น้ำแข็งลอยน้ำเพราะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่เป็นของเหลว เมื่อน้ำเย็นจนแข็งตัว โมเลกุลน้ำจะยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนเป็นโครงผลึกรูปหกเหลี่ยมที่มีช่องว่างมาก ทำให้น้ำแข็งกินปริมาตรมากขึ้นทั้งที่มวลเท่าเดิม ความหนาแน่นจึงลดลงราว 9% สิ่งใดที่เบากว่าน้ำในปริมาตรเท่ากันก็จะถูกน้ำดันให้ลอยขึ้น
ความหนาแน่นคืออะไร และเกี่ยวกับการลอยการจมอย่างไร
ความหนาแน่น (Density) คือมวลของสารต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร เช่น กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (g/cm³) วัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวจะลอย ส่วนวัตถุที่หนาแน่นกว่าจะจม
หลักการนี้มาจากหลักของอาร์คิมิดีส ซึ่งบอกว่าของเหลวจะดันวัตถุขึ้นด้วยแรงเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุแทนที่ เมื่อก้อนน้ำแข็งจมลงไปได้เพียงบางส่วน น้ำที่ถูกแทนที่ก็หนักเท่ากับน้ำหนักทั้งก้อนแล้ว มันจึงลอยอยู่โดยมีบางส่วนโผล่พ้นผิวน้ำ
ทำไมน้ำแข็งถึงเบากว่าน้ำ
น้ำแข็งเบากว่าน้ำในปริมาตรเท่ากัน เพราะโมเลกุลในน้ำแข็งเรียงตัวห่างกันมากกว่าโมเลกุลในน้ำของเหลว สาเหตุมาจากพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเป็นแรงดึงดูดระหว่างอะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งกับอะตอมออกซิเจนของอีกโมเลกุลหนึ่ง
ในน้ำที่เป็นของเหลว พันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นและหลุดออกตลอดเวลา โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ไปมาและเบียดชิดกันได้ แต่เมื่อน้ำแข็งตัว แต่ละโมเลกุลจะยึดกับโมเลกุลข้างเคียงอย่างเป็นระเบียบในมุมที่ค่อนข้างตายตัว กลายเป็นโครงผลึกรูปหกเหลี่ยมที่มีช่องว่างอยู่ภายใน คล้ายรังผึ้ง ช่องว่างเหล่านี้ทำให้น้ำแข็งมีปริมาตรมากขึ้น สำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาสหรัฐ (USGS) ระบุว่าเมื่อน้ำแข็งตัว ความหนาแน่นจะลดลงประมาณ 9%
| สถานะของน้ำ | ความหนาแน่นโดยประมาณ (g/cm³) | ลักษณะโมเลกุล |
|---|---|---|
| น้ำที่อุณหภูมิประมาณ 4°C | ราว 1.000 (หนาแน่นที่สุด) | โมเลกุลเบียดชิดกันมากที่สุด |
| น้ำที่อุณหภูมิ 0°C | น้อยกว่า 1 เล็กน้อย | เริ่มมีกลุ่มโมเลกุลเรียงตัวคล้ายผลึก |
| น้ำแข็งที่ 0°C | ประมาณ 0.92 | โครงผลึกหกเหลี่ยมที่มีช่องว่าง |
สารอื่นเป็นแบบน้ำด้วยไหม
ไม่ค่อยมี สารส่วนใหญ่เมื่อเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง โมเลกุลจะอัดแน่นขึ้น ของแข็งจึงหนาแน่นกว่าของเหลวและจมลง น้ำจึงถือเป็นสารที่มีพฤติกรรมผิดปกติจากสารทั่วไป
ตัวอย่างใกล้ตัวคือเทียนไขหรือน้ำมันบางชนิด เมื่อแข็งตัวในภาชนะ ส่วนที่แข็งมักหดตัวและจมลง ต่างจากน้ำแข็งที่ลอยอยู่ด้านบนเสมอ นอกจากน้ำแล้วก็มีสารไม่กี่ชนิด เช่น ซิลิคอนและแกลเลียม ที่ของแข็งเบากว่าของเหลวเหมือนกัน
น้ำหนาแน่นที่สุดที่อุณหภูมิเท่าไร
น้ำบริสุทธิ์มีความหนาแน่นสูงสุดที่ประมาณ 4°C เมื่อเย็นลงจากอุณหภูมิห้องจนถึง 4°C น้ำจะหดตัวและหนักขึ้นตามปกติ แต่เมื่อเย็นลงต่ำกว่า 4°C น้ำจะเริ่มขยายตัวอีกครั้ง เพราะพันธะไฮโดรเจนเริ่มจัดโมเลกุลให้เรียงตัวแบบเปิดคล้ายน้ำแข็ง
ผลที่ตามมาคือในทะเลสาบหรือแหล่งน้ำในเขตหนาว น้ำที่เย็นกว่า 4°C จะลอยขึ้นไปอยู่ด้านบนและแข็งตัวที่ผิวน้ำก่อน ส่วนน้ำที่ก้นทะเลสาบมักยังคงอยู่ราว 4°C
การที่น้ำแข็งลอยน้ำสำคัญต่อโลกอย่างไร
การที่น้ำแข็งลอยทำให้แหล่งน้ำแข็งตัวจากผิวลงไป ไม่ใช่จากก้นขึ้นมา แผ่นน้ำแข็งที่ผิวยังทำหน้าที่เหมือนฉนวนที่ช่วยชะลอการสูญเสียความร้อนของน้ำด้านล่าง ปลาและสิ่งมีชีวิตในน้ำจึงอยู่รอดผ่านฤดูหนาวได้
- ระบบนิเวศในเขตหนาว: ถ้าน้ำแข็งจม แหล่งน้ำจะค่อย ๆ แข็งตัวจากก้นขึ้นมาจนเต็มได้ในฤดูหนาวที่ยาวนาน
- ภูเขาน้ำแข็งในทะเล: ภูเขาน้ำแข็งลอยได้ด้วยเหตุผลเดียวกัน และเพราะความหนาแน่นต่างกันไม่มาก ส่วนใหญ่ของก้อนจึงจมอยู่ใต้น้ำ มีเพียงส่วนน้อยที่โผล่พ้นผิวน้ำ
- ชีวิตประจำวัน: การที่น้ำขยายตัวเมื่อแข็งตัวคือเหตุผลที่ขวดน้ำที่เติมจนเต็มแล้วใส่ช่องแช่แข็งอาจแตก และท่อประปาในประเทศเขตหนาวอาจแตกเมื่อน้ำในท่อเป็นน้ำแข็ง
ลองสังเกตได้ง่าย ๆ ที่บ้าน โดยเติมน้ำลงในแก้วพลาสติกแล้วทำเครื่องหมายระดับน้ำ นำไปแช่ช่องแช่แข็งจนแข็งตัว จะเห็นว่าผิวน้ำแข็งสูงกว่าเส้นเดิม แสดงว่าปริมาตรเพิ่มขึ้นจริง
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับน้ำแข็งลอยน้ำ
น้ำแข็งลอยในน้ำเกลือได้ดีกว่าน้ำจืดไหม
ใช่ น้ำทะเลมีเกลือละลายอยู่จึงหนาแน่นกว่าน้ำจืด น้ำแข็งจึงลอยสูงขึ้นเล็กน้อยเมื่ออยู่ในน้ำทะเล
น้ำแข็งที่ละลายในแก้วทำให้น้ำล้นแก้วไหม
ไม่ล้น เมื่อน้ำแข็งที่ลอยอยู่ละลาย น้ำที่ได้จะมีปริมาตรเท่ากับส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำพอดี ระดับน้ำจึงแทบไม่เปลี่ยน
ทำไมน้ำแข็งบางก้อนขุ่น บางก้อนใส
น้ำแข็งที่ขุ่นมักมีฟองอากาศและสารที่ละลายอยู่ติดค้างระหว่างการแข็งตัว ส่วนน้ำแข็งใสเกิดจากการแข็งตัวช้า ๆ ที่ไล่ฟองอากาศออกได้ดีกว่า
มีน้ำแข็งที่จมน้ำได้ไหม
มี ภายใต้ความดันสูงมาก น้ำแข็งสามารถจัดเรียงโมเลกุลเป็นผลึกแบบอื่นที่หนาแน่นกว่าน้ำได้ แต่ไม่พบในสภาพแวดล้อมปกติบนผิวโลก
แหล่งอ้างอิง: USGS Water Science School – Water Density · West Texas A&M University – Why does ice form on the top of a lake?
ภาพหน้าปกโดย Lanju Fotografie จาก Unsplash
