Mengapa Es Batu Bisa Mengapung di Atas Air Biasa? Ini Penjelasan dan Teorinya

Suara.com - Pernahkah kamu memasukkan es batu ke dalam segelas air lalu melihatnya mengapung di permukaan? Fenomena sederhana ini ternyata berkaitan dengan salah satu sifat unik air yang dipelajari dalam ilmu pengetahuan alam (IPA).

Secara sederhana, es batu bisa mengapung di atas air karena massa jenis es lebih kecil daripada massa jenis air dalam bentuk cair. Namun, mengapa massa jenis es justru lebih rendah, padahal es dan air sama-sama tersusun dari molekul HO?

Jawabannya berkaitan dengan struktur molekul air, ikatan hidrogen, massa jenis, dan gaya apung.

Es Mengapung karena Massa Jenisnya Lebih Rendah daripada Air

Konsep utama untuk memahami fenomena ini adalah massa jenis atau densitas.

Massa jenis merupakan perbandingan antara massa suatu benda dengan volumenya. Secara sederhana, rumusnya adalah:

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, untuk volume yang sama, es memiliki massa yang lebih kecil dibandingkan air cair.

Menurut U.S. Geological Survey (USGS), es memiliki massa jenis lebih rendah daripada air cair sehingga es batu dapat mengapung. Ketika air membeku, massa jenisnya berkurang sekitar 9 persen.

Inilah alasan utama mengapa es batu tidak tenggelam seperti kebanyakan benda padat lainnya.

Apa Hubungannya dengan Struktur Molekul Air?

Hal menariknya, es dan air sebenarnya tersusun dari molekul yang sama, yaitu HO. Perbedaannya terletak pada bagaimana molekul-molekul tersebut tersusun.

Dalam bentuk cair, molekul air bergerak lebih bebas dan susunannya relatif tidak teratur. Ketika air mengalami pembekuan, molekul-molekul HO membentuk susunan yang lebih teratur atau struktur kristal.

Struktur tersebut membuat molekul air berada pada jarak yang lebih berjauhan dibandingkan susunannya dalam air cair.

Akibatnya, volume air bertambah ketika membeku, sementara jumlah molekulnya tetap. Karena massa tetap tetapi volume bertambah, massa jenis menjadi lebih kecil.

USGS menjelaskan bahwa susunan molekul dalam es membentuk struktur kisi yang teratur. Struktur ini membuat molekul air lebih tersebar sehingga es memiliki massa jenis lebih rendah dibandingkan air cair.

Peran Ikatan Hidrogen pada Es

Lalu, mengapa molekul air dapat membentuk susunan yang lebih renggang ketika membeku? Salah satu jawabannya adalah ikatan hidrogen (hydrogen bond).

Molekul air bersifat polar. Sisi oksigen pada molekul HO memiliki muatan parsial negatif, sedangkan sisi hidrogen memiliki muatan parsial positif. Perbedaan muatan tersebut menyebabkan molekul air dapat saling tarik-menarik.

USGS menjelaskan bahwa sifat bipolar molekul air membuat molekul-molekul HO saling tertarik dan menghasilkan sifat kohesif pada air.

Ketika air membeku, interaksi antarmolekul tersebut membantu membentuk struktur kristal es yang lebih teratur.

Struktur ini menghasilkan ruang kosong yang lebih banyak di antara molekul air. Karena itu, es menempati volume lebih besar dibandingkan air cair dengan jumlah molekul yang sama.

Jadi, apa hubungannya ikatan hidrogen dengan es yang mengapung?
Secara berurutan dapat dipahami seperti ini:

Ikatan hidrogen → membentuk struktur kristal es → molekul lebih 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 menggunakan Hukum Archimedes.

Hukum Archimedes menyatakan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan mendapatkan gaya ke atas atau gaya apung sebesar berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Ketika es batu dimasukkan ke dalam air, sebagian bagian es masuk ke dalam air dan memindahkan sejumlah air.

Air kemudian memberikan gaya ke atas pada es. Es akan berada dalam kondisi mengapung ketika gaya apung tersebut mampu menyeimbangkan berat es.

Karena massa jenis es lebih rendah daripada air, hanya sebagian volume es yang perlu berada di bawah permukaan air untuk menghasilkan gaya apung yang cukup.

Itulah sebabnya kita biasanya melihat sebagian es batu berada di atas permukaan air, sementara sebagian lainnya berada di bawah permukaan.

Fenomena serupa juga terlihat pada gunung es. USGS menjelaskan bahwa sebagian besar volume gunung es berada di bawah permukaan air karena es lebih rendah massa jenisnya daripada air.

Mengapa Kebanyakan Benda Padat Tenggelam, tetapi Es Justru Mengapung?

Es termasuk pengecualian menarik dalam sifat materi. Pada banyak zat, bentuk padat memiliki susunan molekul yang lebih rapat daripada bentuk cairnya.

Akibatnya, benda padat biasanya memiliki massa jenis lebih tinggi dan cenderung tenggelam jika dimasukkan ke dalam bentuk cair zat tersebut.

Air memiliki perilaku berbeda. Ketika air membeku, struktur kristal es justru membuat molekul-molekulnya tersusun lebih renggang. Inilah yang menyebabkan massa jenis es lebih kecil daripada air cair.

Fenomena ini sering disebut sebagai anomali air, yaitu perilaku air yang tidak biasa dibandingkan banyak 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 mulai 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 lebih dalam, sedangkan air yang lebih 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 karena massa jenisnya lebih rendah.

Namun, ada pengecualian menarik yang disebut heavy ice atau es dari air berat.

Air berat menggunakan deuterium, yaitu isotop hidrogen yang memiliki massa lebih besar daripada hidrogen biasa. Es yang terbentuk dari air berat dapat memiliki massa jenis lebih tinggi daripada air biasa sehingga dapat tenggelam.

USGS menjelaskan bahwa es dari air berat dapat memiliki massa jenis sekitar 10,6 persen lebih tinggi daripada air normal.

Fenomena ini menunjukkan bahwa kemampuan es untuk mengapung bukan sekadar karena bentuknya padat, melainkan sangat berkaitan dengan massa jenis dan struktur molekulnya.