiresti liikuda. Miks siis jää vette ei vaju? Keemia peidab vastust.
Jää füüsikaline keemia
Kui vee temperatuur langeb alla 4 °C, väheneb vedeliku kineetiline energia, mistõttu molekulid enam ei liigu. Neil pole liikumiseks energiat ja neid on sama lihtne kui kõrgel temperatuuril murda ja sidemeid moodustada. Selle asemel moodustavad nad rohkem vesiniksidemeid teiste veemolekulidega, moodustades kuusnurkseid võrestruktuure.
Nad moodustavad need struktuurid, et hoida negatiivselt laetud hapnikumolekulid lahus. Molekulide tegevuse tulemusena tekkinud kuusnurkade keskel on palju tühjust.
Jää vajub vette – põhjused
Jää on tegelikult 9% vähem tihe kui vedel vesi. Seetõttu võtab jää rohkem ruumi kui vesi. Praktiliselt on see mõistlik, sest jää paisub. Seetõttu ei ole soovitatav klaaspudelit vett külmutada – külmunud vesi võib tekitada suuri pragusid isegi betooni sisse. Kui sul on liitrine pudel jääd ja liiter pudel vett, siis on jääveepudel lihtsam. Molekulid on sel hetkel üksteisest kaugemal kui siis, kui aine on vedelas olekus. Sellepärast jää vette ei vaju.
Kui jää sulabstabiilne kristallstruktuur laguneb ja muutub tihedamaks. Kui vesi soojeneb kuni 4°C, saab see energiat juurde ning molekulid liiguvad kiiremini ja kaugemale. See on põhjus, miks kuum vesi võtab rohkem ruumi kui külm vesi ja hõljub külma vee peal – sellel on väiksem tihedus. Pidage meeles, et kui olete ujumise ajal järvel, on pealmine veekiht alati mõnus ja soe, aga jalad alla pannes tunnete alumise kihi külmust.
Vee külmumise protsessi tähtsus planeedi toimimises
Vaatamata sellele, et küsimus "Miks jää vees ei vaju?" 3. klassi jaoks on väga oluline mõista, miks see protsess toimub ja mida see planeedile tähendab. Seega on jää ujuvusel oluline mõju elule Maal. Järved külmuvad talvel külmades kohtades – see võimaldab kaladel ja teistel veeloomadel jääkatte all ellu jääda. Kui põhi oleks jääs, siis on suur tõenäosus, et kogu järv võib jääs olla.
Sellistes tingimustes poleks ükski organism ellu jäänud.
Kui jää tihedus oleks suurem kui vee tihedus, siis ookeanid vajuksid jäässe ja siis põhjas olevad jäämütsid ei lubaks seal kellelgi elada. Ookeani põhi oleks jääd täis – ja milleks see kõik muutuks? Muuhulgas on polaarjää oluline, kuna see peegeldab valgust ja hoiab planeedil Maa liiga kuumaks minemast.
