Suara.com - Fenomena es yang selalu mengapung di permukaan air mungkin terasa biasa saja dalam kehidupan sehari-hari. Namun, bagi para ilmuwan, perilaku unik air ini merupakan salah satu keanehan paling menarik di dunia sains. Bagaimana es mengapung di air?
BBC Science Focus (11/2/2021) pernah membahas fenomena ini secara mendalam, menjelaskan alasan mengapa es justru lebih ringan dibandingkan air berlawanan dengan sifat kebanyakan zat lain di alam.
Secara umum, benda padat biasanya memiliki massa jenis yang lebih tinggi daripada bentuk cairnya. Itu sebabnya sebagian besar benda akan tenggelam ketika masuk ke dalam air.
Tetapi kasus air berbeda. Ketika membeku, air justru membentuk struktur yang membuatnya kurang rapat, sehingga massa jenisnya menurun dan es akan mengapung.
Untuk memahami mengapa es mengapung di air, pertama-tama kita perlu kembali melihat prinsip dasar tentang keterapungan.
Menurut Hukum Archimedes, setiap benda yang dimasukkan ke dalam air akan mengalami gaya ke atas, yang disebut gaya apung. Besarnya gaya ini setara dengan berat air yang dipindahkan oleh benda tersebut.
Ketika sebuah benda berada di dalam air, sebagian volumenya akan menggantikan air di sekitarnya. Air yang tergeser ini menghasilkan gaya ke atas. Jika gaya ke atas sama atau lebih besar dari berat benda, maka benda akan mengapung.
Pada kasus es, massa jenisnya lebih kecil dibandingkan air, sehingga gaya apung yang diterima cukup untuk menahannya tetap terapung di permukaan.
Dalam fisika, massa jenis ditentukan oleh perbandingan antara massa dan volume. Ketika air berubah menjadi es, volume air justru bertambah meskipun massanya tetap sama. Perubahan volume inilah yang membuat massa jenis es turun dibandingkan air cair.
Agar sebuah benda dapat mengapung, massa jenisnya harus lebih rendah daripada massa jenis air. Rumus yang menjelaskan hal ini cukup sederhana: gaya apung setara dengan massa jenis air dikalikan volume air yang tergeser dan dikalikan percepatan gravitasi.
Jika gaya apung ini lebih besar daripada berat benda, benda tersebut akan tetap mengapung.
Air adalah salah satu zat yang menunjukkan perilaku tak lazim dibandingkan zat lain. Pada umumnya, molekul pada benda padat tersusun sangat rapat dalam struktur yang disebut kisi kristal.
Ketika benda itu dipanaskan, susunan molekulnya longgar dan akhirnya berubah menjadi cair. Ketika pemanasan dilanjutkan, molekul bisa bergerak bebas dan berubah menjadi gas.
Urutannya jelas: padat → cair → gas, yang berarti semakin panas suatu zat, semakin rendah massa jenisnya.
Namun air berbeda. Air mencapai massa jenis tertinggi pada suhu sekitar 4°C. Ketika suhu turun di bawah angka tersebut, air mulai mengembang sesuatu yang tidak umum terjadi pada zat lain.
Ketika akhirnya membeku menjadi es, volume air bertambah sekitar 9 persen. Peningkatan volume ini menurunkan massa jenis es sehingga membuatnya lebih ringan dibanding air.
Keunikan air berasal dari cara molekul-molekulnya berinteraksi. Molekul air berbentuk seperti huruf V, tersusun atas satu atom oksigen dan dua atom hidrogen.
Ikatan antar atom dalam satu molekul bersifat kovalen, tetapi muatan listrik dalam molekul ini tidak merata. Bagian oksigen cenderung bermuatan negatif, sedangkan hidrogen bermuatan positif.
Perbedaan muatan ini menyebabkan molekul-molekul air saling tarik-menarik melalui ikatan yang disebut ikatan hidrogen. Ikatan ini bukan ikatan kimia permanen, tetapi cukup kuat untuk mempengaruhi perilaku air.
Dalam kondisi cair, ikatan hidrogen terus-menerus terbentuk dan terputus, membuat molekul bisa bergerak bebas.
Tetapi saat air mendingin, ikatan-ikatan ini mulai stabil dan membentuk struktur kisi yang renggang. Struktur renggang inilah yang membuat es memiliki massa jenis yang lebih kecil dibanding air cair.
Ketika air mengembang menjadi es, tekanan yang dihasilkan sangat besar. Menurut ahli dari London South Bank University, tekanan dalam wadah tertutup yang berisi air lalu dibekukan bisa mencapai lebih dari 7000 atmosfer.
Hampir tidak ada material di Bumi yang mampu bertahan dari tekanan sebesar itu. Karena itulah botol kaca atau kaleng penuh air bisa pecah ketika didinginkan hingga membeku.
Selain menjadi pengetahuan ilmiah, sifat air yang unik ini juga menjadi alasan mengapa kehidupan dapat bertahan di planet kita. Jika es tenggelam, danau serta laut bisa membeku dari dasar sampai ke permukaan, membuat makhluk hidup sulit bertahan.
Beruntung, es justru mengapung dan membentuk lapisan insulasi yang menjaga suhu air di bawahnya tetap stabil.
Es mengapung bukan karena keajaiban, tetapi karena struktur molekul air dan ikatan hidrogen yang membuat bentuk padatnya lebih ringan daripada bentuk cairnya. Perbedaan sederhana ini ternyata berperan besar dalam menjaga keseimbangan ekosistem Bumi.
Fenomena ini juga menunjukkan bahwa hal-hal yang tampak sepele, seperti bongkahan es dalam segelas minuman, sebenarnya menyimpan cerita ilmiah yang luar biasa.
Kontributor : Gradciano Madomi Jawa
TERPOPULER
