ทำไม น้ำแข็ง ถึงลอยน้ำ

กฎเหล็กของความหนาแน่น

ก่อนจะไปดูเรื่องโมเลกุล เราต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานก่อนครับ นั่นคือเรื่อง ความหนาแน่น (Density) ในโลกของฟิสิกส์ วัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ของเหลวรอบๆ จะลอยขึ้นเสมอ เปรียบเหมือนเราโยนลูกโป่งสวรรค์ขึ้นไปในอากาศนั่นแหละครับ ปกติแล้ว สารเกือบทุกชนิดบนโลก เมื่อเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นของแข็ง โมเลกุลจะขยับเข้ามาชิดกันมากขึ้น ทำให้มันหนักขึ้น หรือมีความหนาแน่นสูงขึ้น

แต่น้ำ คือข้อยกเว้นที่มหัศจรรย์

เมื่อน้ำลดอุณหภูมิลงจนถึงจุดเยือกแข็ง แทนที่โมเลกุลจะเบียดกันแน่นขึ้น พวกมันกลับสร้างระยะห่างระหว่างกันในรูปแบบที่เฉพาะตัวสุดๆ จนทำให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำในสถานะของเหลวประมาณ 9% ผลลัพธ์ก็คือ น้ำแข็ง เลยลอยนวลอยู่บนผิวน้ำได้สบายๆ

พันธะไฮโดรเจน

ทำไมน้ำถึงทำตัวแปลกแยกจากสารอื่น คำตอบอยู่ที่ พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bonds) 

ในสถานะของเหลว โมเลกุลของน้ำ (H2O) จะอยู่กันอย่างอิสระ ลื่นไหล และอยู่ชิดกันพอสมควร แต่พออุณหภูมิลดลงเหลือ 0°C โมเลกุลเหล่านี้จะเริ่มจับตัวกันเป็นโครงสร้างที่แข็งแรงและเป็นระเบียบเรียกว่า โครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยม (Hexagonal Lattice)

โครงสร้างนี้แหละครับที่เป็นกุญแจสำคัญ เพราะมันบังคับให้โมเลกุลของน้ำต้องเว้นระยะห่างระหว่างกันมากขึ้นกว่าตอนเป็นของเหลว เปรียบเสมือนกลุ่มคนที่เคยยืนเบียดกันในลิฟต์ แล้วจู่ๆ ทุกคนก็กางแขนออกจนสุดเพื่อทำท่ากายบริหาร พื้นที่ว่างระหว่างคน (โมเลกุล) จึงเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาตรขยายตัวแต่จำนวนโมเลกุลเท่าเดิม น้ำแข็งจึงเบากว่าน้ำนั่นเอง