Dlaczego lód unosi się na wodzie? - George Zaidan oraz Charles Morton

Zobacz całą lekcję na: http://ed.ted.com/lessons/why-does-ice-float-in-water-george-zaidan-and-charles-morton

Woda jest specyficzną substancją z kilku powodów i być może zauważyliście jeden ważny z nich w mrożonym napoju: lód. Stały lód unosi się na płynnej wodzie, co nie odnosi się do innych substancji. Ale dlaczego?
George Zaidan i Charles Morton wyjaśnią naukę stojącą za zjawiskiem wiązań wodorowych, utrzymujących lód w szklankach (i polarne kry lodowe) na powierzchni wody.
Lekcja: George Zaidan i Charles Morton, animacja: Powerhouse Animation Studios Inc.

Woda jest płynem życia.

Pijemy ją,

kąpiemy się w niej,

uprawiamy rośliny,

gotujemy

i używamy do czyszczenia.

To najliczniej występująca cząsteczka
w naszym ciele.

Każda ze znanych form życia

umarłaby bez niej.

Co najważniejsze, bez wody

nie mielibyśmy

mrożonej herbaty.

Mniam, mrożona herbata.

Dlaczego kostki lodu unoszą się na wodzie?

Kostki stałej postaci argonu

w kubku płynnego argonu

poszłyby na dno.

Podobnie z większością innych substancji.

Ale woda w stanie stałym, czyli lód,

ma jakoś mniejszą gęstość niż płynna woda.

Jak to możliwe?

Już na pewno wiesz, że cząsteczka wody

składa się z dwóch atomów wodoru,

połączonych z jednym atomem tlenu.

Spójrzmy na kilka takich cząsteczek

w kropli wody

przy temperaturze 25 stopni Celsjusza.

Cząsteczki się wyginają,

rozciągają,

obracają,

i poruszają w przestrzeni.

Teraz obniżmy temperaturę,

co zmniejszy ilość energii kinetycznej

każdej z tych cząsteczek,

więc będą się mniej wyginały,
rozciągały, obracały i poruszały.

To znaczy, że średnio

powinny zabierać mniej miejsca.

Zdawałoby się, że gdy płynna woda

zaczyna zamarzać,

to cząsteczki będą się skupiać

coraz ciaśniej i ciaśniej.

Ale dzieje się coś zupełnie innego.

Woda ma jedyny w swoim rodzaju

sposób oddziaływań miedzy cząsteczkami,

którego większość substancji nie posiada.

Nazywamy to wiązaniem wodorowym.

W wiązaniu kowalencyjnym

dwa elektrony są dzielone,

zwykle nierówno,

między dwoma atomami.

W wiązaniu wodorowym,

atom wodoru jest dzielony, także nierówno,

między atomami.

Jedno wiązanie wodorowe wygląda tak.

Dwa wyglądają tak.

I tutaj trzecie

i czwarte

i piąte,

szóste,

siódme,

ósme,

dziewiąte,

dziesiąte,

jedenaste,

dwunaste...

Mógłbym tak w nieskończoność.

W jednej kropli wody

wiązania wodorowe formują rozległe sieci

między setkami, tysiącami, milionami,

miliardami, bilionami cząsteczek,

i te wiązania ciągle się rozrywają i odnawiają.

Wróćmy teraz do stygnącej wody.

Powyżej 4 stopni Celsjusza

energia kinetyczna cząsteczek wody

zachowuje bliski kontakt między cząsteczkami.

Wiązania wodorowe tworzą się i rozpadają

jak związki licealistów,

innymi słowy - szybko.

Natomiast poniżej 4 stopni,

energia kinetyczna cząsteczek wody

zaczyna spadać poniżej energii

wiązań wodorowych.

Wiązania wodorowe tworzą się częściej,

niż się rozpadają,

i piękne struktury zaczynają się wyłaniać

z chaosu.

Oto woda w stanie stałym, czyli lód,

na poziomie cząsteczkowym.

Uporządkowana struktura heksagonalna

jest mniej gęsta
niż nieuporządkowana struktura

ciekłej wody.

Wiadomo, że jeśli obiekt ma mniejszą gęstość

niż ciecz, w której się znajduje,

to będzie się na niej unosił.

Zatem lód unosi się na wodzie,

i co z tego?

Wyobraźmy sobie świat bez dryfującego lodu.

Najzimniejsza część oceanu

znajdowałaby się na ciemnym dnie oceanu,

raz zamarznięta już by nie rozmarzła.

Zapomnij o bułce z homarem,

bo wszystkie skorupiaki
straciłby naturalne siedliska,

albo o sushi, bo lasy wodorostów
by nie wyrosły.

Co robiłyby kanadyjskie dzieci zimą

bez hokeja na zamarzniętych jeziorach
albo wędkarstwa z przerębla?

Zapomnij o Oskarze Jamesa Camerona,

bo Titanic spokojnie by przepłynął.

Pożegnaj się z białymi polarnymi lodowcami,

odbijającymi promienie słoneczne,

które usmażyłyby naszą planetę.

Zapomnij o oceanach w znanej nam formie,

które zajmują ponad 70% powierzchni Ziemi,

regulując atmosferę całej planety.

Najgorsze w tym jest to,

że nie byłoby mrożonej herbaty.

Mniam, mrożona herbata.