لماذا يتمدد الماء عند تجمده؟ وما درجة تجمد الماء؟

سبب تمدد الماء عند تجمده

في الطبيعة تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض، ثم تلتصق ببعضها البعض أو تترابط عند اقترابها من بعضها لدرجة كافية، أما عن المسافة بين هذه الجزيئات فتتغير حسب درجة حرارتها؛ إذ تكون الجزيئات السائلة أكثر مرونة مما يمكّنها من الاقتراب أكثر من بعضها والتجمع معاً بشكل أكبر، وهو ما يجعلها تشغل مساحة أو حجماً أقل من الجزيئات الصلبة؛ فعندما تنخفض درجة الحرارة لتصبح أكثر برودة فإن هذه الجزيئات تترتب على هيئة بنية سداسية غير مرنة تشغل مساحة أكبر من تلك التي تشغلها بلورة نفس الجزيئات السائلة، خلافاً لبقية المواد التي تترتب بطريقة تجعلها تقترب أكثر من بعضها البعض عندما تتجمد.^[١]

وبشكل مختصر يمكن القول إن تمدد الماء عند تجمده يعود إلى تبلوره عند تجمده على شكل بلورة سداسية مفتوحة، وهذه الشبكة السداسية تحتل مساحة أكبر مقارنة بالشبكة التي يكونها الماء في الحالة السائلة.^[٢]

العلاقة بين كثافة الماء وتجمده

عندما يتجمد الماء فإنه يتمدد مما يجعله أقل كثافة من الماء الذي تجمّد منه؛ إذ يزداد حجمه بنحو 9٪، كما تقل كثافته بنفس النسبة تقريباً، وهو السبب الذي يجعل الجليد يطفو على الماء؛ إذ يمكن ملاحظة ذلك بسهولة عند وضع مكعب من الثلج في كوب من الماء، وتعتبر هذه الخاصية مهمة للكائنات الحية في المحيطات وبحيرات المياه العذبة؛ إذ يمكن للأسماك في البركة مثلاً العيش فيها في فصل الشتاء لأن الجليد يطفو في البركة ويعزل أسفلها بفاعلية عن الغلاف الجوي، ويمنعها من التجمد بالكامل.^[٣]

وفي المقابل لو أنّ الماء لا يتمدد عند تجمده فإن ذلك سيجعله أكثر كثافة من الماء السائل؛ مما سيؤدي إلى غرقه وملء البحيرات أو المحيطات بالجليد من الأسفل إلى الأعلى، وبالتالي انعدام الحياة فيها، ويجدر بالذكر هنا أن قوة تبلور الجليد لها القدرة على تفجير مواسير المياه، والتسبب في تمدد شقوق الصخور، وبالتالي التسريع من عملية تآكل الجبال.^[٣]

درجة تجمد المياه

يمكن تعريف نقطة التجمد أو درجة التجمد بأنها النقطة أو الدرجة التي يتحول فيها السائل من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، وهي تبلغ عادة 0 درجة مئوية، أو 32 درجة فهرنهايت للماء النقي، ولكنها قد تنخفض عند وجود شوائب في الماء؛ ففي بعض الأحيان وتحت بعض الظروف قد يبقى الماء سائلاً عند درجات حرارة منخفضة للغاية مثل -40 إلى -42 درجة فهرنهايت.^[٤]

تؤدي إضافة المواد الصلبة الذائبة إلى الماء النقي إلى زيادة ملوحته، وبالتالي ازدياد كثافته؛ إذ يبلغ متوسط ​​كثافة مياه البحر عند درجة حرارة 4 درجات مئوية نحو 1.028 جم/سم3 مقارنة بنحو 1.000 جم/سم3 للمياه النقية، كما أن إضافة الأملاح إلى المياه تؤدي إلى ازدياد درجة غليانها وتقليل درجة تجمدها؛ إذ تتجمد مياه البحر العادية عند -2 درجة مئوية، وهو ما يقل بنحو درجتين مئويتين عن درجة تجمد الماء النقي.^[٣]