چرا یخ روی آب شناور می‌ماند؟
یخ روی آب شناور می‌ماند چون چگالی آن کمتر از چگالی آب مایع است. چگالی یخ معمولی در صفر درجه سانتی‌گراد حدود ۰٫۹۱۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب است، در حالی که آب مایع در همان دما چگالی‌ای نزدیک به ۱ دارد. یعنی آب هنگام یخ زدن حدود ۹ درصد حجم بیشتری پیدا می‌کند.
علت این انبساط، پیوندهای هیدروژنی میان مولکول‌های آب است. در یخ، هر مولکول با چهار همسایه پیوند دارد و این پیوندها مولکول‌ها را در شبکه‌ای باز و شش‌ضلعی با فضاهای خالی زیاد نگه می‌دارند. در آب مایع این شبکه مدام می‌شکند و مولکول‌ها به هم نزدیک‌تر می‌شوند.
شناوری از کجا می‌آید: اصل ارشمیدس و چگالی
هر جسمی که در مایع قرار بگیرد، مقداری از مایع را کنار می‌زند و مایع در مقابل نیرویی رو به بالا به آن وارد می‌کند که نیروی شناوری نام دارد. طبق اصل ارشمیدس، اندازه این نیرو برابر با وزن مایعی است که جسم جابه‌جا کرده است.
چگالی یعنی جرم در واحد حجم؛ به زبان ساده، اینکه ماده در هر تکه از فضا چقدر «فشرده» است. جسمی که از مایع کم‌چگال‌تر باشد، پیش از آنکه کاملاً زیر آب برود به‌اندازه وزن خودش مایع جابه‌جا می‌کند و همان‌جا می‌ایستد. به همین دلیل بخشی از آن بیرون از آب می‌ماند.
اگر چگالی جسم بیشتر باشد، حتی وقتی کاملاً زیر آب رفته، وزن مایع جابه‌جاشده به وزن خودش نمی‌رسد و جسم فرو می‌رود. پس پرسش اصلی این است که چرا یخ از آب مایع کم‌چگال‌تر است.
سهم زیر آب یک جسم شناور تقریباً برابر نسبت چگالی آن به چگالی مایع است. در آب شیرین حدود ۹۲ درصد از حجم یک قطعه یخ زیر سطح قرار می‌گیرد. در آب دریا که به دلیل نمک کمی چگال‌تر است (حدود ۱٫۰۲۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب)، این سهم به حدود ۹۰ درصد می‌رسد.
عبارت «نوک کوه یخ» از همین واقعیت می‌آید، هرچند حباب‌های هوا و شکل نامنظم هر کوه یخ این عدد را کمی تغییر می‌دهند.
مولکول آب چه شکلی دارد
راز رفتار یخ در شکل مولکول آب است. هر مولکول آب (H2O) از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ساخته شده است. این سه اتم در یک خط راست قرار نمی‌گیرند و مولکول شکلی خمیده دارد؛ زاویه بین دو پیوند اکسیژن و هیدروژن حدود ۱۰۴٫۵ درجه است.
اکسیژن الکترون‌ها را قوی‌تر از هیدروژن به سمت خود می‌کشد؛ به این ویژگی الکترونگاتیوی می‌گویند. در نتیجه سمت اکسیژن کمی بار منفی و دو سمت هیدروژنی کمی بار مثبت پیدا می‌کنند و مولکول قطبی می‌شود. می‌توان آن را آهنربای کوچکی تصور کرد که قطب‌هایش بار الکتریکی‌اند، نه قطب مغناطیسی.
اکسیژن علاوه بر دو پیوند با هیدروژن‌ها، دو جفت الکترون آزاد هم دارد که در پیوند شرکت نکرده‌اند. این دو جفت الکترون و دو اتم هیدروژن تقریباً به سمت چهار گوشه یک چهاروجهی (هرمی با چهار وجه مثلثی) جهت گرفته‌اند. همین هندسه چهاروجهی شکل شبکه یخ را تعیین می‌کند.
پیوند هیدروژنی: چسب میان مولکول‌های آب
وقتی دو مولکول آب به هم نزدیک می‌شوند، سمت هیدروژنی یکی (که کمی مثبت است) به سمت اکسیژن دیگری (که کمی منفی است) جذب می‌شود. به این جاذبه پیوند هیدروژنی می‌گویند.
قدرت این پیوند تقریباً یک‌بیستم پیوند اکسیژن و هیدروژن درون مولکول است، اما از بیشتر جاذبه‌های معمولی میان مولکول‌ها قوی‌تر است. مهم‌تر اینکه جهت‌دار است، یعنی فقط وقتی به بیشترین قدرت می‌رسد که مولکول‌ها با زاویه مشخصی کنار هم قرار بگیرند.
هر مولکول آب با دو هیدروژن خود به دو مولکول دیگر پیوند می‌دهد و با دو جفت الکترون آزاد اکسیژن، هیدروژن دو مولکول دیگر را می‌پذیرد. پس هر مولکول در بهترین حالت با چهار همسایه پیوند هیدروژنی دارد و این همسایه‌ها در گوشه‌های یک چهاروجهی قرار می‌گیرند.
ساختار یخ: شبکه‌ای باز با فضاهای خالی
وقتی آب تا صفر درجه سرد می‌شود و یخ می‌زند، مولکول‌ها دیگر انرژی کافی برای جابه‌جایی آزادانه ندارند. هر مولکول جایی قرار می‌گیرد که بتواند با هر چهار همسایه خود پیوند هیدروژنی کامل و درست‌زاویه برقرار کند.
نتیجه، شبکه‌ای منظم از حلقه‌های شش‌تایی است که لایه‌لایه روی هم قرار می‌گیرند و بلوری با تقارن شش‌ضلعی می‌سازند. دانشمندان این شکل معمولی یخ را «یخ Ih» می‌نامند؛ حرف h نشانه شش‌ضلعی (hexagonal) است. شش‌پر بودن دانه‌های برف هم ردپای همین تقارن است.
تقریباً همه یخی که روی زمین می‌بینیم، از یخچال خانه تا یخچال‌های طبیعی قطبی، از همین نوع است.
نکته کلیدی این است که هندسه چهاروجهی اجازه نمی‌دهد مولکول‌ها فشرده کنار هم بچینند. برای اینکه هر مولکول دقیقاً با چهار همسایه و با زاویه درست پیوند داشته باشد، ساختار باید باز بماند و میان مولکول‌ها کانال‌ها و فضاهای خالی نسبتاً بزرگی باقی بماند.
یک تشبیه ساده کمک می‌کند. جمعیتی که در سالنی شلوغ آزادانه جابه‌جا می‌شوند، می‌توانند خیلی نزدیک به هم بایستند. اگر هر نفر با زاویه‌ای مشخص دست چهار نفر اطرافش را بگیرد، جمع ناچار از هم فاصله می‌گیرد و فضای بیشتری اشغال می‌کند. یخ همان جمعیتی است که دست‌های هم را گرفته‌اند.
آب مایع: همان پیوندها، اما ناپایدار و درهم
در آب مایع هم پیوند هیدروژنی وجود دارد، نکته‌ای که اغلب نادیده گرفته می‌شود. تفاوت در پایداری و نظم آن است.
در آب مایع، مولکول‌ها انرژی جنبشی بیشتری دارند و پیوندهای هیدروژنی در حد پیکوثانیه (یک‌میلیونیم یک‌میلیونیم ثانیه) می‌شکنند و دوباره در جای دیگری شکل می‌گیرند. به‌طور میانگین هر مولکول با کمی کمتر از چهار همسایه پیوند دارد و این پیوندها اغلب زاویه کامل ندارند.
وقتی شبکه منظم یخ فرو می‌ریزد، مولکول‌ها به درون همان فضاهای خالی سر می‌خورند و به هم نزدیک‌تر می‌شوند. به همین دلیل یخ هنگام ذوب حجم کمتری پیدا می‌کند و چگالی‌اش بالا می‌رود.
جزئیات ساختار آب مایع هنوز موضوع پژوهش و بحث است، اما اصل ماجرا مورد اتفاق است: نظم کامل پیوندهای هیدروژنی در یخ، ساختار را باز و کم‌چگال می‌کند.
| ویژگی | یخ معمولی (یخ Ih) | آب مایع |
|---|---|---|
| چینش مولکول‌ها | شبکه بلوری منظم با حلقه‌های شش‌تایی | بی‌نظم و در حال تغییر مداوم |
| تعداد پیوند هیدروژنی هر مولکول | چهار پیوند پایدار | به طور میانگین کمتر از چهار، با زاویه‌های نامنظم |
| عمر پیوندها | پایدار تا زمان ذوب | در حد پیکوثانیه، مدام شکسته و ساخته می‌شوند |
| فضای خالی میان مولکول‌ها | زیاد، به دلیل هندسه چهاروجهی | کمتر، چون مولکول‌ها به فضاهای خالی وارد می‌شوند |
| چگالی در صفر درجه سانتی‌گراد | حدود ۰٫۹۱۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب | حدود ۰٫۹۹۹۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب |
یخ زدن آب، قدم‌به‌قدم
اگر یک لیوان آب را از دمای اتاق در فریزر بگذاریم، در مقیاس مولکولی این اتفاق‌ها به ترتیب رخ می‌دهد:
- سرد شدن و فشرده شدن. مثل بیشتر مایع‌ها، با کاهش دما مولکول‌ها کندتر حرکت می‌کنند و به هم نزدیک‌تر می‌شوند. آب کمی منقبض می‌شود و چگالی‌اش بالا می‌رود.
- رسیدن به بیشترین چگالی در حدود ۴ درجه. در حدود ۴ درجه سانتی‌گراد (دقیق‌تر، ۳٫۹۸ درجه در فشار معمولی) آب شیرین به بیشترین چگالی خود می‌رسد. در این نقطه، فشرده شدن ناشی از سرما با اثر مخالف قدم بعد برابر می‌شود.
- شکل‌گیری نظم گذرا. زیر ۴ درجه، پیوندهای هیدروژنی پایدارتر می‌شوند و مولکول‌ها بیشتر در آرایش‌های چهاروجهی و باز شبیه یخ قرار می‌گیرند. این اثر بر فشرده شدن غلبه می‌کند و آب میان ۴ و صفر درجه، با سرد شدن، کمی منبسط می‌شود.
- هسته‌بندی. یخ زدن معمولاً از یک نقطه شروع می‌شود؛ مثلاً روی ذره‌ای گردوغبار، ناهمواری دیواره ظرف یا سطح آب. به این نقطه آغاز، هسته بلور می‌گویند. آب خیلی خالص و بی‌حرکت گاهی چند درجه زیر صفر هم مایع می‌ماند که به آن آب فراسرد می‌گویند.
- رشد بلور و انبساط ناگهانی. از هسته به بعد، مولکول‌ها یکی‌یکی در شبکه شش‌ضلعی قفل می‌شوند و حجم حدود ۹ درصد افزایش می‌یابد. گرمای نهان ذوب آزاد می‌شود و تا وقتی همه آب یخ نزده، دمای مخلوط نزدیک صفر می‌ماند. یخ حاصل شناور می‌ماند.
بیشترین چگالی آب در ۴ درجه
جدول زیر چگالی آب خالص را در چند دما نشان می‌دهد. مقادیر در فشار یک اتمسفر و بر حسب گرم بر سانتی‌متر مکعب‌اند و از داده‌های مرجع استاندارد گرد شده‌اند.
| حالت و دما | چگالی تقریبی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | توضیح |
|---|---|---|
| یخ در صفر درجه | ۰٫۹۱۷ | حدود ۹ درصد کم‌چگال‌تر از آب مایع هم‌دما |
| آب مایع در صفر درجه | ۰٫۹۹۹۸ | کمی کمتر از بیشینه |
| آب مایع در ۴ درجه | ۰٫۹۹۹۹۷ (تقریباً ۱) | بیشترین چگالی آب شیرین |
| آب مایع در ۱۰ درجه | ۰٫۹۹۹۷ | با گرم شدن دوباره کم می‌شود |
| آب مایع در ۲۰ درجه | ۰٫۹۹۸۲ | دمای معمول اتاق |
| آب مایع در ۱۰۰ درجه | ۰٫۹۵۸ | نزدیک نقطه جوش |
اختلاف‌ها در آب مایع کوچک‌اند، اما برای رفتار دریاچه‌ها تعیین‌کننده‌اند. جهش چگالی هنگام یخ زدن بسیار بزرگ‌تر است.
یخ چرا یک استثناست
در بیشتر مواد، مولکول‌ها یا اتم‌ها در حالت جامد فشرده‌تر از حالت مایع کنار هم قرار می‌گیرند. برای مثال، موم جامد در موم ذوب‌شده و سرب جامد در سرب مذاب فرو می‌رود. آب از معدود موادی است که هنگام انجماد منبسط می‌شود.
البته آب تنها استثنا نیست. چند ماده دیگر هم در حالت جامد از مایع خود کم‌چگال‌ترند و اتم‌های بسیاری از آن‌ها در جامد ساختاری باز و جهت‌دار می‌سازند؛ مثلاً سیلیسیم و ژرمانیم که ساختار بلوری چهاروجهی مشابهی دارند.
| ماده | رفتار هنگام انجماد | جامد در مایع خودش |
|---|---|---|
| آب | منبسط می‌شود (حدود ۹ درصد) | شناور می‌ماند |
| سیلیسیم | منبسط می‌شود | شناور می‌ماند |
| ژرمانیم | منبسط می‌شود | شناور می‌ماند |
| گالیم | منبسط می‌شود | شناور می‌ماند |
| بیسموت | منبسط می‌شود | شناور می‌ماند |
| بیشتر فلزات، موم، روغن‌ها و الکل | منقبض می‌شوند | فرو می‌رود |
باورهای نادرست رایج درباره شناوری یخ
چند توضیح رایج درباره شناور بودن یخ یا نادرست‌اند یا فقط بخشی از ماجرا را می‌گویند:
- «یخ شناور است چون درونش حباب هوا دارد.» حباب‌های هوا یخ را کمی سبک‌تر می‌کنند و یخ‌های کدر خانگی اندکی بیشتر بیرون از آب می‌مانند. اما یخ کاملاً شفاف و بدون حباب هم شناور است. علت اصلی، ساختار مولکولی خود یخ است.
- «یخ از آب سبک‌تر است.» این جمله فقط در حجم برابر درست است. یک قطعه یخ و آب حاصل از ذوب آن جرم یکسانی دارند؛ یخ کم‌چگال‌تر است، یعنی همان جرم را در حجم بیشتری جا داده است.
- «در آب مایع پیوند هیدروژنی وجود ندارد و فقط در یخ هست.» در آب مایع هم پیوندهای هیدروژنی فراوانی وجود دارد. تفاوت این است که در مایع ناپایدار و نامنظم‌اند و در یخ پایدار و منظم.
- «آب همیشه با سرد شدن چگال‌تر می‌شود.» آب شیرین تا حدود ۴ درجه با سرد شدن چگال‌تر می‌شود، اما پایین‌تر از آن و پیش از یخ زدن، دوباره کمی کم‌چگال می‌شود.
- «آب شدن یخ‌های شناور دریا سطح آب اقیانوس‌ها را بالا می‌برد.» یخ شناور از قبل به‌اندازه وزن خودش آب جابه‌جا کرده و ذوبش سطح آب را تقریباً تغییر نمی‌دهد. اثر کوچکی به دلیل تفاوت شوری هست، اما سهم اصلی بالا آمدن دریاها از ذوب یخ‌های روی خشکی، مانند گرینلند و جنوبگان، و از انبساط گرمایی آب اقیانوس است.
کدری وسط قالب‌های یخ خانگی هم از همین هواست. آب از بیرون به درون یخ می‌زند و هوای حل‌شده و ناخالصی‌ها به مرکز، که آخر از همه یخ می‌بندد، رانده می‌شوند.
برای یخ شفاف، آب جوشیده و سردشده را در ظرفی عایق و بی‌درپوش در فریزر بگذارید تا از بالا به پایین یخ بزند. حباب‌ها به ته ظرف می‌روند و بخش بالایی شفاف می‌ماند.
اگر یخ فرو می‌رفت، چه می‌شد: دریاچه‌ها و زندگی آبزیان
مهم‌ترین پیامد شناوری یخ را در دریاچه‌های سرزمین‌های سرد می‌توان دید. در پاییز، آب سطحی دریاچه سرد و چگال‌تر می‌شود و پایین می‌رود و آب گرم‌تر زیرین بالا می‌آید. این جابه‌جایی تا وقتی ادامه دارد که کل ستون آب به حدود ۴ درجه برسد.
از آن به بعد، آبی که در سطح سردتر می‌شود دیگر سنگین‌تر نیست و در بالا می‌ماند. سرانجام سطح یخ می‌زند و لایه‌ای از یخ روی دریاچه شکل می‌گیرد.
این لایه مثل عایق، جلوی از دست رفتن سریع گرمای آب زیرین را می‌گیرد. در بسیاری از دریاچه‌های به‌اندازه کافی عمیق، آب کف در زمستان نزدیک ۴ درجه می‌ماند و ماهی‌ها و دیگر آبزیان زمستان را در آن می‌گذرانند.
اگر یخ از آب چگال‌تر بود، هر لایه یخ به کف می‌رفت، آب تازه در سطح در معرض سرما قرار می‌گرفت و دریاچه ممکن بود از پایین به بالا کاملاً یخ بزند. البته درباره اینکه حیات بدون این ویژگی چه مسیری طی می‌کرد، پاسخ قطعی وجود ندارد.
یخچال‌های خشتی سنتی ایران هم بر همین یخ زدن از سطح تکیه داشتند. در شب‌های صاف زمستان، چند سانتی‌متر آب در حوضچه‌های کم‌عمقی می‌ریختند که دیواری بلند در طول روز رویشان سایه می‌انداخت. آسمان صاف کویر گرمای آب را به‌صورت تابش می‌گرفت و گاهی حتی وقتی هوا کمی بالای صفر بود، تا صبح لایه‌ای یخ می‌بست.
صبح یخ را می‌شکستند و در انبار گنبددار زیرزمینی ذخیره می‌کردند و شب بعد دوباره آب می‌ریختند.
آب دریا چه تفاوتی دارد
آب دریا با شوری معمول در حدود منفی ۱٫۸ درجه سانتی‌گراد یخ می‌زند و برخلاف آب شیرین، بیشینه چگالی در ۴ درجه ندارد؛ تا نقطه انجماد با سرد شدن همچنان چگال‌تر می‌شود. به همین دلیل لایه‌بندی زمستانی اقیانوس با دریاچه‌های آب شیرین فرق دارد.
با این حال یخ دریا هم شناور است. هنگام یخ زدن، بیشتر نمک وارد شبکه بلوری نمی‌شود و به شکل آب‌شور غلیظ بیرون رانده می‌شود یا در کانال‌های ریز درون یخ می‌ماند. یخ حاصل کم‌نمک‌تر و کم‌چگال‌تر از آب اطراف است و پوشش یخی قطب‌ها را می‌سازد.
دریای خزر نمونه‌ای نزدیک است. شوری میانگین آن حدود ۱٫۲ درصد، یعنی حدود یک‌سوم آب اقیانوس است و نزدیک دهانه ولگا تقریباً شیرین می‌شود. بخش شمالی کم‌عمق و کم‌شور آن در زمستان یخ می‌بندد و فوک خزری فقط روی همین یخ‌ها زاد و ولد می‌کند.
انبساط یخ در زندگی روزمره
آثار انبساط آب هنگام یخ زدن را در اطراف خود زیاد می‌بینیم:
- ترکیدن لوله‌ها در سرما: لوله معمولاً همان‌جایی که یخ بسته نمی‌ترکد. یخ مثل درپوش عمل می‌کند و فشار در آب محبوس میان گرفتگی یخ و شیر بسته بالا می‌رود. در شب‌های بسیار سرد، باز گذاشتن شیر در حد یک چکه باریک همین فشار را تخلیه می‌کند. در مناطق سرد، لوله‌های بیرونی را عایق‌بندی یا تخلیه می‌کنند.
- ترکیدن بطری در فریزر: بطری پر از آب یا نوشابه‌ای که در فریزر فراموش شود، ممکن است ترک بخورد یا درش باز شود. خالی گذاشتن بخشی از ظرف، جا برای انبساط باقی می‌گذارد.
- هوازدگی سنگ‌ها: آبی که در شکاف سنگ‌ها نفوذ می‌کند، با یخ زدن و آب شدن‌های پی‌درپی شکاف را گشادتر می‌کند. این فرایند که به آن هوازدگی یخبندانی می‌گویند، در شکستن سنگ‌ها در کوهستان‌ها نقش مهمی دارد. چاله‌های آسفالت خیابان‌ها پس از زمستان هم بیشتر حاصل همین چرخه‌اند.
- نرم شدن میوه‌های یخ‌زده: بلورهای یخ درون بافت، دیواره سلول‌ها را آسیب می‌زنند و میوه پس از آب شدن آبکی می‌شود.
همه یخ‌ها شناور نیستند
آنچه تا اینجا گفته شد، درباره یخ معمولی در فشارهای روزمره است. تا امروز حدود بیست فاز بلوری مختلف یخ شناسایی شده و این فهرست با پژوهش‌های تازه تغییر می‌کند. در بسیاری از فازهای پایدار در فشارهای بسیار بالا، مولکول‌ها فشرده‌تر چیده شده‌اند و یخ از آب مایع چگال‌تر است.
این فازها در سطح زمین به‌طور طبیعی وجود ندارند، اما دانشمندان احتمال می‌دهند در اعماق برخی قمرهای یخی منظومه شمسی، مانند گانیمد، لایه‌هایی از یخ پرفشار زیر اقیانوس‌های درونی وجود داشته باشد.
نمونه جالب دیگر، یخ آب سنگین است. در آب سنگین (D2O)، به جای هیدروژن معمولی، ایزوتوپ سنگین‌تر آن یعنی دوتریم قرار دارد. ساختار یخ آن تقریباً مثل یخ معمولی است، اما چون مولکول‌هایش جرم بیشتری دارند، از آب معمولی چگال‌تر است.
پس یخ آب سنگین در آب معمولی فرو می‌رود، ولی در آب سنگین مایع شناور می‌ماند. این مثال نشان می‌دهد که شناوری به چگالی نسبی جامد و مایع بستگی دارد، نه به «یخ بودن».
سوالات متداول
چرا یخ در لیوان نوشابه یا آب‌میوه هم شناور است؟
نوشابه و آب‌میوه عمدتاً آب هستند و قند و مواد حل‌شده چگالی آن‌ها را حتی کمی بیشتر از آب خالص می‌کند. یخ معمولی با چگالی حدود ۰٫۹۱۷ در این مایع‌ها هم شناور می‌ماند. اما در مایعی مانند الکل خالص که چگالی‌اش حدود ۰٫۷۹ است، یخ فرو می‌رود.
یخ چند درصد بیشتر از آب حجم دارد؟
یخ معمولی در صفر درجه سانتی‌گراد حدود ۹ درصد بیشتر از همان مقدار آب مایع حجم دارد. به همین دلیل اگر ظرف دربسته‌ای را تا لبه از آب پر کنید و در فریزر بگذارید، احتمال ترک خوردن آن وجود دارد.
چرا دریاچه‌ها از سطح یخ می‌زنند نه از کف؟
آب شیرین در حدود ۴ درجه به بیشترین چگالی می‌رسد و این آب سنگین‌تر به کف دریاچه می‌رود. آب سردتر از ۴ درجه و خود یخ کم‌چگال‌ترند و در بالا می‌مانند. پس یخ زدن از سطح شروع می‌شود و لایه یخ، آب زیرین را تا حدی از سرمای هوا جدا نگه می‌دارد.
آیا یخ همیشه در دمای صفر درجه تشکیل می‌شود؟
آب خالص در فشار معمولی در صفر درجه سانتی‌گراد یخ می‌زند، اما برای شروع به یک هسته بلور نیاز دارد. آب بسیار خالص و بی‌حرکت ممکن است چند درجه زیر صفر هم مایع بماند. نمک و مواد حل‌شده دیگر هم دمای انجماد را پایین می‌آورند؛ به همین دلیل آب دریا در حدود منفی ۱٫۸ درجه یخ می‌زند.
آیا یخی وجود دارد که در آب فرو برود؟
بله. یخ آب سنگین در آب معمولی فرو می‌رود، چون مولکول‌های آن جرم بیشتری دارند. بسیاری از فازهای یخ که فقط در فشارهای بسیار بالا پایدارند هم از آب مایع چگال‌ترند. اما یخ معمولی که در طبیعت و زندگی روزمره می‌بینیم، همیشه روی آب شناور است.
جمع‌بندی
یخ روی آب شناور می‌ماند چون چگالی آن حدود ۹ درصد کمتر از آب مایع است. شکل خمیده و قطبی مولکول آب و پیوندهای هیدروژنی جهت‌دار آن، در یخ شبکه‌ای شش‌ضلعی و باز می‌سازند؛ در آب مایع همین پیوندها مدام می‌شکنند و مولکول‌ها به هم نزدیک‌تر می‌شوند. حباب‌های هوا علت اصلی نیستند.
همین ویژگی باعث می‌شود دریاچه‌ها از سطح یخ بزنند و آبزیان زمستان را زیر یخ بگذرانند، و همین انبساط لوله‌ها و سنگ‌ها را می‌شکند. اما این قاعده به شرایط معمول محدود است: یخ آب سنگین و بسیاری از فازهای پرفشار یخ از آب مایع چگال‌ترند.
عکس: NASA Goddard Space Flight Center from Greenbelt, MD, USA، ویکی‌مدیا کامنز، مجوز CC BY 2.0
