น้ำแข็ง

น้ำแข็ง เป็นชื่อเรียกของสภาวะของแข็งของน้ำซึ่งมักอยู่ในรูปของผลึกของน้ำ โดยปกติจะมีลักษณะใสหรือมีสีฟ้าขาวใสปนอยู่ด้วย ขึ้นอยู่กับการมีสิ่งเจือปนในน้ำแข็งนั้น สภาวะปกติของน้ำแข็งจะเกิดขึ้นเมื่อน้ำในรูปของเหลวมีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส (32 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 273.15 เคลวิน) ที่ความดันปกติ และสามารถแข็งตัวจากสถานะก๊าซโดยไม่ผ่านสถานะของเหลวเลยก็ได้ เช่น ปรากฏการณ์น้ำค้างแข็งหรือแม่คะนิ้ง

น้ำค้างแข็งเกาะบนต้นไม้

ก้อน(น้ำ)แข็งตามธรรมชาติ

เกล็ดหิมะ (ผลึกน้ำแข็ง) โดยวิลสัน เบนท์ลีย์ (Wilson Bentley), 1902

น้ำแข็งในธรรมชาติอยู่ในแหล่งต่างๆ เช่น เกล็ดหิมะ ลูกเห็บ น้ำแข็งย้อย ธารน้ำแข็ง ภูเขาน้ำแข็ง และน้ำแข็งขั้วโลก ซึ่งน้ำแข็งเป็นส่วนสำคัญของสมดุลภูมิอากาศของโลก โดยเฉพาะวัฏจักรของน้ำ นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของวัฒนธรรมต่างๆ อีกด้วย ตั้งแต่ การใส่น้ำแข็งในน้ำดื่ม กีฬาฤดูหนาว จนไปถึงประติมากรรมน้ำแข็ง

คุณลักษณะ

โครงสร้างผลึกของน้ำแข็งรูปหกเหลี่ยม เส้นประสีเทาแสดงพันธะไฮโดรเจน

ในฐานะเป็นธรรมชาติที่เกิดขึ้นเป็นผลึกอนินทรีย์ที่เป็นของแข็งที่มีโครงสร้างเป็นระเบียบ, น้ำแข็งถือเป็นแร่ ชนิดหนึ่ง ประกอบด้วยโครงสร้างผลึกซึ่งปกติขึ้นอยู่กับโมเลกุลของน้ำซึ่งประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนอะตอมเดียวที่ถูกยึดเหนี่ยวไว้ด้วยพันธะโควาเลนซ์ถึงสองอะตอมไฮโดรเจนหรือ H-O-H อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกายภาพหลายอย่างของน้ำและน้ำแข็งจะถูกควบคุมโดยการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนระหว่างอะตอมออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ติดกัน มันเป็นพันธะที่อ่อนแอ แต่เป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมโครงสร้างของทั้งน้ำและน้ำแข็ง

คุณสมบัติที่ผิดปกติของน้ำแข็งที่ความดันบรรยากาศที่เป็นของแข็งจะอยู่ที่ประมาณ 9% ที่ความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ ความหนาแน่นของน้ำแข็งคือ 0.9167 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่ 0 องศาเซลเซียส ในขณะที่น้ำมีความหนาแน่นที่ 0.9998 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิเดียวกัน น้ำเป็นของเหลวที่มีความหนาแน่นมากที่สุดเป็นหลักคือ 1.00 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร, ที่ 4 องศาเซลเซียส และจะกลายเป็นความหนาแน่นน้อยก็ต่อเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มกลายเป็นผลึกรูปทรงหกเหลี่ยม ของน้ำแข็งเมื่อถึงจุดเยือกแข็ง ทั้งนี้เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนมีอำนาจเหนือกว่าแรงระหว่างโมเลกุล ซึ่งส่งผลให้มีการบรรจุของโมเลกุลขนาดกะทัดรัดกว่าไว้ในของแข็ง ความหนาแน่นของน้ำแข็งจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยด้วยการลดอุณหภูมิลงและมีค่า 0.9340 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่ -180 องศาเซลเซียส (93 เคลวิน)

เมื่อน้ำแข็งตัว ปริมาณจะเพิ่มขึ้น (ในน้ำจืดเพิ่มประมาณ 9%) ผลกระทบของการขยายตัวในระหว่างการแข็งตัวของน้ำ ซึ่งอาจเป็นเรื่องที่น่าทึ่ง และการขยายปริมาณของน้ำแข็งนี้เป็นสาเหตุพื้นฐานของการผุกร่อนของหินในธรรมชาติ (ปรากฏการณ์น้ำแข็งลิ่ม (Frost weathering)) และยังสร้างความเสียหายต่อฐานรากอาคารและถนน จากการกระเพื่อมของปริมาณของน้ำแข็ง-น้ำแบบกลับไปกลับมา นอกจากนี้ยังเป็นสาเหตุที่พบบ่อยของน้ำท่วมบ้าน เมื่อท่อน้ำแตกเนื่องจากแรงดันของน้ำที่ขยายตัวเมื่อน้ำที่ค้างภายในแข็งตัว (ในที่นี้เรียกว่า การผุกร่อนของหินหรือวัสดุก่อสร้างตามธรรมชาติ (รวมทั้งท่อน้ำ) จากสาเหตุการแข็งตัว-ละลาย (freeze-thaw) การแตกของหินเนื่องจากการขยายปริมาณเมื่อน้ำแข็งตัวเป็นผลึกน้ำแข็งและการลดปริมาณเมื่อละลายเป็นน้ำในที่จำกัด เช่น รอยแยกหิน รอยแยกถนน ในท่อน้ำนอกอาคารหรือนอกบริเวณที่ไม่มีเครื่องทำความร้อนในประเทศเขตหนาว)

ผลของกระบวนการนี้คือการที่น้ำแข็ง (ในรูปแบบที่พบมากที่สุดของมัน) ลอยอยู่บนน้ำ, ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่สำคัญในชีวมณฑลของโลก (biosphere) มันได้รับการถกเถียงกันอยู่ว่าไม่มีคุณสมบัตินี้ในวัตถุตามธรรมชาติอย่างเช่นน้ำที่จะถูกแช่แข็ง, ในบางกรณีนั้น จากส่วนล่างของมหาสมุทรได้ทำให้เกิดการสูญเสียชีวิตของพืชและสัตว์ที่อาศัยอยู่ในน้ำจืดและน้ำทะเลอย่างถาวร แผ่นน้ำแข็งบาง ๆ ช่วยให้แสงลอดผ่านไปได้ในขณะที่ช่วยปกป้องด้านที่อยู่ข้างใต้ของแผ่นน้ำแข็งจากสภาพอากาศระยะสั้นสุดขั้วเช่นลมหนาว (wind chill) ได้อย่างพอเพียง นี่จะสร้างสภาพแวดล้อมที่กำบังสำหรับอาณานิคมของแบคทีเรียและสาหร่าย เมื่อน้ำทะเลกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำแข็งกลายเป็นปริศนาที่มีช่องน้ำเค็มที่เต็มไปด้วยสิ่งมีชีวิตซึ่งดำรงชีพอยู่แบบ sympagic (sympagic organisms) เช่นแบคทีเรีย, สาหร่าย, copepods และ annelids, ซึ่งในทางกลับกันจัดเป็นอาหารสำหรับสัตว์เช่น เคย และปลาพิเศษเช่น ปลาบอลด์โนโทเธน ซึ่งก็ถูกกินเป็นอาหารต่อมาโดยสัตว์ขนาดใหญ่ เช่น เพนกวินจักรพรรดิ ปลาวาฬมิงกี เป็นต้น

เมื่อน้ำแข็งละลาย, มันจะดูดซับพลังงานได้มากที่สุดเท่าที่มันจะนำพาความร้อนที่เทียบเท่ากับมวลของน้ำที่ 80 องศาเซลเซียส ในระหว่างกระบวนการละลาย, ที่อุณหภูมิคงที่ที่ 0 องศาเซลเซียส ในขณะที่น้ำแข็งละลาย, พลังงานใด ๆ จะเพิ่มการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำแข็ง (น้ำ) พลังงานจะสามารถทำให้มีการเพิ่มพลังงานความร้อน (อุณหภูมิ) หลังจากพันธะไฮโดรเจนได้รับพลังงานเพียงพอที่จะแตกตัวออกซึ่งน้ำแข็งจะสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นของเหลว ปริมาณของพลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะไฮโดรเจนในการเปลี่ยนจากน้ำแข็งไปเป็นน้ำเป็นที่รู้จักกันว่าคือ ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว

เช่นเดียวกับน้ำ, น้ำแข็งดูดกลืนแสงสีแดงที่ปลายของสเปกตรัมพิเศษอันเป็นผลมาจากการแทรกสอดจากการยืดขยายพันธะไฮโดรเจน-ออกซิเจนออก (O-H) เมื่อเทียบกับน้ำ, การดูดกลืนนี้จะขยับเลื่อนไปสู่พลังงานที่มีค่าลดลงเล็กน้อย ดังนั้นน้ำแข็งจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินกับสีเขียวอ่อนเล็กน้อยมากกว่าของเหลวน้ำ เนื่องจากในการดูดกลืนจะเป็นการสะสม, ผลลัพธ์ของสีจะทวีความรุนแรงขึ้นด้วยความหนาที่เพิ่มขึ้นหรือถ้าการสะท้อนภายในทำให้เกิดแสงที่จะใช้เส้นทางยาวผ่านทางน้ำแข็ง

น้ำแข็งที่มีจำหน่ายในประเทศไทย

ในประเทศไทยมีการจัดจำหน่ายน้ำแข็งในเชิงพาณิชย์อยู่หลายประเภท ที่พบเห็นได้ทั่วไปคือ น้ำแข็งหลอดใหญ่ น้ำแข็งหลอดเล็ก น้ำแข็งบด น้ำแข็งซอง และ น้ำแข็งมือ