MediaKeadilan.com – Pernahkah kamu memasukkan es batu ke dalam segelas air lalu menyaksikannya mengapung di permukaan? Fenomena sederhana ini ternyata berkaitan bersama salah satu sifat unik air yang dipelajari dalam ilmu pengetahuan alam (IPA).
Secara sederhana, es batu dapat mengapung di atas air lantaran massa jenis es makin kecil daripada massa jenis air dalam bentuk cair. Namun, mengapa massa jenis es justru makin rendah, padahal es dan air sama-sama tersusun dari molekul HO?
Jawabannya berkaitan bersama struktur molekul air, ikatan hidrogen, massa jenis, dan gaya apung.
Es Mengapung lantaran Massa Jenisnya Lebih Rendah daripada Air
Konsep utama demi memahami fenomena ini merupakan massa jenis atau densitas.
Massa jenis merupakan perbandingan antara massa suatu benda bersama volumenya. Secara sederhana, rumusnya merupakan:
Massa jenis = massa ÷ volume
Air cair memiliki massa jenis sekitar 1 gram per sentimeter kubik (g/cm³) pada suhu sekitar 4 derajat Celsius. Sementara itu, es memiliki massa jenis sekitar 90 persen dari massa jenis air cair.
Artinya, demi volume yang sama, es memiliki massa yang makin kecil dibandingkan air cair.
Menurut U.S. Geological Survey (USGS), es memiliki massa jenis makin rendah daripada air cair berakibat es batu dapat mengapung. Ketika air membeku, massa jenisnya berkurang sekitar 9 persen.
Inilah alasan utama mengapa es batu tidak tenggelam bagaikan kesejumlahan benda padat lainnya.
Apa Hubungannya bersama Struktur Molekul Air?
Hal menariknya, es dan air sebenarnya tersusun dari molekul yang sama, yakni HO. Perbedaannya terletak pada bagaimana molekul-molekul tersebut tersusun.
Dalam bentuk cair, molekul air bergerak makin bebas dan susunannya relatif tidak teratur. Ketika air merasakan pembekuan, molekul-molekul HO membentuk susunan yang makin teratur atau struktur kristal.
Struktur tersebut menciptakan molekul air berada pada jarak yang makin berjauhan dibandingkan susunannya dalam air cair.
Akibatnya, volume air bertambah ketika membeku, sementara jumlah molekulnya tetap. Karena massa tetap namun volume bertambah, massa jenis menjadi makin kecil.
USGS menerangkan bahwa susunan molekul dalam es membentuk struktur kisi yang teratur. Struktur ini menciptakan molekul air makin tersebar berakibat es memiliki massa jenis makin rendah dibandingkan air cair.
Peran Ikatan Hidrogen pada Es
Lalu, mengapa molekul air dapat membentuk susunan yang makin renggang ketika membeku? Salah satu jawabannya merupakan ikatan hidrogen (hydrogen bond).
Molekul air bersifat polar. Sisi oksigen pada molekul HO memiliki muatan parsial negatif, sementara itu sisi hidrogen memiliki muatan parsial positif. Perbedaan muatan tersebut menyebabkan molekul air dapat saling tarik-menarik.
USGS menerangkan bahwa sifat bipolar molekul air menciptakan molekul-molekul HO saling tertarik dan menghasilkan sifat kohesif pada air.
Ketika air membeku, interaksi antarmolekul tersebut menolong membentuk struktur kristal es yang makin teratur.
Struktur ini menghasilkan ruang kosong yang makin sejumlah di antara molekul air. Karena itu, es menempati volume makin besar dibandingkan air cair bersama jumlah molekul yang sama.
Jadi, apa hubungannya ikatan hidrogen bersama es yang mengapung?
Secara berurutan dapat dipahami bagaikan ini:
Ikatan hidrogen → membentuk struktur kristal es → molekul makin berjauhan → volume bertambah → massa jenis es menurun → es mengapung di air.
Es Mengapung Sesuai Hukum Archimedes
Selain teori massa jenis, fenomena es batu yang mengapung juga dapat dijelaskan memakai Hukum Archimedes.
Hukum Archimedes menegaskan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan memperoleh gaya ke atas atau gaya apung sebesar berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.
Ketika es batu dimasukkan ke dalam air, seuntukan untukan es masuk ke dalam air dan memindahkan sejumlah air.
Air lalu menyerahkan gaya ke atas pada es. Es akan berada dalam kondisi mengapung ketika gaya apung tersebut mampu menyeimbangkan berat es.
Karena massa jenis es makin rendah daripada air, cuma seuntukan volume es yang perlu berada di bawah permukaan air demi menghasilkan gaya apung yang cukup.
Itulah dikarenakannya kita biasanya menyaksikan seuntukan es batu berada di atas permukaan air, sementara seuntukan lainnya berada di bawah permukaan.
Fenomena serupa juga terlihat pada gunung es. USGS menerangkan bahwa seuntukan besar volume gunung es berada di bawah permukaan air lantaran es makin rendah massa jenisnya daripada air.
Mengapa Kesejumlahan Benda Padat Tenggelam, namun Es Justru Mengapung?
Es termasuk pengecualian menarik dalam sifat materi. Pada sejumlah zat, bentuk padat memiliki susunan molekul yang makin rapat daripada bentuk cairnya.
Akibatnya, benda padat biasanya memiliki massa jenis makin tinggi dan cenderung tenggelam apabila dimasukkan ke dalam bentuk cair zat tersebut.
Air memiliki perilaku berbeda. Ketika air membeku, struktur kristal es justru menciptakan molekul-molekulnya tersusun makin renggang. Inilah yang menyebabkan massa jenis es makin kecil daripada air cair.
Fenomena ini kerap disebut sebagai anomali air, yakni perilaku air yang tidak biasa dibandingkan sejumlah zat lain.
Air Justru Paling Padat pada Suhu Sekitar 4 Derajat Celsius
Keunikan air tidak berhenti pada es yang mengapung.
Air memiliki massa jenis maksimum pada suhu sekitar 4 derajat Celsius. Ketika suhu air turun dari suhu ruang menuju 4 derajat Celsius, air menjadi semakin rapat.
Namun, ketika suhunya turun lagi dari sekitar 4 derajat Celsius menuju titik beku 0 derajat Celsius, air justru mengawali mengembang dan massa jenisnya menurun.
USGS mencatat bahwa massa jenis air mencapai nilai maksimum pada sekitar 4°C.
Karena itu, air pada suhu sekitar 4°C dapat berada makin dalam, sementara itu air yang makin dingin berada di dekat permukaan hingga akhirnya membeku menjadi es.
Apakah Semua Es Pasti Mengapung?
Dalam kondisi normal, es dari air biasa akan mengapung di atas air biasa lantaran massa jenisnya makin rendah.
Namun, ada pengecualian menarik yang disebut heavy ice atau es dari air berat.
Air berat memakai deuterium, yakni isotop hidrogen yang memiliki massa makin besar daripada hidrogen biasa. Es yang terbentuk dari air berat dapat memiliki massa jenis makin tinggi daripada air biasa berakibat dapat tenggelam.
USGS menerangkan bahwa es dari air berat dapat memiliki massa jenis sekitar 10,6 persen makin tinggi daripada air normal.
Fenomena ini memperlihatkan bahwa kemampuan es demi mengapung bukan sekadar lantaran bentuknya padat, melainkan amat berkaitan bersama massa jenis dan struktur molekulnya.
Artikel ini telah tayang di sumber aslinya. Baca selengkapnya di Sini
