لماذا يزداد حجم الماء عند تجمده ؟

من منا لم يلاحظ انكسار القنينة الزجاجية المملوءة بالماء عند وضعها في الثلاجة -الشكل 1- ؟ ولهذا تترك شركات التعبئة فراغاً في أعلى قناني الماء أو العصير، ويتم حساب هذا الفراغ اعتماداً على حسابات دقيقة لضمان عدم تمدد حجم الماء بشكل يفوق الحجم الذي تستوعبه العلبة، وكذلك فإن السبب وراء تمدد الماء عند تجمده هو سبب طفو الجليد على الماء. ولكن ما سبب تمدد الماء عند تجمده ؟ ومالذي يميزه عن بقية السوائل ؟

الشكل (1): بازدياد حجم الماء يزداد الضغط داخل
القنينة مما يؤدي إلى انكسارها.

الماء هو السائل الوحيد بين جميع السوائل الذي يزداد حجمه عند تجمده، كما أنه غير منتظم التمدد؛ وذلك خلافاً للسوائل الأخرى مثل الزئبق التي يكون لتمددها معيار ونسبة واضحة ثابتة فيمكن استخدامه في مقاييس درجات الحرارة والضغط الجوي لانتظام معدل تمدده مع ازدياد أو انخفاض الحرارة، حيث أنه في الوضع الطبيعي عند انخفاض درجة حرارة المادة تبدأ جزيئاتها بالتقارب من بعضها البعض وتصبح اهتزازية الحركة، وبالتالي فإنه من المفترض أن يقل الحجم عند درجة الحرارة المنخفضة وهذا ما يحدث لكل السوائل ما عدا الماء، ويبدأ ظهور هذه الخاصية في الماء عند انخفاض درجة حرارته عن 4 س° وتحدث الخاصية في مركبات أخرى أيضاً كما تسمى بـشذوذ الكثافة، وعند درجة الحرارة هذه يكون الماء في أقصى كثافة ممكنة له^[1] كما في الشكل 2.

ما الذي يميز جزيء الماء بهذه الخاصية الفريدة بين كل السوائل ؟

جزيء الماء يتكون من ذرة أكسجين وذرتا هيدروجين، كل منهما متصل بذرة الأكسجين بـرابطة تساهمية، ولأن الإلكترونات تميل إلى التواجد في ذرة الأكسجين بشكل أكبر نظراً لكِبَر الذرة فهذا يعطيها شحنة سالبة والهيدروجين شحنة موجبة، بشكل عام تهتز جزيئات الماء وتارة تبتعد من بعضها البعض وتارة تقترب، في كل مرة تقترب فيها جزيئات الماء فإن الأطراف الموجبة لها (ذرتي الهيدروجين) تنجذب نحو الأطراف السالبة لجزيء آخر (ذرة الأكسجين) وهذا الانجذاب يعرف بـالرابطة الهيدروجينية، وفي الوضع الطبيعي فإن الروابط الهيدروجينية لا تدوم طويلاً حتى تعود فتتفكك مرة أخرى نتيجة تصادم واهتزاز الجزيئات في درجات الحرارة العادية (درجة حرارة الغرفة)، ولكن عندما تنخفض درجة الحرارة عن 4 س° فإن هذا الانخفاض في درجة الحرارة يقرب الجزيئات من بعضها البعض ويقلل من اهتزازها مما يسمح بتكون الروابط الهيدروجينية، وهذه الروابط الهيدروجينية تجبر جزيئات الماء بالتكوَن في شكل معين منفرد يتخلله الفراغات ولا تسمح باقتراب جزيئات الماء من بعضها البعض بشكل كبير، ونتيجةً لذلك فإنه فور توافر الظروف المعينة على تكون الروابط الهيدروجينية يبدأ الماء بالتمدد مرة أخرى.

الشكل (2): أعلى كثافة يصل إليها الماء هي 1 جم/سم3 وذلك تقريباً
عند درجة 4 س° وتسمى هذه النقطة بالكثافة العظمى.

الآثار الناتجة

طفو الجليد

لماذا يطفو الجليد بدلاً من انغماره في الماء؟ يزداد حجم الماء ويتمدد بعد تكون الرابطة الهيدروجينية، وبما أن الكثافة هي الكتلة ÷ الحجم وكتلة الماء ثابتة فإنه بازدياد الحجم تقل الكثافة، وبتناقص كثافة الجليد يبدأ في الطفو من على الماء.

تَصدّع الجليد عند تعريضه لحرارة مفاجئة

عند تعرض مكعب الثلج لحرارة مفاجئة أو لتغير سريع في درجة حرارة المحيط فإنه يبدأ بالتصدع والتكسر كما في الشكل 3؛ والسبب في ذلك هو أن درجة حرارة الماء أعلى من درجة حرارة مكعب الثلج، وعند إسقاط مكعب ثلج في كأس الماء يبدأ المحيط الخارجي لمكعب الثلج باكتساب الحرارة من الماء فيبدأ بالتمدد، أما نواة مكعب الثلج الداخلية فتبقى باردة وحجمها ثابت، نتيجةً لذلك ينكسر الثلج، حيث أن المحيط يزداد حجمه فيضغط على نواة مكعب الثلج التي لم يتغير حجمها.

قد لا يبدو هنا أن لتمدد الماء علاقة ولكن لها دور طفيف في جعل نواة مكعب الثلج أكثر مقاومة للانضغاط نظراً للروابط الهيدروجينية.

الشكل (3): انكسار وتشقق مكعب الثلج فور تغير حرارة المحيط الخارجي بسرعة.

تكوّن الأشواك الجليدية

عند إخراج مكعبات جليدية من الثلاجة قد تلاحظ أنه يتكون عليهم أشبه بالأشواك أو الأعمدة كما في الشكل 4 ويعود ذلك إلى تمدد الماء؛ فعند تجميد مكعب الثلج تبدأ أطراف المكعب بالتجمد ويرافق هذا التجمد تمدد في حجم الماء فتبدأ أطراف المكعب الخارجيةة بضغط نواة مكعب الثلج السائلة، وبما أن الماء لا ينضغط فإنه يبدأ -وبالتدريج مع زيادة تمدد الأطراف- بالارتفاع للأعلى، ويأخذ الشكل المثلثي لأن بلورات الثلج تميل للالتصاق ببعضها البعض بزاوية 60°.

الشكل (4): تتكون الأشواك الجليدية نتيجة تمدد
الماء وضغطه نواة مكعب الثلج.

آثار بيئية

ظاهرة تمدد الماء عند تجمده مهمة جداً في بقاء المخلوقات البحرية الحية في المناطق المتجمدة لأنه في حال عدم طفو الجليد فوق الماء سيبدأ بالترسب في القاع ومع الوقت تتجمد البحيرة بأكملها أو في حالة البحر فأنه قد يقلل من حيز عيش هذه المخلوقات. وكذلك هي مهمة في عكس كمية كبيرة من أشعة الشمس، إذ أن مساحات الجليد الواسعة البيضاء في القطبين تعكس كم كبير من هذه الأشعة وتطردها، وفي حال انغمار الجليد ستُمتص الأشعة وتساعد على ظاهرة الاحتباس الحراري.

الخلاصة

يزداد حجم الماء عند تجمده؛ بسبب تكون الروابط الهيدروجينية مع انخفاض درجة الحرارة، والتي تجبر جزيئات الماء على التكون بشكل متمدد ومفرود.

انظر أيضاً

لماذا يغرق الجسم الحي ويطفو الجسم الميت ؟

تفسير تجربة الفلفل والماء.

لماذا يفور الزيت المغلي عند سكب الماء عليه ؟

تفسير تجربة الشمعة وطبق الماء.

مراجع

R, Nave, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, The Expansion of Water Upon Freezing

The Naked Scientists,Why does water expand when it freezes, 11 October, 2009.

How it works: Why does water expand when it freezes?

حقوق النشر:

-صورة الموضوع: How it works: Why does water expand when it freezes

-الشكل 1: gettyimages, Science Photo Library, Creative #: 123777221

-الشكل 2: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, The Expansion of Water Upon Freezing

-الشكل 3: Periodic Videos, Why do ice cubes crack in drinks

-الشكل 4: Veritasium.com

لماذا يزداد حجم الماء عند تجمده ؟