Does Water Expand When It Freezes

للوهلة الأولى، قد لا تكون عبارة “الماء يتمدد عندما يتجمد” منطقية، لأنه في الحالة السائلة، ليس للماء شكل أو شكل محدد، وبالتالي يبدو أنه يشغل مساحة أكبر. وأيضًا، عندما يتجمد الماء، يأخذ شكلًا محددًا بوضوح، وهو ما يبدو عكس "التمدد" تمامًا. في البداية، نعم، يتمدد الماء عندما يتجمد. في هذه الحالة، تشير كلمة "يتوسع" إلى زيادة في الحجم، لذا من الناحية الفنية، يزداد حجم الماء عندما يتجمد. يمكنك اختبار مدى شرعية هذا الادعاء من خلال تجربة بسيطة: إذا خفضت درجة حرارة الماء، ستلاحظ أن حجم الماء يزداد كلما أصبح "سليما" أكثر فأكثر. والسؤال هو لماذا يزداد حجم الماء عند درجات الحرارة المنخفضة؟ هذه الظاهرة لها علاقة بالتكوين الكيميائي للماء. يتكون جزيء الماء من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. ترتيب هذه الذرات فريد من نوعه، مما يمنح الماء بعض الخصائص الخاصة، مثل السعة الحرارية العالية، التوتر السطحي، الالتصاق والتماسك! هذا الترتيب لجزيء الماء يخلق جانبًا موجب الشحنة بالقرب من ذرات الهيدروجين وجانبًا سالب الشحنة بالقرب من ذرة الأكسجين. عندما يقترب جزيئا ماء من بعضهما البعض، فإن الجانب الإيجابي من جزيء واحد يتمسك بالجانب السلبي من الآخر. عندما يحدث هذا على نطاق واسع، مع وجود ملايين من جزيئات الماء، فإن ما تحصل عليه هو بنية فريدة تمثل بعض الخصائص الكيميائية للمياه. في الحالة السائلة، يمكن لجزيئات الماء أن تتحرك بحرية، وتشكل وتكسر الروابط الهيدروجينية في هذه العملية، وهو ما يفسر الشكل غير المنتظم للماء، أو أي سائل آخر. بعض جزيئات الماء "مكدسة" فوق بعضها البعض، وهو ما يفسر ارتفاع كثافة الماء، مقارنة بالجليد. ومع ذلك، مع انخفاض درجة الحرارة وبرودة الماء، تزداد القوى بين الجزيئات، وتقل حرية الحركة، وتصبح الجزيئات أقل نشاطًا. عندما يصل الماء إلى نقطة التجمد، تصبح حركة جزيئاته ضئيلة لأنها تأخذ شكلًا أكثر تحديدًا، ومرتبة في شبكات سداسية الجوانب. هذا الترتيب البلوري لجزيئات الماء أقل كثافة، لأنه يمنع الجزيئات من التجمع أو التراص، بسبب القوى الجزيئية الأقوى. هذا التباعد بين الجزيئات التي تبقى ثابتة في موضع واحد يزيد من حجم الماء، ولهذا السبب من المعروف أن الماء يتمدد عندما يتجمد. وعندما يتحول الماء إلى جليد، فإن حجمه يتناسب عكسيًا مع كثافته، لذلك يكون الجليد أقل كثافة من الماء. ولذلك فإن الجليد، وهو مادة تبدو أثقل من شكلها السائل، يطفو في الواقع على الماء. إذا لم يتمدد الماء عند تجميده، فسيكون الجليد أكثر كثافة من الماء. فكر في التأثير على النظام البيئي لكوكبنا! سوف يغرق الجليد الموجود على سطح البحيرات والبحار والمحيطات، وتمتلئ هذه المسطحات المائية بالجليد تدريجيًا من الأسفل إلى الأعلى. ومع وجود البحيرات والمحيطات المتجمدة، لن تكون هناك حياة مائية على الأرض. ومن هذا المنظور، من الجيد جدًا أن يتمدد الماء عندما تبدأ درجة الحرارة في الانخفاض!