Visual 3D: Kenapa Es Mengapung di Atas Air?

Hampir semua zat menjadi lebih padat ketika membeku, sehingga padatannya tenggelam di dalam cairannya sendiri. Air menyimpang dari pola itu. Es batu terapung di dalam gelas, gunung es menyembul di lautan, dan danau di daerah dingin membeku dari permukaan ke bawah. Perilaku ini muncul langsung dari cara molekul H₂O saling terikat.

Simulasi di bawah memperlihatkan jaringan molekul itu dalam 3D, dari kisi heksagonal es sampai susunan acak air cair, dengan suhu sebagai pengendalinya.

Landasan teori

1. Molekul air bersifat polar dan bersudut. Atom O (keelektronegatifan Pauling 3,44) menarik elektron ikatan lebih kuat daripada H (2,20). Oksigen memiliki dua pasangan elektron bebas, dan menurut teori VSEPR (tipe AX₂E₂) susunan elektronnya tetrahedral, tetapi tolakan pasangan bebas menekan sudut H–O–H menjadi sekitar 104,5°. Akibatnya O bermuatan parsial negatif (δ−), kedua H bermuatan parsial positif (δ+), dan momen dipol molekul sekitar 1,85 D.

2. Ikatan hidrogen menghubungkan molekul-molekulnya. Atom H (δ+) satu molekul tertarik ke pasangan elektron bebas O (δ−) molekul lain, membentuk O–H···O yang hampir lurus. Ikatan kovalen O–H (±0,96 Å, energi ±463 kJ/mol) jauh lebih kuat daripada ikatan hidrogen (O···O ±2,76 Å, energi ±20–25 kJ/mol). Karena itu ikatan hidrogen bisa putus dan tersambung kembali dengan mudah, sedangkan molekul H₂O tetap utuh.

3. Es (fase Ih) adalah jaringan heksagonal yang terbuka. Setiap molekul memberikan 2 H dan menerima 2 H, sehingga mengikat 4 tetangga dengan geometri tetrahedral (sudut O–O–O ±109,5°). Jaringan ini menutup menjadi cincin beranggota enam yang bertumpuk dalam lapisan bergelombang (konstanta sel a ≈ 4,52 Å, c ≈ 7,37 Å). Susunan H mengikuti aturan es Bernal–Fowler: tepat satu H di setiap ikatan O···O, dan tiap O memiliki dua H terdekat. Geometri tetrahedral yang kaku menghasilkan saluran kosong di tengah cincin, sehingga es hanya mengisi ruang dengan efisiensi rendah.

4. Air cair adalah jaringan yang terus berganti. Saat meleleh (ΔH_lebur = 6,01 kJ/mol), hanya sebagian kecil ikatan hidrogen yang putus, tetapi kisi yang kaku runtuh. Ikatan putus dan terbentuk ulang dalam orde pikodetik, rata-rata sekitar 3,6 ikatan per molekul di dekat 0 °C (angka perkiraan, turun perlahan saat suhu naik). Tetangga kedua yang di es berjarak ±4,5 Å bergeser masuk ke celah dan berada di sekitar 3,3–3,5 Å. Molekul-molekul saling mengisi ruang kosong itu, sehingga volume per molekul mengecil sekitar 8%.

5. Anomali 0–4 °C. Dua efek saling berlawanan. Sisa struktur tetrahedral terbuka terus runtuh saat air dipanaskan dari 0 °C, yang menaikkan densitas. Pemuaian termal biasa (jarak antarmolekul membesar akibat getaran) menurunkan densitas. Di bawah ±3,98 °C efek pertama menang, di atasnya efek kedua menang, sehingga densitas air maksimum di ±3,98 °C.

Dari struktur ke hukum Archimedes

Kondisi	Densitas (g/cm3)
Es, 0 °C	0,9168
Air, 0 °C	0,99984
Air, 3,98 °C (maksimum)	0,99997
Air, 10 °C	0,99970
Air, 25 °C	0,99705

Es mengembang sekitar 9% saat membeku. Gaya apung sama dengan berat air yang dipindahkan, sehingga es berada dalam kesetimbangan ketika ρ_es·V_total = ρ_air·V_tercelup. Bagian yang tercelup adalah ρ_es/ρ_air ≈ 0,9168/0,9998, yaitu sekitar 91,7%, dan sisanya sekitar 8,3% muncul di atas permukaan. Air 4 °C yang paling rapat tenggelam ke dasar, sedangkan es menutup permukaan sebagai isolator, sehingga kehidupan di bawahnya tetap bertahan.

Suhu

–

Fase

–

Densitas

–

Volume relatif

–

Ikatan H/molekul

–

Tercelup di air 0 °C

–

Oksigen

Hidrogen

Ikatan hidrogen

Cincin heksagonal

Waktu

–

Suhu air

–

Massa es

–

Tercelup

–

Di atas air

–

Tinggi permukaan

–

–

Es

Air

Gaya apung

Gaya berat

Seret: putar 360° · Gulir/cubit: zoom · Klik kanan/dua jari: geser

Suhu−10,0 °C

−150 (titik leleh)425 °C

Kecepatan waktu×30×60×120×300

Yang seharusnya terlihat

Pada suhu di bawah 0 °C, molekul hanya bergetar di sekitar posisi kisi, dan cincin heksagonal terlihat jelas di antara ikatan hidrogen yang rapi. Kotak wireframe berada pada ukuran terbesarnya. Begitu slider melewati 0 °C, kisi runtuh dan kotak menyusut sekitar 8%. Di antara 0 dan 4 °C kotak masih mengecil sedikit, lalu mulai memuai pelan ketika suhu naik melewati 3,98 °C, sambil ikatan hidrogen makin sering putus dan tersambung lagi.

Pada tampilan Es di dalam gelas, kubus es memperlihatkan akibat makroskopiknya. Karena ρ_es lebih kecil daripada ρ_air, kubus hanya perlu menenggelamkan sekitar 91,7% volumenya agar gaya apung (panah hijau) sama besar dengan berat (panah merah). Sisanya, sekitar 8,3%, tetap muncul di atas permukaan, dan permukaan air sedikit naik karena volume yang dipindahkan. Ukuran dan skala di sini adalah skala gelas, bukan skala molekul.

Tab gelas juga menjalankan proses pencairan. Kubus es 3 cm (±24,75 g, 0 °C) dimasukkan ke 200 g air. Air melepas kalor ke es, dan kalor itu dipakai memutus sebagian ikatan hidrogen pada kisi heksagonal (kalor lebur 334 J/g), bukan menaikkan suhu es. Karena itu suhu air turun selama es masih ada. Luas permukaan es mengecil seiring massanya berkurang, sehingga laju pencairan melambat di akhir. Bila suhu awal air rendah, air tidak punya cukup kalor untuk melebur seluruh es sendirian, dan pencairan selanjutnya bergantung pada kalor dari ruangan sehingga lebih lama. Atur suhu awal air dengan slider, lalu bandingkan kurvanya.

Perhatikan juga tinggi permukaan air pada panel. Es yang mengapung memindahkan air seberat dirinya sendiri, sehingga ketika es mencair, volume lelehannya tepat mengisi bagian yang semula tercelup. Permukaan air tidak naik. Perubahan kecil yang tampak berasal dari pemuaian termal air.

Catatan model: simulasi ini ilustrasi struktural dengan 128 molekul dan kondisi batas periodik, bukan dinamika molekul penuh. Posisi O es dihitung dari kisi Ih dengan tetangga terdekat 2,76 Å. Posisi H disusun secara acak mengikuti aturan es. Posisi air cair dibangkitkan acak dengan jarak minimum antarmolekul, dan nilai densitas dihitung dari data eksperimen (rumus Kell untuk air). Jumlah ikatan hidrogen pada air cair adalah perkiraan. Model tab gelas: kubus es 3 cm (24,75 g) pada 0 °C dalam 200 g air, kalor lebur 334 J/g, kalor jenis air 4,186 J/g·K, koefisien perpindahan kalor air ke es 400 W/m²K, kebocoran kalor dari ruang 0,2 W/K pada suhu ruang 25 °C, dan suhu air dianggap seragam.