ทำไมน้ำแข็งถึงลอยน้ำ ทั้งที่ของแข็งส่วนใหญ่มักจมลงในของเหลว

น้ำแข็งลอยได้ เพราะตอนแข็งตัวมันกลับกินที่มากขึ้น

ลองนึกภาพโมเลกุลน้ำเป็นชิ้นส่วนเล็กจิ๋วที่ขยับชนกันอยู่ตลอดเวลา ตอนเป็นน้ำเหลว ชิ้นส่วนพวกนี้ยังเคลื่อนที่ เลื่อนผ่านกัน และแทรกตัวเข้าใกล้กันได้พอสมควร แต่พออุณหภูมิลดจนแข็งตัว โมเลกุลน้ำไม่ได้เบียดแน่นขึ้นเหมือนสารส่วนใหญ่ กลับจัดตัวเป็นโครงผลึกที่มีช่องว่างคั่นอยู่เยอะกว่าเดิม ผลคือมวลเท่าเดิม แต่ปริมาตรเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นจึงลดลง และนั่นคือจุดที่น้ำแข็งเริ่มมีสิทธิ์ลอย ประเด็นสำคัญไม่ใช่ว่าเป็นของแข็งหรือของเหลว แต่คือใครมีความหนาแน่นน้อยกว่าใคร ของแข็งไม่ได้ต้องจมเสมอไป ไม้ก็เป็นของแข็งแต่ลอยน้ำได้ ส่วนก้อนเหล็กจมเพราะมีมวลอัดอยู่ในปริมาตรเท่ากันมากกว่าน้ำ หลักเดียวกันนี้ใช้กับน้ำแข็ง โดยน้ำแข็งธรรมดามีความหนาแน่นราว 90 เปอร์เซ็นต์ของน้ำเหลว หรือพูดง่ายๆ ว่าเบากว่าต่อหนึ่งหน่วยปริมาตรประมาณ 9 เปอร์เซ็นต์ เมื่อวางลงในแก้ว น้ำจะดันก้อนน้ำแข็งขึ้น จนส่วนที่จมลงไปแทนที่น้ำมีน้ำหนักเท่ากับน้ำหนักของก้อนน้ำแข็งพอดี จากนั้นมันก็หยุดอยู่ตรงนั้น ไม่จมต่อและไม่เด้งหลุดขึ้นจากแก้ว นี่คือแรงลอยตัวแบบอาร์คิมิดีสในชีวิตประจำวันแบบเห็นได้ชัดมาก ถ้าก้อนน้ำแข็งมีความหนาแน่นประมาณ 0.9 เท่าของน้ำ ก็จะมีปริมาตรราว 90 เปอร์เซ็นต์อยู่ใต้ผิวน้ำ เหลือโผล่ขึ้นมาประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ ภาพภูเขาน้ำแข็งจึงหลอกตาได้ง่าย เพราะยอดที่เห็นเหนือทะเลเป็นเพียงส่วนเล็ก ส่วนใหญ่ซ่อนอยู่ข้างล่าง แล้วทำไมโครงสร้างของน้ำแข็งถึงมีช่องว่าง? ต้นเหตุอยู่ที่รูปร่างและขั้วไฟฟ้าของโมเลกุลน้ำ โมเลกุลหนึ่งประกอบด้วยออกซิเจนหนึ่งอะตอมกับไฮโดรเจนสองอะตอม การกระจายประจุไม่เท่ากันทำให้โมเลกุลข้างเคียงดึงดูดกันด้วยแรงที่เรียกว่า พันธะไฮโดรเจน ตอนยังเป็นน้ำเหลว พันธะเหล่านี้เกิดแล้วแตกสลับกันเร็ว โมเลกุลจึงยังสอดแทรกเข้าไปในช่องต่างๆ ได้ แต่พอแข็งตัว การจัดเรียงถูกตรึงเป็นโครงข่ายเปิดคล้ายกรง แต่ละโมเลกุลพยายามวางตัวในทิศที่เหมาะกับพันธะไฮโดรเจน จึงไม่ได้กองอัดชิดกันที่สุด ตรงนี้แหละที่น้ำเล่นกลับกฎทั่วไป สารจำนวนมากหดตัวเมื่อเย็นลง เพราะอนุภาคเคลื่อนช้าลงแล้วเรียงชิดขึ้น แต่สำหรับน้ำ ช่วงที่ลดอุณหภูมิจากอุ่นลงมาถึงประมาณ 4 องศาเซลเซียส ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นตามปกติ พอต่ำกว่า 4 องศา โครงสร้างแบบเปิดจากพันธะไฮโดรเจนเริ่มมีบทบาทมากขึ้น น้ำจึงค่อยๆ ขยายตัว และเมื่อกลายเป็นน้ำแข็งก็ขยายชัดเจนกว่าเดิม นี่เป็นเหตุผลเดียวกับที่ขวดน้ำแช่ช่องแข็งจนเต็มอาจป่องหรือแตก น้ำที่แข็งตัวต้องการพื้นที่เพิ่ม ไม่ได้มีน้ำใหม่โผล่มา แต่มวลเดิมกระจายกินปริมาตรกว้างขึ้น ท่อน้ำในพื้นที่หนาวจัดก็เสียหายได้จากกระบวนการคล้ายกัน น้ำในท่อแข็งตัวและขยายตัวจนสร้างแรงดันกับผนังท่อ ลองเทียบภาพง่ายๆ แบบนี้ น้ำเหลวเหมือนคนในงานที่ยังเดินหลบและแทรกช่องว่างกันได้ ส่วนก้อนน้ำแข็งเหมือนทุกคนต้องยืนจับมือกันตามตำแหน่งที่กำหนด แม้จำนวนคนเท่าเดิม แต่รูปแบบการยืนบังคับให้กินพื้นที่มากกว่าเดิม พอเอากลุ่มที่กินพื้นที่มากแต่มีน้ำหนักเท่าเดิมไปวางในน้ำ ความหนาแน่นเฉลี่ยก็ต่ำกว่า จึงลอย ความแปลกนี้ช่วยรักษาชีวิตในทะเลสาบด้วย เมื่ออากาศหนาว น้ำผิวบนเย็นลง น้ำที่มีอุณหภูมิใกล้ 4 องศาและหนาแน่นกว่าจะจมลง ส่วนที่เย็นกว่านั้นจะอยู่ด้านบนจนแข็งเป็นแผ่น น้ำแข็งลอยปิดผิวและทำหน้าที่เป็นชั้นกั้นความเย็นบางส่วน น้ำข้างล่างจึงยังเป็นของเหลว สัตว์น้ำจำนวนมากเลยมีพื้นที่อยู่รอดผ่านฤดูหนาว ถ้าน้ำแข็งหนักกว่าน้ำแล้วจม แผ่นใหม่ก็จะแข็งด้านบนแล้วจมซ้ำ ทะเลสาบอาจแข็งจากล่างขึ้นบนหรือแข็งลึกกว่าที่เกิดจริงมาก ระบบนิเวศน้ำจืดคงเปลี่ยนไปคนละเรื่อง เกลือก็ทำให้ภาพน่าสนใจขึ้น น้ำทะเลมีสารละลายอยู่มาก จึงหนาแน่นกว่าน้ำจืด ก้อนน้ำแข็งจึงลอยสูงขึ้นเล็กน้อยในน้ำเค็ม นี่ไม่ใช่เพราะก้อนน้ำแข็งเบาลง แต่เพราะของเหลวรอบมันหนักขึ้นต่อปริมาตรเท่ากัน จึงต้องจมลงไปแทนที่น้ำปริมาตรน้อยกว่าก็รับน้ำหนักก้อนได้แล้ว มีข้อยกเว้นสุดแปลกด้วย น้ำแข็งจากน้ำหนักหรือ heavy water ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนถูกแทนด้วยดิวเทอเรียม สามารถมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำธรรมดาและจมได้ แถมน้ำแข็งภายใต้ความดันสูงยังมีผลึกหลายรูปแบบ บางแบบหนาแน่นกว่าน้ำ แต่ก้อนในช่องแช่แข็งและน้ำแข็งตามธรรมชาติบนผิวโลกส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างชนิดธรรมดาที่มีช่องว่าง จึงลอยตามที่คุ้นตา สรุปแบบจำง่ายสุดคือ น้ำแข็งไม่ได้ลอยเพราะมันเป็นของแข็ง แต่มันลอยเพราะตอนน้ำแข็งตัว โมเลกุลจัดเป็นโครงโปร่ง ทำให้ปริมาตรเพิ่มและความหนาแน่นลดลง กฎจริงจึงไม่ใช่ของแข็งต้องจม แต่เป็นวัตถุจะลอยเมื่อความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่าของเหลวที่รองรับมัน ความพิเศษเล็กๆ ในระดับโมเลกุลนี่เองที่ทำให้ก้อนน้ำแข็งลอยในแก้ว ภูเขาน้ำแข็งลอยในทะเล และทะเลสาบไม่แข็งตันไปทั้งก้อนทุกฤดูหนาว