Ais Mengembang Apabila Air Membeku

Dalam kebanyakan bahan, zarah penyusunnya dalam keadaan cecair bergerak lebih bebas dan agak rapat antara satu sama lain; apabila disejukkan menjadi pepejal, zarah itu tersusun dalam struktur yang lebih tersusun dan rapat, menjadikan pepejal itu lebih tumpat (lebih berat bagi isi padu yang sama) berbanding bentuk cecairnya. Ini sebabnya kebanyakan pepejal tenggelam dalam bentuk cecairnya sendiri, contohnya lilin pepejal tenggelam dalam lilin cair.

Struktur heksagon ais yang lebih "terbuka"

Molekul air (H₂O) membentuk ikatan istimewa yang dipanggil ikatan hidrogen antara satu sama lain: atom hidrogen pada satu molekul air tertarik lemah kepada atom oksigen pada molekul air jiran. Dalam bentuk cecair, ikatan hidrogen ini sentiasa terputus dan terbentuk semula dengan pantas, membolehkan molekul air bergerak rapat antara satu sama lain. Tetapi apabila air menyejuk sehingga membeku, molekul air "terkunci" dalam struktur kisi heksagon yang tersusun kemas; struktur ini, disebabkan sudut ikatan hidrogen yang tertentu, sebenarnya mempunyai lebih banyak ruang kosong berbanding purata susunan molekul dalam air cecair, yang sentiasa berubah akibat pergerakan dan pembentukan semula ikatan hidrogen.

Nota Istilahikatan hidrogen: Tarikan lemah antara atom hidrogen pada satu molekul air dengan atom oksigen pada molekul air jiran — ikatan inilah yang menyebabkan air membentuk struktur kisi heksagon terbuka (dan kurang tumpat) apabila membeku menjadi ais.

Molekul air dalam ais tersusun dalam struktur kisi heksagon terbuka (banyak ruang kosong), manakala dalam air cecair molekul lebih rapat dengan susunan yang sentiasa berubah, sebab ais kurang tumpat daripada air cecair.

Kerana struktur kisi ais mempunyai lebih banyak ruang kosong berbanding susunan rapat air cecair, bagi jisim air yang sama, isi padunya menjadi lebih besar apabila membeku — menjadikan ais kurang tumpat, dan kerana itu, terapung di atas air cecair. Fenomena ini mempunyai kesan ekologi yang penting: tasik dan lautan membeku daripada permukaan ke bawah (bukan dasar ke atas), membolehkan hidupan akuatik terus hidup di bawah lapisan ais semasa musim sejuk.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Manusia telah lama memerhatikan bahawa ais terapung di atas air, berbeza daripada kebanyakan bahan lain yang bentuk pepejalnya tenggelam dalam bentuk cecairnya sendiri.
Bukti
Pengukuran ketumpatan langsung mengesahkan air cecair pada 4°C mempunyai ketumpatan kira-kira 1.000 g/mL, manakala ais pada 0°C mempunyai ketumpatan hanya kira-kira 0.917 g/mL – kira-kira 9% kurang tumpat, cukup untuk menjelaskan kenapa ais terapung.
Inferens
Kerana jisim molekul air tidak berubah semasa pembekuan, tetapi ketumpatan berkurangan (bermakna isi padu meningkat), mestilah struktur susunan molekul dalam ais mengambil lebih banyak ruang berbanding susunan dalam air cecair – bukan disebabkan perubahan pada molekul air itu sendiri.
Model
Kajian pembelauan sinar-X terhadap kristal ais menunjukkan struktur kisi heksagon terbuka yang diramal oleh model ikatan hidrogen; corak susunan atom yang tepat sepadan dengan pengiraan teori berdasarkan sudut dan panjang ikatan hidrogen antara molekul air.
Batasan
Air bukan satu-satunya bahan yang mengembang semasa pembekuan (bismut dan galium turut menunjukkan tingkah laku serupa atas sebab berbeza), tetapi air mempunyai kepentingan ekologi yang luar biasa kerana sifat ini mempengaruhi kehidupan dalam persekitaran akuatik Bumi secara meluas.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 2

Kenapa ais terapung di atas air, berbeza daripada kebanyakan bahan pepejal lain yang tenggelam dalam bentuk cecairnya?