Tại sao băng lại đóng trên bề mặt nước?

Dù là viên đá trong cốc nước hay núi băng trên biển, vì sao nước đóng băng không bị chìm xuống đáy? Bài viết dưới đây sẽ cho bạn câu trả lời.

Những lớp băng trên sông hồ hay trên chum nước vào mùa đông đều đóng trên bề mặt nước, chưa bao giờ xảy ra trường hợp lớp băng đóng dưới đáy nước.

Nhưng có khi nào bạn chợt tò mò nghĩ vì sao nước đóng băng lại nổi mà không chìm? Đó là do mật độ của nước. Nước đóng băng là thể rắn của nước. Nước đóng băng nổi vì nó có mật độ thấp hơn khi ở thể lỏng. Trong khi đó, các chất khác thì lại có mật độ cao hơn khi ở thể rắn.

Nước đóng băng nổi vì nó có mật độ thấp hơn khi ở thể lỏng. (Ảnh: web.utk).

Lớp băng được đông kết thành từ nước, vậy tại sao băng có thể nhẹ hơn nước?

Nước có một đặc tính khá đặc biệt. Khi ở nhiệt độ trên 4 độ C vẫn có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở lạnh co; nhưng khi  nước ở dưới 4 độ C thì đặc tính của nước sẽ ngược lại, tức là lạnh nở nóng co. Cùng một lượng nước đó, sau khi kết thành băng thể tích của nó sẽ giãn nở, theo Định luật II Niutơn: khối lượng tỉ lệ nghịch với thể tích, và vì vậy tảng băng trở nên nhẹ đi. Vì thế băng luôn ngưng kết trên mặt nước mà không đông kết dưới đáy nước. Chỉ khi nào thời tiết thực sự băng giá và nhiệt độ xuống đến mức thấp nhất, nước trên sông, ao hồ mới đóng băng từ trên xuống dưới.

Nước là một chất đặc biệt. (Ảnh: goingnorthrv)

Bà Claire Parkinson, cựu chuyên gia khí hậu học của NASA, cho biết nước là một chất đặc biệt. Những viên đá nổi trong cốc nước là do cấu trúc phân tử của chúng.

Một phân tử nước (H₂O) cấu thành từ hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen. Các nguyên tử này có chung các cặp hạt hạ nguyên tử cấu thành liên kết đồng hóa trị. Điện tích dương của nguyên tử hydrogen bị hút vào điện tích âm của nguyên tử oxygen của một phân tử nước khác và liên kết được hình thành giữa các phân tử này được gọi là liên kết hydrogen.

Khi nước đóng băng, các liên kết hydrogen này tạo thành một mạng tinh thể. Hầu hết băng trên bề mặt Trái đất tạo nên các tinh thể lục giác lặp lại. Có rất nhiều khoảng trống bên trong cấu trúc mạng này chứa đầy không khí, khiến cho mật độ băng thấp hơn nước.

Điều đó giải thích vì sao các núi băng lại nổi trên mặt biển cho dù chúng cao khoảng 30 đến 50 mét. Và băng nổi như vậy là một điều thuận lợi, bởi sự sống vẫn có thể sinh sôi bên dưới các mặt biển hay mặt hồ đóng băng. Nếu những tảng băng này chìm xuống thì sự sống ở môi trường dưới nước sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực.

• Bí ẩn của sinh học: Tại sao không thể chế tạo máy bay có đôi cánh giống như chuồn chuồn?
• Tại sao Hoa Kỳ lại thả 2,4 tỷ con muỗi biến đổi gene ra bên ngoài môi trường?
• Bạc không phản ứng với thạch tín, vì sao các hoàng đế dùng kim bạc để thử độc trước khi ăn?