ความหนาแน่น (Density)
ทำไมน้ำแข็งจึงลอยน้ำ?น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่า น้ำที่มีน้ำหนักเบากว่าน้ำ จึงสามารถลอยอยู่บนน้ำได้ การเปรียบเทียบน้ำหนักของน้ำและน้ำแข็งจะต้องเปรียบเทียบในจำนวนปริมาตรที่ เท่ากัน น้ำหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตรมีมวลหนึ่งกรัมแต่น้ำแข็งหนึ่งลูกบาศก์ เซนติเมตรจะมีมวลเพียง 0.9 กรัม แสดงว่าน้ำแข็งเบากว่าน้ำ ดั้งนั้นน้ำแข็งจึงสามารถลอยอยู่บนน้ำได้.....
น้ำ มีสมบัติเฉพาะตัว เมื่อน้ำมีอุณหภูมิที่ 4 องศาเซลเซียสน้ำจะขยายตัว น้ำเมื่อแข็งตัวจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นกว่าเดิมประมาณ 10 เปอร์เซนต์ ถ้านักเรียนใส่น้ำใน ลูกโป่งและนำไปแช่แข็งน้ำแข็งจะมีมวลเท่าเดิมแต่ปริมาตรเพิ่มขึ้น การที่สสารมีมวลเท่าเดิมแต่ขนาดเพิ่มขึ้นแสดงว่าสสารนั้นมีความหนาแน่นลดลง ดังนั้นเมื่อใส่น้ำแข็งในน้ำ น้ำแข็งจึงลอย เพราะน้ำแข็งมีความ หนาแน่นน้อยกว่าน้ำผลบางประการที่เกิดจากสมบัติข้อนี้ของน้ำ
ความหนาแน่นของน้ำ
ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งเมื่อมีอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส แต่น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4C เมื่ออยู่ในสถานะของเหลว ตามเส้นกราฟที่แสดงในภาพ เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง น้ำจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 9 เราจะเห็นได้ว่า เมื่อใส่น้ำเต็มแก้วแล้วนำไปแช่ห้องแข็ง น้ำแข็งจะล้นออกนอกแก้ว หรือไม่ก็ดันให้แก้วแตก ในทำนองเดียวกันเมื่อน้ำในซอกหินแข็งตัว มันจะขยายตัวทำให้หินแตกได้
น้ำ 1 โมเลกุล (H2O) ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนท์ (Covalent bonds) ซึ่งใช้อีเล็กตรอนร่วมกัน โดยที่อะตอมทั้งสามตัวเรียงกันทำมุม 105 องศา โดยมีออกซิเจนเป็นขั้วลบ และไฮโดรเจนเป็นขั้วบวก ดังรูป
โมเลกุลแต่ละโมเลกุลของน้ำเชื่อมต่อกันด้วย พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen-bonds) เรียงตัวต่อกันเป็นรูปจัตุรมุข (Tetrahedral) ดังรูปที่ 2 ทำให้น้ำต้องใช้ที่ว่างมากเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นเมื่อเราเพิ่มความร้อนให้กับก้อนน้ำแข็ง พันธะไฮโดรเจนที่เชื่อมระหว่างโมเลกุลจะถูกทำลาย (พันธะโควาเลนท์มีความแข็งแกร่งกว่าพันธะไฮโดรเจน) ทำให้น้ำแข็งละลายเป็นของเหลว โครงสร้างผลึกยุบตัวลง น้ำในสถานะของเหลวจึงใช้เนื้อที่น้อยกว่าน้ำแข็ง นี่เองคือ สาเหตุว่าทำไมน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ
ตัวอย่างที่แสดงพันธะไฮโดรเจนที่เห็นได้ชัดคือ ความตึงผิวของน้ำ (Surface tension) เราจะเห็นว่า หยดน้ำบนพื้น หรือบนใบบัว จะเป็นทรงกลมคล้ายเลนส์นูน หรือเวลาที่เติมน้ำให้เต็มแก้ว น้ำจะพูนโค้งอยู่สูงเหนือปากแก้วเล็กน้อย หากปราศจากแรงตรึงผิวซึ่งเกิดจากพันธะไฮโดรเจนแล้ว น้ำจะเต็มเรียบเสมอปากแก้วพอดี ไม่มีการนูน แรงตรึงผิวเป็นคุณสมบัติพิเศษของน้ำ ซึ่งมีมากกว่าของเหลวชนิดอื่น ยกเว้นปรอท (Mercury) ซึ่งเป็นธาตุชนิดเดียวที่เป็นของเหลว แรงตรึงผิวทำให้น้ำเกาะรวมตัวกัน และไหลชอนไชไปได้ทุกหนแห่ง แม้แต่รูโหว่และรอยแตกของหิน
ตัวอย่างความหนาแน่นของน้ำ เช่น ถ้าใส่น้ำในขวดแก้วจนเต็มปรี่แล้วปิดจุกจนแน่น นำไปแช่เย็นจนน้ำเปลี่ยนเป็น น้ำแข็ง ขวดที่ใส่จะแตก ทั้งนี้เพราะน้ำขยายตัวเมื่อเป็นน้ำแข็งอีกประการหนึ่งก็คือ ถ้าเมื่อน้ำ เปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็งแต่ไม่ขยายตัว(เพิ่มปริมาตร) น้ำแข็งอาจจะจับตัวอยู่ก้นทะเล หรือมหาสมุทร ไม่แข็งตัวอยู่เฉพาะผิดนน้า ถ้าเป็นเช่นนั้น ในฤดูหนาวน้ำในทะเลสาปในประเทศที่อยู๋ใกล้ขั้วโลกจะเป็นน้ำแข็งไปหมดพอถึงฤดูร้อน น้ำแข็งหลอมเหลวไม่หมด ก็จะทำให้ระบบนิเวศของโลกเปลี่ยนไปด้วย
แหล่งอ้างอิง:
http://variety.teenee.com/foodforbrain/16850.html http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2008/12/X7356778/X7356778.html
