Mengapa es batu mengapung di air?, ya, satu lagi pertanyaan dalam pikiranku saat sedang menikmati es teh manis di siang hari yang cukup terik. Mengapa bisa begitu, bukannya benda padat lebih berat daripada benda cair? Pikirku sambil mengaduk – aduk es dalam teh manis di depanku. Hmm, pasti ada jawaban logis atas fenomena ini, jawabku sendiri.
Daftar isi
Zat padat akan tenggelam di wujud cairnya
Pertanyaan tadi sedikit banyak menggugah rasa penasaranku untuk mencari tahu. Beberapa literatur, aku baca, meskipun benar penjelasanya, tapi masih belum nyambung dengan otakku yang kategori bukan otak eksak. Sehingga ketemu penjelasan gamblang bagi awam sepertiku ini. Dari seorang guru besar emeritus dalam ilmu kima di University of Pittsburg, yang juga peneliti dalam kimia nuklir bernama Robert L. Wolke.
Kalau bertanya mengapa es batu mengapung di air? Bukankah es batu itu benda padat, dan benda padat umumnya lebih berat dari zat cair?. Maka akan dijawab, umumnya ya. Akan tetapi air adalah pengecualian. Maksudnya es batu adalah air membeku yang mengapung di air.
Terapungnya air padat di air cair, atau yang biasa kita lihat es batu mengapung di air, benar – benar hal biasa kita lihat. Tapi tanpa kita sadari hal tersebut merupakan fenomena yang luar biasa. Ketika kebanyakan dari zat cair yang membeku, wujud padat mereka lebih padat, lebih berat daripada wujud cair masing – masing, dengan volume yang sama lho ya.
Dalam wujud yang padat, molekul – molekul berkumpul lebih rapat dibandingkan molekul – molekul wujud cair. Molekul – molekul wujud cair bisa saling salip dengan mudah karena lebih renggang. Maka wajarlah wujud padat akan lebih berat dan karena itu wujud padat akan tenggelam.
Bisa dicoba dengan zat cair yang membeku pada temperatur sehari – hari, salah satunya lilin paraffin. Tambahkan lilin padat kedalam lilin cair, perhatikan bagaimana lilin padat itu akan tenggelam.
Namun penjelasan diatas tidak berlaku bagi air.
Molekul air padat terpisah lebih lebar dari wujud cairnya
Alasan air memiliki perilaku “melawan arus”, terletak pada cara unik molekul – molekul air ketika saling berhubungan dalam sebongkah es. Mereka saling terhubung melalui jembatan – jembatan yang disebut ikatan hidrogen. Akan tetapi kalau kita berbicara jembatan, tidak mustahil ada dua sudut pandang yang berbeda.
Sebagai contoh, orang Brooklyn mungkin memandang jembatan Manhattan sebagai penghubung Brooklyn dengan Manhattan. Tetapi orang manhattan boleh berpendapat bahwa jembatan itu memisahkan Brooklyn dengan Manhattan. Kita anggap keduanya benar, maka seperti itulah ikatan hydrogen pada molekul – molekul air dalam es. Mereka menggabungkan molekul satu dengan yang lain, tetapi ikatan itu juga menjaga jarak (bukan merapatkan) tertentu diantara molekul – molekul itu.
Maka, alih – alih berdesak – desakan sebagaimana kebiasaan molekul – molekul zat padat, molekul air membentuk semacam kerangka terbuka. Molekul air padat justru terpisah lebih lebar dibandingkan molekul air cair. Maka tidak mengherankan jika es memerlukan ruang lebih besar dari air. Air dengan berat tertentu menempati ruang sekitar 9% lebih besar ketika berwujud es dibandingkan ketika berwujud cair.
Coba perhatikan baik – baik es dalam baki es batu di freezer kalian. Kalian akan melihat bahwa kubus – kubus es itu memiliki puncak – puncak kecil. Ketika membeku, mereka harus memuai, tapi karena tidak memiliki ruang gerak kebawah dan ke samping, mereka hanya memuai ke atas.
Jika air yang membeku dikurung sedemikian, sehingga tidak dapat memuai, air sanggup menjebol wadah sekokoh apapun. Itu sebabnya pipa air atau mesin mobil dapat pecah ketika air didalamnya membeku.
Jembatan – jembatan dalam es tidak sekaligus terbentuk semuanya ketika sedang membeku. Sewaktu kita mendinginkan air dari temperatur ruang, air itu semakin padat, sama seperti zat cair lain. Karena molekul – molekul nya semakin lamban dan tidak memerlukan ruang yang banyak ketika saling sikut. Kebanyakan zat cair lain terus semakin padat sampai membeku dan wujud padatnya akan memiliki kerapatan paling tinggi. Namun tidak demikian halnya dengan air.
Es mengapung di air membantu kehidupan dalam air
Air menjadi lebih padat hanya sampai titik tertentu. Ketika air didinginkan sampai 4 derajat Celcius, perilaku air mulai “melawan arus”. Menjadi tidak begitu padat ketika kita terus mendinginkannya. Itu karena semua jembatan mulai terbentuk. Akhirnya pada temperatur 0 derajat Celcius, semua jembatan selesai dipasang pada tempat masing – masing. Air membeku menjadi es. Dan kerapatannya tiba – tiba jatuh ke level paling rendah. Itu sebabnya mengapa es batu mengapung di air pada suhu berapapun.
Kenyataan, bahwa air mempunyai kerapatan maksimum pada 4 derajat Celcius, memiliki konsekuensi lebih lanjut yang bermakna bagi mahluk hidup.
Ketika cuaca dingin menyejukkan permukaan danau air tawar, air di permukaan menjadi lebih padat lalu tenggelam. Tempat yang ditinggalkan segera dimanfaatkan oleh bagian air yang lain, sampai yang belakangan menjadi dingin dan tenggelam. Hal ini berlangsung terus menerus sampai seluruh air dalam danau memperoleh kesempatan untuk didinginkan sampai mencapai kerapatan tertingginya, pada 4 derajat Celcius, kemudian tenggelam.
Baru setelah itu permukaan air dapat menapaki 4 derajat terakhir untuk sampai ke temperatur beku air yakni 0 derajat Celcius.
Ketika lapisan es terbentuk di permukaan danau, seluruh air dalam danau telah berada pada temperatur 4 derajat Celcius. Tidak peduli berapa dingin cuaca diluar, air yang dapat menjadi lebih dingin dari 4 derajat Celcius akan tetap berada diatas (karena lebih ringan). Dan ikan dibawah lapisan es tidak pernah merasakan lebih dingin dari itu, apalagi sampai membeku. Itulah alasan mengapa kekhususan air juga berjasa sekali dalam mempertahankan kehidupan di bumi.