Vito vya barafu na vilima vya barafu huteleza ndani ya bahari, na hata kwenye vinywaji, barafu haizama chini kabisa. Inaweza kuhitimishwa kuwa barafu haina kuzama ndani ya maji. Kwa nini? Ikiwa unafikiri juu yake, swali hili linaweza kuonekana kuwa la kushangaza kidogo, kwa sababu barafu ni imara na - intuitively - inapaswa kuwa nzito kuliko kioevu. Ingawa kauli hii ni kweli kwa vitu vingi, maji ni ubaguzi kwa sheria. Maji na barafu hutofautishwa na vifungo vya hidrojeni, ambavyo hufanya barafu kuwa nyepesi katika hali ngumu kuliko inapokuwa katika hali ya umajimaji.
Swali la kisayansi: kwa nini barafu haizami ndani ya maji
Hebu fikiria kuwa tuko kwenye somo linaloitwa "Dunia Karibu" katika daraja la 3. “Kwa nini barafu haizami ndani ya maji?” mwalimu anawauliza watoto. Na watoto, bila kuwa na ujuzi wa kina katika fizikia, wanaanza kufikiria. "Labda ni uchawi?" Anasema mmoja wa watoto.
Hakika, barafu si ya kawaida sana. Kwa kweli hakuna vitu vingine vya asili ambavyo, katika hali ngumu, vinaweza kuelea juu ya uso wa kioevu. Hii ni moja ya sifa zinazofanya maji kuwa dutu isiyo ya kawaida na, kusema ukweli, ndiyo inayobadilisha njia ya mageuzi ya sayari.
Kuna baadhi ya sayari ambazo zina kiasi kikubwa cha hidrokaboni kioevu kama vile amonia - hata hivyo, inapogandishwa, nyenzo hii huzama hadi chini. Sababu kwa nini barafu haina kuzama ndani ya maji ni kwamba wakati maji yanaganda, hupanuka, na pamoja nayo, wiani wake hupungua. Inafurahisha, upanuzi wa barafu unaweza kuvunja miamba - mchakato wa uwekaji wa maji ni wa kawaida sana.
Kisayansi, mchakato wa kuganda huweka mizunguko ya haraka ya hali ya hewa na kemikali fulani zinazotolewa kwenye uso zinaweza kuyeyusha madini. Kwa ujumla, kuna michakato na uwezekano unaohusishwa na kuganda kwa maji ambayo sifa halisi za vimiminika vingine hazimaanishi.
Msongamano wa barafu na maji
Kwa hivyo jibu la kwa nini barafu haizami ndani ya maji lakini inaelea juu ya uso ni kwamba ina msongamano wa chini kuliko kioevu - lakini hilo ni jibu la kiwango cha kwanza. Ili kuelewa vyema, unahitaji kujua kwa nini barafu ina msongamano mdogo, kwa nini vitu huelea kwanza, jinsi msongamano unavyosababisha kuelea.
Mkumbuke fikra wa Kigiriki Archimedes, ambaye aligundua kwamba baada ya kuzamisha kitu fulani ndani ya maji, ujazo wa maji huongezeka kwa idadi sawa na ujazo wa kitu kilichozamishwa. Kwa maneno mengine, ikiwa unaweka sahani ya kina juu ya uso wa maji na kisha kuweka kitu kizito ndani yake, kiasi cha maji ambacho kitamiminwa kwenye sahani kitakuwa sawa na kiasi cha kitu. Haijalishi ikiwa kitu kimezama kabisa aukwa kiasi.
Sifa za maji
Maji ni dutu ya kushangaza ambayo kimsingi hulisha maisha duniani, kwa sababu kila kiumbe hai huhitaji. Moja ya sifa muhimu zaidi za maji ni kwamba ina msongamano mkubwa zaidi wa 4 ° C. Kwa hivyo, maji ya moto au barafu ni mnene kidogo kuliko maji baridi. Dutu zenye msongamano mdogo huelea juu ya vitu mnene zaidi.
Kwa mfano, wakati wa kuandaa saladi, utaona kwamba mafuta ni juu ya uso wa siki - hii inaweza kuelezewa na ukweli kwamba ina wiani wa chini. Sheria hiyo hiyo pia ni halali kwa kueleza kwa nini barafu haizami ndani ya maji, lakini huzama kwenye petroli na mafuta ya taa. Ni kwamba vitu hivi viwili vina msongamano wa chini kuliko barafu. Kwa hivyo, ukitupa mpira unaoweza kuvuta hewa ndani ya bwawa, utaelea juu ya uso, lakini ukitupa jiwe ndani ya maji, litazama chini.
Ni mabadiliko gani hutokea kwa maji yanapogandisha
Sababu ya barafu haizami ndani ya maji ni kutokana na miunganisho ya hidrojeni ambayo hubadilika maji yanapoganda. Kama unavyojua, maji yana atomi moja ya oksijeni na atomi mbili za hidrojeni. Zimeunganishwa na vifungo vya ushirika ambavyo vina nguvu sana. Walakini, aina nyingine ya dhamana inayounda kati ya molekuli tofauti, inayoitwa dhamana ya hidrojeni, ni dhaifu zaidi. Vifungo hivi huundwa kwa sababu atomi za hidrojeni zenye chaji chanya huvutiwa na atomi za oksijeni zenye chaji hasi za molekuli za maji jirani.
Maji yanapo joto, molekuli hufanya kazi sana,hoja nyingi, haraka kuunda na kutenganisha vifungo na molekuli nyingine za maji. Wana nguvu ya kukaribia kila mmoja na kusonga haraka. Kwa hivyo kwa nini barafu haizami ndani ya maji? Kemia huficha jibu.
Kemia ya kimwili ya barafu
Joto la maji linaposhuka chini ya 4 °C, nishati ya kinetiki ya kioevu hupungua, kwa hivyo molekuli hazisogei tena. Hawana nishati ya kusonga na ni rahisi kama kwenye joto la juu kuvunja na kuunda vifungo. Badala yake, huunda vifungo zaidi vya hidrojeni na molekuli nyingine za maji ili kuunda miundo ya kimiani yenye pembe sita.
Huunda miundo hii ili kutenganisha molekuli za oksijeni zenye chaji hasi. Katikati ya hexagoni zilizoundwa kutokana na shughuli ya molekuli, kuna utupu mwingi.
Barafu huzama majini - sababu
Barafu kwa kweli ina msongamano 9% kuliko maji kimiminika. Kwa hiyo, barafu inachukua nafasi zaidi kuliko maji. Kwa kweli, hii inaeleweka kwa sababu barafu hupanuka. Ndiyo sababu haipendekezi kufungia chupa ya kioo ya maji - maji yaliyohifadhiwa yanaweza kuunda nyufa kubwa hata kwa saruji. Ikiwa una chupa ya lita ya barafu na chupa ya lita moja ya maji, basi chupa ya maji ya barafu itakuwa rahisi zaidi. Molekuli ziko mbali zaidi katika hatua hii kuliko wakati dutu hii iko katika hali ya kioevu. Ndio maana barafu haizami majini.
Bafu inapoyeyukamuundo wa kioo imara huvunjika na kuwa mnene. Maji yanapo joto hadi 4 ° C, hupata nishati na molekuli husonga kwa kasi na mbali zaidi. Hii ndiyo sababu maji ya moto huchukua nafasi zaidi kuliko maji baridi na kuelea juu ya maji baridi - ina wiani mdogo. Kumbuka, unapokuwa ziwani, unapoogelea, safu ya juu ya maji daima ni nzuri na yenye joto, lakini unapoweka miguu yako chini, unahisi ubaridi wa tabaka la chini.
Umuhimu wa mchakato wa kuganda kwa maji katika utendakazi wa sayari hii
Licha ya ukweli kwamba swali "Kwa nini barafu haizami ndani ya maji?" kwa daraja la 3, ni muhimu sana kuelewa kwa nini mchakato huu unafanyika na maana yake kwa sayari. Kwa hivyo, kuvuma kwa barafu kuna athari muhimu kwa maisha ya Dunia. Maziwa huganda wakati wa baridi katika sehemu zenye baridi - hii inaruhusu samaki na wanyama wengine wa majini kuishi chini ya karatasi ya barafu. Ikiwa sehemu ya chini iligandishwa, basi kuna uwezekano mkubwa kwamba ziwa lote lingeweza kugandishwa.
Katika hali kama hizi, hakuna kiumbe hata kimoja ambacho kingesalia.
Kama msongamano wa barafu ungekuwa juu zaidi kuliko msongamano wa maji, basi bahari zingezama kwenye barafu, na vifuniko vya barafu ambavyo vingekuwa chini havingeruhusu mtu yeyote kuishi hapo. Sehemu ya chini ya bahari ingekuwa imejaa barafu - na yote ingegeuka kuwa nini? Miongoni mwa mambo mengine, barafu ya polar ni muhimu kwa sababu huakisi mwanga na kuzuia sayari ya Dunia isipate joto sana.
