Nước đá nổi vì khi đông lại, các phân tử nước tự xếp thành một mạng lưới thưa, có nhiều khoảng trống, khiến đá chiếm thể tích lớn hơn và nhẹ hơn chính lượng nước đó ở dạng lỏng. Điều này khá hiếm gặp: với phần lớn các chất, dạng rắn đặc hơn dạng lỏng và chìm xuống. Nếu nước cũng như vậy, hồ ao ở những xứ lạnh sẽ đông đặc từ đáy lên và sự sống dưới nước sẽ khó hơn nhiều.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Ly trà đá vỉa hè là thứ quen thuộc tới mức chẳng ai thắc mắc vì sao viên đá luôn nổi lên trên. Tập này mình kể vì sao điều bình thường đó thật ra là một ngoại lệ, và ngoại lệ đó đã định hình cả Trái Đất.
Phần lớn chất rắn chìm, nước đá thì nổi
Thử nghĩ tới mỡ heo. Khi rán xong để nguội, mỡ đông lại thành màu trắng, và nếu bạn thả một cục mỡ đông vào nồi mỡ lỏng còn ấm, nó chìm xuống. Sáp nến, kim loại nóng chảy, phần lớn các chất cũng vậy: khi đông lại, phân tử xích lại gần nhau hơn, dạng rắn đặc hơn dạng lỏng.
Nước làm ngược lại. Một lượng nước khi đông thành đá tăng thể tích khoảng một phần mười. Cùng khối lượng mà to hơn thì nhẹ hơn so với thể tích, nên nổi.
Bạn thấy điều đó rõ nhất khi để quên chai nước đầy trong ngăn đá: sáng ra chai phình, nắp bật hoặc chai nứt. Lon nước ngọt để quá lâu trong ngăn đá cũng có thể bị phồng, có khi nổ bung, vì vậy đừng để đồ uống đóng kín trong ngăn đá quá lâu.
Ở những nước lạnh, người ta phải xả hết nước trong đường ống ở những căn nhà bỏ trống mùa đông, vì nước đóng băng trong ống có thể làm vỡ cả ống kim loại.
Phân tử nước xếp hàng như tổ ong
Bí mật nằm ở hình dạng phân tử nước. Mỗi phân tử có một nguyên tử ô xi và hai nguyên tử hi đrô, xếp thành hình chữ V. Phía ô xi hơi mang điện âm, phía hi đrô hơi mang điện dương. Các phân tử nước hút nhau theo kiểu đầu hi đrô của phân tử này bám vào đầu ô xi của phân tử kia, gọi là liên kết hi đrô.
Ở dạng lỏng, các liên kết này liên tục đứt ra và nối lại, phân tử chen chúc, trượt qua nhau, xếp khá sát. Khi nhiệt độ hạ xuống điểm đông, chuyển động chậm lại, và các liên kết hi đrô khoá các phân tử vào những vị trí cố định, tạo thành một mạng lưới hình lục giác đều đặn, giống như tổ ong.
Mạng lưới này có góc cạnh rõ ràng và để lại nhiều khoảng trống ở giữa. Vì vậy nước đá thưa hơn nước lỏng. Hình lục giác đó cũng chính là lý do bông tuyết luôn có sáu cánh.
Một phân tử nhỏ bé với góc chữ V đặc biệt đã tạo ra một tính chất mà cả hành tinh phải dựa vào.
Hồ đóng băng từ trên xuống, cá vẫn sống
Nước có một chi tiết lạ nữa: nó đặc nhất ở khoảng bốn độ, chứ không phải ở không độ. Khi mùa đông tới ở xứ lạnh, nước mặt hồ nguội đi, đặc lại, chìm xuống. Quá trình này tiếp tục cho tới khi cả hồ khoảng bốn độ. Sau đó, nước mặt nguội thêm thì lại nhẹ hơn, ở lại trên mặt, rồi đóng băng.
Kết quả là hồ đóng băng từ trên xuống, và lớp băng nổi trên mặt còn đóng vai trò như một tấm chăn cách nhiệt, giữ cho nước bên dưới không đông tiếp. Cá và các sinh vật dưới đáy sống qua mùa đông trong làn nước lạnh nhưng vẫn lỏng.
Nếu nước đá chìm, mỗi mùa đông băng sẽ tích dần từ đáy lên, và mùa hè không đủ sức làm tan hết. Nhiều hồ, thậm chí phần lớn đại dương ở vùng lạnh, có thể trở thành những khối băng rắn.
Ở Việt Nam hiếm có hồ đóng băng, nhưng hiện tượng này vẫn ảnh hưởng tới khí hậu toàn cầu qua băng ở hai cực và dòng chảy đại dương.
Núi băng chìm bao nhiêu phần dưới nước?
Câu nói phần nổi của tảng băng chìm được dùng khắp nơi để nói về những vấn đề lớn ẩn bên dưới. Về mặt vật lý, câu nói đó khá chính xác. Vì nước đá chỉ nhẹ hơn nước biển một chút, một khối băng trôi nổi có khoảng chín phần mười thể tích nằm dưới mặt nước, chỉ một phần mười nhô lên.
Đó là lý do núi băng rất nguy hiểm với tàu thuyền: phần nhìn thấy nhỏ, còn phần dưới nước to và có thể trải rộng hơn nhiều so với phần nổi.
Ly trà đá của bạn cũng vậy: viên đá chỉ nhô lên một chút, phần lớn nằm dưới mặt nước. Bạn có thể tự quan sát khi thả một viên đá vào cốc nước trong.
Có một câu đố vui liên quan: khi viên đá trong ly tan hết, mực nước trong ly có dâng lên không. Câu trả lời là gần như không đổi, vì viên đá nổi đã chiếm chỗ đúng bằng lượng nước nó tạo ra khi tan. Đó cũng là lý do băng trôi trên biển tan không làm nước biển dâng đáng kể, còn băng trên đất liền như ở Greenland và Nam Cực tan chảy ra biển thì có.
Một ngoại lệ nuôi sống cả hành tinh
Nước còn nhiều tính chất khác thường khác: cần rất nhiều nhiệt để nóng lên, hoà tan được rất nhiều chất, có sức căng bề mặt lớn giúp con nhện nước đi trên mặt ao. Nhiều tính chất này cũng đến từ chính liên kết hi đrô.
Các nhà khoa học đôi khi gọi nước là chất lỏng kỳ lạ nhất mà chúng ta quen thuộc nhất. Và chính những điều kỳ lạ đó làm Trái Đất có khí hậu ôn hoà hơn, đại dương điều hoà nhiệt độ, và sự sống có một dung môi lý tưởng.
Khi các nhà khoa học tìm kiếm sự sống ở nơi khác trong vũ trụ, câu khẩu hiệu quen thuộc là hãy đi theo dấu nước. Không phải ngẫu nhiên.
Lần tới cầm ly trà đá, bạn có thể lắc nhẹ cho viên đá xoay tròn và nghĩ rằng nó đang nổi vì hàng tỉ tỉ phân tử đã tự xếp thành tổ ong. Còn điều gì bình thường quanh bạn mà thật ra lại là một ngoại lệ không?
Câu hỏi thường gặp
Vì sao nước biển đóng băng ở nhiệt độ thấp hơn nước ngọt?
Muối hoà tan cản trở các phân tử nước xếp thành mạng lưới băng, nên nước biển cần lạnh hơn mới đóng băng. Khi nước biển đông, phần lớn muối bị đẩy ra ngoài, nên băng biển mặn ít hơn nước biển.
Nước đá khô có phải là nước đá không?
Không. Đá khô là khí các bô níc ở dạng rắn, rất lạnh và chuyển thẳng thành khí mà không qua dạng lỏng. Tiếp xúc trực tiếp có thể gây bỏng lạnh và dùng trong phòng kín có thể nguy hiểm.
Có chất nào khác cũng nở ra khi đông như nước không?
Có một số ít chất như vậy, ví dụ si líc và một vài kim loại trong điều kiện nhất định. Nhưng trong những chất phổ biến trong đời sống, nước gần như là ngoại lệ nổi bật nhất.
Vì sao đá trong tủ lạnh nhà mình bị đục mà đá quán lại trong?
Đá đục vì có bọt khí và tạp chất bị giữ lại khi nước đông nhanh từ mọi phía. Đá trong thường được làm bằng cách cho nước đông chậm theo một hướng, để khí và tạp chất bị đẩy ra ngoài.
Vì sao nước nóng đôi khi đông nhanh hơn nước lạnh?
Đây là một hiện tượng được bàn nhiều, nhưng các thí nghiệm cho kết quả không thống nhất và phụ thuộc nhiều vào điều kiện như bay hơi, dòng đối lưu và loại tủ. Hiện chưa có kết luận chắc chắn rằng nó luôn xảy ra.
