קרח

ערך זה עוסק במים במצב מוצק. אם התכוונתם למשמעויות אחרות של המילה, ראו קרח (פירושונים).

קרחון ליד יוקולסרלון

קרח הוא צורת המוצק של מים. הקרח הוא בעל מבנה גבישי.

בלחץ של אטמוספירה אחת, המעבר בין קרח לבין המצב הנוזלי של מים מתרחש בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס.

תכונות פיזיקליות

גביש של קרח: העיגולים הכחולים הם אטומי החמצן, הלבנים הקטנים הם אטומי המימן והקוים השבורים הם "קשרי המימן" כלומר הקשרים הנוצרים בין חמצן במולקולה אחת למימן של מולקולה שכנה. כפי שניתן לראות, הסידור שמאפשר למולקולות המים להימצא בזווית ה"נכונה" זו ביחס לזו משאיר הרבה מקום פנוי ביניהן.

קוביות קרח

קרח עוטף ענף קפוא

הצטברות גבישי קרח על חלון מטוס בגובה רב

נקודת הקיפאון של המים יורדת כשנמצאים בתוכם מומסים היוצרים תערובות אוטקטיות. בארצות קרות מנצלים עובדה זו בחורף לשם מניעת הצטברות קרח על הכבישים והמדרכות באמצעות פיזור גבישי מלח בישול על הכבישים הקפואים. המלח מתמוסס במים, מוריד את נקודת הקיפאון, ומונע התגבשות קרח עד ירידה נוספת בטמפרטורות.

לקרח למעלה מ-15 פאזות שונות. הרוב המוחלט של הקרח בכדור הארץ הוא בצורת גביש משושה המכונה I_h. בחלל החיצון נפוצות צורות אחרות של קרח.

האנומליה של המים

ערך מורחב – האנומליה של המים

בניגוד לרוב החומרים, כאשר מים הופכים למוצק, כלומר לקרח, הנפח שלהם גדל (ומשקלם הסגולי קטן). נפח המים מינימלי בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס. תופעה זו מכונה בשם האנומליה של המים. תהליך הפיכת קרח ממצב צבירה מוצק לנוזל נקרא "התכה" ולא "המסה".

צפיפות קרח ב 0° - 0.917 גרם לסמ"ק
צפיפות מים ב 0° - 0.998 גרם לסמ"ק
ב 4° צפיפות המים מרבית : 1 גרם לסמ"ק.

התופעה נגרמת בשל קשרי המימן שבין מולקולות המים. אטום חמצן יכול ליצור קשר עם אטום מימן במולקולה שכנה, אבל רק אם אטום המימן יהיה בזווית הנכונה – מופנה לכיוון החמצן ורחוק מהמימנים האחרים. הסידור שמאפשר קשרים כאלו בין מולקולות המים אינו צפוף במיוחד (מה שיוצר חללים ריקים בתוך המבנה הגבישי) כמודגם באיור המציג את המבנה הגבישי של הקרח. דווקא כאשר המים מתחממים מספיק כדי שתנועת המולקולות תתגבר על המשיכה ההדדית, יכולות מולקולות המים להתקרב יותר זו לזו וכך המים הנוזלים "מתכווצים".

לתופעה זו מספר השלכות מעשיות:

כאשר מקפיאים כלי סגור מלא לחלוטין במים, הוא עשוי להתפוצץ.
קרח צף על פני מים (למשל, קוביות קרח בכוס מים או קרחונים בים).

פרויקט חבקוק הוא פרויקט של הצי הבריטי במלחמת העולם השנייה אשר היה מבוסס על עובדה פיזיקלית זו. מטרתו הייתה בניתה של נושאת מטוסים עשויה פייקריט (תערובת של נסורת וקרח), כך שלא ניתן יהיה להטביעה.

התהליך בו אדי מים הופכים לקרח קרוי דפוזיציה.

מערכות ביולוגיות

בגופם של אורגניזמים חיים, המים הוא מרכיב מרכזי. בחשיפה לטמפרטורות חיצוניות נמוכות, מתחיל תהליך הקפאון בהתגבשות המים לגבישי קרח זעירים. המבנה הגבישי של הקרח הוא בעל קצוות חדים, ועל כן תנועת הגבישים בתוך הנוזל התאי עלולה לגרום לקריעת קרומי התאים ובכך למעשה להרוס אותם. זהו הנזק שנגרם בעת כוויות קור או כאשר מניחים לירקות קפואים להפשיר. כל עוד הנוזל התאי קפוא לחלוטין, לא נוצר נזק לקרום התא מאחר שאין תנועה בתוך התא. מצב הביניים בו קיימים גבישים, וגם נוזל, הוא המסוכן.

כדי להתגבר על נזקים מסוג זה נוקט הגוף החי באסטרטגיות שונות:

פעילות מטבולית לחימום הגוף.
ריכוז גבוה של מלחים בתא כדי להוריד את נקודת הקפאון ובכך למנוע את קפיאת הרקמה.
במידה שרקמה ביולוגית קופאת, כדי להימנע מנזק יש לחממה בצורה מהירה ביותר ולא להפשירה, כדי להימנע ככל האפשר ממצב הביניים בו ישנם גבישי קרח הנעים בנוזל התאי.

פיסול בקרח

ערך מורחב – פיסול בקרח

פיסול בקרח הוא צורה של פיסול העושה שימוש בקרח כחומר הגלם. אורך החיים הקצר של פסלי הקרח מקשר אותם לאירועים מיוחדים ויוצאי דופן. פסלים העשויים מקרח יכולים להיות ריאליסטיים או מופשטים. כמו כן הם יכולים להיות פרטי נוי בלבד או לשמש לצורך מעשי כלשהו.