Băng nổi trên nước vì băng nhẹ hơn nước: khối lượng riêng của băng khoảng 0,917 g/cm³, của nước lỏng khoảng 1,000 g/cm³. Khi đông đặc, các phân tử nước xếp thành mạng tinh thể lục giác rỗng, nhiều khoảng trống hơn so với lúc còn lỏng, nên thể tích tăng khoảng 9%. Đây là điều hiếm gặp: phần lớn các chất khác co lại và chìm khi đông đặc. Nhờ tính chất "ngược đời" này mà hồ nước đóng băng từ mặt xuống, và sự sống dưới nước tồn tại được qua mùa đông.
Khối lượng riêng và lực đẩy Archimedes
Một vật nổi khi lực đẩy của nước (bằng trọng lượng phần nước bị vật chiếm chỗ) cân bằng với trọng lượng của vật. Vật nhẹ hơn nước, tức có khối lượng riêng nhỏ hơn nước, sẽ nổi, chỉ cần chìm một phần là đủ đẩy.
Tỉ lệ phần chìm bằng tỉ số khối lượng riêng:
- Băng nước ngọt trong nước ngọt: 0,917 / 1,000 ≈ 92% chìm, 8% nổi.
- Băng trôi trong nước biển (khối lượng riêng khoảng 1,025 g/cm³): khoảng 0,917 / 1,025 ≈ 89–90% chìm, 10–11% nổi.
Đó là nguồn gốc câu "phần nổi của tảng băng chìm": phần ta nhìn thấy trên mặt biển chỉ là khoảng một phần mười. Năm 1912, tàu Titanic va vào một tảng băng trôi ở Bắc Đại Tây Dương; phần băng dưới nước rộng hơn phần nhìn thấy, đã cứa rách thân tàu dưới mực nước.
Vì sao nước đá lại nhẹ hơn nước lỏng
Phân tử nước H₂O có hình chữ V: một nguyên tử oxy ở giữa, hai nguyên tử hydro ở hai đầu, tạo góc khoảng 104,5 độ. Đầu oxy hơi tích điện âm, đầu hydro hơi tích điện dương. Các phân tử hút nhau bằng liên kết hydro: hydro của phân tử này hướng về oxy của phân tử kia.
| Nước lỏng | Nước đá (băng Ih) | |
|---|---|---|
| Liên kết hydro | Liên tục hình thành và đứt gãy, phân tử chen chúc tự do | Mỗi phân tử liên kết cố định với 4 phân tử xung quanh |
| Cấu trúc | Lộn xộn, xếp khá sát | Mạng lục giác đều, nhiều khoảng trống |
| Khối lượng riêng | khoảng 1,000 g/cm³ (ở 4 °C) | khoảng 0,917 g/cm³ (ở 0 °C) |
Trong băng, mỗi phân tử nước bị "khoá" ở một vị trí với bốn liên kết hydro theo hình tứ diện. Cách xếp này tạo ra các vòng sáu cạnh với khoảng trống ở giữa, giống tổ ong. Khi băng tan, mạng tinh thể sụp đổ một phần, phân tử chen vào khoảng trống, nước lỏng đặc hơn.
Dạng băng thường gặp trên Trái Đất gọi là băng Ih (chữ h là hexagonal — lục giác). Ở áp suất rất cao trong phòng thí nghiệm hay sâu trong các mặt trăng băng giá, nước có thể đông thành hơn chục dạng tinh thể khác, phần lớn đặc hơn nước lỏng.
Điểm kỳ lạ ở 4 °C
Nước còn một tính chất khác thường nữa: nước lỏng đặc nhất ở khoảng 4 °C chứ không phải 0 °C. Khi làm lạnh nước từ nhiệt độ phòng xuống, nó co lại như mọi chất lỏng, cho tới khoảng 4 °C. Lạnh hơn nữa, từ 4 °C xuống 0 °C, nước lại giãn ra, vì các phân tử bắt đầu sắp xếp thành những cụm có cấu trúc giống băng.
Hệ quả lớn nhất: trong một hồ nước mùa đông, nước 4 °C nặng nhất chìm xuống đáy, nước lạnh hơn nổi lên mặt và đóng băng ở mặt. Lớp băng như tấm chăn, giữ cho nước bên dưới không đông tiếp. Cá và các sinh vật sống ở đáy hồ trong nước khoảng 4 °C suốt mùa đông. Bài riêng về hồ đóng băng có giải thích kỹ hơn.
Nước giãn nở khi đông: sức mạnh phá vỡ
Thể tích tăng khoảng 9% khi đông nghe có vẻ nhỏ, nhưng nếu nước bị nhốt kín, áp lực sinh ra rất lớn — có thể vượt quá 200 megapascal nếu băng bị ngăn không cho giãn nở hoàn toàn. Đây là sức mạnh của tự nhiên mà ai cũng từng gặp:
- Chai nước để quên trong ngăn đá bị phồng, nứt, hoặc bật nắp.
- Ống nước ở xứ lạnh bị vỡ khi nước bên trong đóng băng. Người dân ở đó thường để vòi nhỏ giọt hoặc bọc ống trong những đêm rét đậm.
- Đá nứt vỡ do băng: nước thấm vào khe đá, đông lại, nong khe rộng ra; lặp lại qua nhiều mùa đông, tảng đá vỡ vụn. Các nhà địa chất gọi là phong hoá do đóng băng – tan băng, một quá trình làm nên núi đá vụn, ổ gà trên đường ở xứ lạnh.
- Thực phẩm đông lạnh: nước trong tế bào rau quả đông thành tinh thể băng, chọc thủng màng tế bào; khi rã đông, rau quả mềm nhũn. Cấp đông nhanh tạo tinh thể nhỏ hơn, ít hại tế bào hơn.
Nếu băng chìm thì thế giới sẽ ra sao
Hãy tưởng tượng băng nặng hơn nước, như phần lớn chất rắn khác. Mùa đông, băng hình thành ở mặt hồ sẽ chìm xuống đáy. Mặt nước mới lại tiếp xúc với không khí lạnh, đông tiếp, chìm tiếp. Qua mùa đông, hồ sẽ đông cứng từ đáy lên. Mùa hè, chỉ lớp nước trên mặt kịp tan, khối băng dưới đáy được nước bên trên che khỏi ánh nắng, có thể không bao giờ tan hết. Các hồ, sông, thậm chí biển ở vùng ôn đới và vùng lạnh sẽ dần thành khối băng khổng lồ. Sự sống dưới nước như ta biết khó tồn tại được.
Đây là lý do nhiều nhà khoa học coi tính dị thường của nước là một trong những điều kiện quan trọng cho sự sống trên Trái Đất.
Góc nhìn hôm nay: ba thí nghiệm với cốc nước đá
- Đo phần nổi: thả một viên đá lớn vào cốc nước trong, nhìn ngang mặt cốc. Ước lượng phần nổi trên mặt nước, so với con số khoảng 8–10%.
- Nước đá trong dầu ăn: thả viên đá vào cốc dầu ăn. Dầu nhẹ hơn nước nhưng nặng hơn băng một chút (dầu ăn khoảng 0,91–0,93 g/cm³), nên viên đá lơ lửng hoặc chìm từ từ. Khi đá tan, giọt nước rơi xuống đáy cốc.
- Đo độ giãn nở: đổ nước vào một hộp nhựa mềm có nắp, vạch mức nước bằng bút, để vào ngăn đá qua đêm. Sáng hôm sau, mặt băng cao hơn vạch — nước đã giãn ra khi đông.
Lưu ý: không để chai thuỷ tinh đựng đầy nước trong ngăn đá, chai có thể vỡ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao băng nổi trên nước?
Vì băng có khối lượng riêng khoảng 0,917 g/cm³, nhỏ hơn nước lỏng khoảng 1 g/cm³. Khi đông, phân tử nước xếp thành mạng lục giác rỗng có nhiều khoảng trống, thể tích tăng khoảng 9%, nên băng nhẹ hơn và nổi lên.
Tảng băng trôi chìm bao nhiêu phần dưới nước?
Trong nước biển, khoảng 89 đến 90% thể tích tảng băng nằm dưới mặt nước, chỉ khoảng một phần mười nổi lên trên. Trong nước ngọt, phần chìm khoảng 92%.
Nước nặng nhất ở nhiệt độ nào?
Nước lỏng có khối lượng riêng lớn nhất ở khoảng 4 °C. Lạnh hơn nữa, từ 4 °C xuống 0 °C, nước lại giãn ra. Vì vậy ở đáy hồ mùa đông, nước thường giữ khoảng 4 °C.
Vì sao chai nước để trong ngăn đá bị nứt?
Vì nước giãn nở khoảng 9% khi đóng băng. Nếu chai đầy và kín, băng không có chỗ giãn ra, tạo áp lực rất lớn lên thành chai, làm chai phồng, nứt hoặc bật nắp.
Có chất nào khác nhẹ đi khi đông đặc không?
Có nhưng rất ít, ví dụ silic, gali, bitmut, gecmani. Đa số chất co lại và đặc hơn khi đông đặc, nên chất rắn chìm trong chất lỏng của chính nó. Nước là ví dụ nổi bật và quan trọng nhất với sự sống.