Kenapa Ais Terapung di Atas Air?

Bagi banyak bahan, pepejal lebih tumpat daripada cecairnya. Air mempunyai tingkah laku yang berbeza dalam keadaan biasa. Apabila air membeku menjadi ais, molekul air tersusun dalam struktur kristal yang mengekalkan lebih banyak ruang antara molekul berbanding keadaan cecair. Jisim tidak bertambah kerana pembekuan itu sendiri, tetapi isi padu bagi jumlah air yang sama meningkat. Oleh itu, ketumpatannya menurun.

Nota Istilahketumpatan: Jisim bagi setiap unit isi padu. Jika jisim yang sama memenuhi isi padu yang lebih besar, ketumpatannya menjadi lebih rendah.

Apa yang berubah apabila air membeku?

Molekul air saling berinteraksi melalui ikatan hidrogen. Dalam air cecair, susunan molekul sentiasa berubah. Apabila ais biasa terbentuk, molekul tersusun dalam rangkaian kristal terbuka. USGS menyatakan bahawa ketumpatan berkurang kira-kira sembilan peratus apabila air biasa membeku. Oleh itu, ketumpatan ais biasa kira-kira sembilan persepuluh ketumpatan air cecair.

Model skematik: struktur kristal ais biasa menempatkan molekul air secara purata lebih berjauhan berbanding air cecair. Ketumpatan yang lebih rendah membolehkan ais terapung. Susunan molekul dan bongkah tidak mengikut skala.

Mengapa ketumpatan menentukan sama ada ais terapung?

Apabila ais berada di dalam air, air mengenakan daya apungan ke atasnya. Ais tenggelam sedikit sehingga berat air yang dipindahkannya cukup untuk mengimbangi berat ais. Oleh sebab ais biasa kurang tumpat daripada air cecair, keseimbangan ini dicapai sebelum seluruh bongkah tenggelam. Sebahagian ais kekal di atas permukaan.

Tidak semua keadaan samaKetumpatan air berubah dengan suhu dan bahan terlarut. Ais juga boleh mengandungi gelembung udara atau garam. Terdapat fasa ais lain pada tekanan tinggi, jadi penerangan ini merujuk kepada ais air biasa yang kita temui pada tekanan atmosfera.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Ketulan ais biasa terapung dalam air, dan kebanyakan isi padunya berada di bawah permukaan.
Bukti
Pengukuran menunjukkan air cecair berhampiran 4 °C mempunyai ketumpatan kira-kira 1 gram per sentimeter padu, manakala ais biasa mempunyai ketumpatan kira-kira sembilan peratus lebih rendah. Kajian struktur kristal menunjukkan rangkaian ais biasa lebih terbuka daripada susunan purata molekul dalam air cecair.
Inferens
Daripada perbezaan ketumpatan dan prinsip daya apungan, kita menyimpulkan bahawa ais biasa terapung kerana purata ketumpatannya lebih rendah daripada air cecair di sekelilingnya.
Model
Model ringkasnya: pembekuan → rangkaian kristal lebih terbuka → isi padu bertambah bagi jisim yang sama → ketumpatan berkurang → daya apungan dapat mengimbangi berat sebelum ais tenggelam sepenuhnya.
Batasan
Model ini tidak menggambarkan semua fasa ais atau keadaan tekanan tinggi. Ketumpatan sebenar turut berubah dengan suhu, saliniti, gelembung dan struktur ais.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Mengapakah ketumpatan ais biasa lebih rendah daripada air cecair?