Was passiert:
Die meisten Menschen glauben, dass Wasser immer bei genau 32°F oder 0°C gefriert. Während es stimmt, dass reines Wassereis immer bei 0°C zu schmelzen beginnt, gefriert flüssiges Wasser – sogar reines Wasser – nicht unbedingt bei dieser Temperatur und kann bei viel kälteren Temperaturen flüssig bleiben (siehe den Link unten). Dies wird als unterkühltes Wasser bezeichnet. Der Grund dafür, dass dies passieren kann (nicht nur bei Wasser, sondern bei vielen Substanzen, die in ihrem festen Zustand Kristalle bilden), ist, dass sich die Moleküle einer Flüssigkeit ein wenig anders verhalten als die im festen Zustand (wo sie fest in einer geordneten Anordnung oder einem Kristallgitter eingeschlossen sind) oder im gasförmigen Zustand (wo sie völlig unabhängig sind). Um einen Feststoff zu schmelzen, ist lediglich Wärme erforderlich, die die Energie liefert, damit das Kristallgitter auseinanderbricht und flüssig wird. Andererseits führt das einfache Abkühlen der Moleküle in einer Flüssigkeit nicht dazu, dass sie einen Festkörper bilden. Die Moleküle müssen beginnen, sich anzuordnen und ein geordnetes Kristallgitter zu bilden, und das erfordert ein wenig mehr Energie (diese Art von „geliehener“ Energie wird als latente Schmelzwärme bezeichnet). Stellen Sie es sich so vor: Es ist viel einfacher, ein Boot zu zerstören, als eines von Grund auf neu zu bauen. Es bedarf einiger Überlegung und Sorgfalt, um ein Boot aus den einzelnen Teilen aufzubauen. Die Bildung eines Festkörpers aus einzelnen Flüssigkeitsmolekülen ist ähnlich, die ersten paar Moleküle müssen in die richtige Position und Ausrichtung gebracht werden, um mit dem Aufbau des richtigen Kristallgitters zu beginnen. Sobald sich dieses Gitter zu bilden beginnt, wird es für andere Flüssigkeitsmoleküle viel einfacher, sich anzuhängen und das Kristallgitter weiter wachsen zu lassen. Je kälter eine Flüssigkeit wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass einige der Moleküle diesen ersten Kristall bilden, aber wenn sie sich nicht viel bewegen, passiert das vielleicht nicht. Deshalb waren wir sehr vorsichtig, die Flaschen nicht zu stören, bis wir wollten, dass sie gefrieren. Das Klopfen oder Schütteln der Flasche brachte die Moleküle in Bewegung, so dass es wahrscheinlicher wurde, dass sich einige wenige in die richtige Anordnung bewegten und einen Kristall (einen sogenannten Impfkristall) bildeten, woraufhin sich der Rest der Moleküle schnell anlagerte und die gesamte Flasche gefror.
Der Gefrier- oder Schmelzpunkt einer Substanz ist eigentlich definiert als die Temperatur, bei der sich die flüssige und die feste Phase im Gleichgewicht befinden. Für reines Wasser bedeutet dies, dass Eis genau in dem Maße schmilzt, in dem flüssiges Wasser gefriert, so dass die Nettomenge beider Phasen in etwa gleich bleibt, und das geschieht bei genau 0°C. Dieses perfekte Gleichgewicht scheint sehr schwer zu erreichen zu sein, aber solange Ihr Bad reichlich Eis und Wasser enthält und Sie nicht zu viel Wärme von außen zuführen oder abführen (d.h. der Kühler ist gut isoliert), werden die Phasen ihr Gleichgewicht finden und die Temperatur stabilisiert sich bei 0°C. Deshalb sollten Sie in Schritt 2 0°C gemessen haben (abhängig von der Genauigkeit Ihres Thermometers). Wenn das Wasser in einer Flasche unterkühlt ist (unter 0°C), befindet es sich nicht im Gleichgewicht, da kein Eis vorhanden ist. Sobald sich jedoch der erste feste Kristall bildet, nimmt die Menge an Eis zu, da mehr Wasser gefriert und die Mischung schnell ein Gleichgewicht bei 0°C erreicht – d. h. die Temperatur steigt tatsächlich an, wenn das Wasser gefriert und die latente Schmelzwärme freigesetzt wird (siehe zusätzliche Experimente unten). Aus diesem Grund ist das Eis in der Flasche sehr weich und matschig und nicht hart gefroren. Um die Flasche hart zu gefrieren, müssen Sie diese zusätzliche Wärme irgendwie abführen, z. B. indem Sie sie zurück in die Kühlbox stellen.
Um eine Wasserflasche unterzukühlen, senken Sie ihre Temperatur unter den normalen Gleichgewichtsgefrierpunkt, indem Sie Wärme abführen. Da Wärme nur von wärmeren zu kälteren Objekten fließt, müssen Sie Ihre Flasche in Kontakt mit etwas Kälterem bringen, z. B. mit der kalten Luft in einem Gefrierschrank. Aber die meisten Gefrierschränke zu Hause sind typischerweise auf etwa -20 bis -40 °C eingestellt. Wenn Sie die Flasche also zu lange im Gefrierschrank lassen, sinkt die Temperatur so stark, dass sie mit ziemlicher Sicherheit irgendwo einen Impfkristall bildet und dann vollständig gefriert. Wenn Sie kein Thermometer in die Flasche stecken können, müssen Sie sie oft überprüfen und herausnehmen, sobald sie unterkühlt, aber nicht gefroren ist, was knifflig sein kann. Ein weiteres Problem bei dieser Methode ist, dass die meisten Gefriergeräte Motoren verwenden, die Vibrationen verursachen, und genau wie beim Anzapfen der Flasche einen Impfkristall bilden und das Wasser einfrieren können. Sie könnten das Eiswasserbad verwenden, das Sie in Schritt 2 vorbereitet haben, um das Wasser zu kühlen, aber dieses Bad ist im Gleichgewicht bei 0°C, so dass Sie Ihre Flaschen nur auf diese Temperatur kühlen können, die nicht kalt genug ist, um das Wasser sofort einzufrieren. Um Ihre Flaschen zu unterkühlen, benötigen Sie ein Eiswasserbad, das viel kälter als 0°C ist.
Glücklicherweise hat flüssiges Wasser (oder jedes Lösungsmittel) eine weitere sehr nützliche Eigenschaft – der Gefrierpunkt einer Lösung (alles, was in einem Lösungsmittel gelöst ist) ist immer niedriger als der Gefrierpunkt des reinen Lösungsmittels. In unserem Fall bedeutet dies, dass das Lösen von Salz in Wasser (dem Lösungsmittel) den Gefrierpunkt der Salz-Wasser-Lösung senkt, d.h. man muss sie kälter als reines Wasser machen, bevor sie gefriert. Aus diesem Grund ist es viel schwieriger, Meerwasser zu gefrieren als Süßwasser. Beachten Sie, dass dies nicht dasselbe ist wie unterkühltes Wasser; das Salzwasser ist eine Lösung, kein reines Wasser. Das ist auch der Grund, warum man Salz auf eine vereiste Straße streut, um sie zu schmelzen. Das Salz löst sich in der dünnen Schicht aus flüssigem Wasser auf, die normalerweise auf der Oberfläche vorhanden ist (es sei denn, das Eis ist sehr, sehr kalt), und senkt so die Temperatur, die erforderlich ist, damit das Eis gefroren bleibt. Je mehr Salz man auflöst, desto niedriger ist der Gefrierpunkt. Es spielt keine Rolle, welche Art von Salz (oder irgendetwas anderes) Sie verwenden, nur wie viel Sie im Wasser auflösen. Dies wird als kolligative Eigenschaft bezeichnet, was bedeutet, dass sie nur von der Anzahl der Teilchen abhängt, nicht von ihrer Art. Da festes Eis normalerweise viel kälter als 0°C ist (Sie haben das in Schritt 1 gemessen), senkt die Zugabe von Eis zu einer Salzwasserlösung die Temperatur der Lösung. Und da der Gefrierpunkt dieses Salzwasser-Eislösungsbades (die Temperatur, bei der sich Gefrieren und Schmelzen im Gleichgewicht befinden) niedriger ist als der eines reinen Wasser-Eis-Bades, können wir dies nutzen, um unsere Flaschen mit reinem Wasser zu unterkühlen. Durch Zugabe von genügend Salz ist es relativ einfach, ein Bad vorzubereiten, das -10°C oder kälter ist.
Variationen und verwandte Aktivitäten:
Es gibt weitere interessante Möglichkeiten, unterkühltes Wasser sofort einzufrieren. Schrauben Sie ganz vorsichtig den Deckel von einer Ihrer Flaschen ab, ohne das Wasser einzufrieren. Lassen Sie ein kleines Stück Eis in das Wasser fallen und beobachten Sie, wie es sofort das Gefrieren in der Flasche einleitet. Da dieses Stück bereits fest ist, dient es als Impfkristall, an den sich die Flüssigkeitsmoleküle leicht anlagern können. Sie können auch versuchen, flüssiges, unterkühltes Wasser aus der Flasche langsam auf eine Schale mit einem kleinen Eisstück zu gießen. Das Wasser wird gefrieren, wenn es auf das Eis trifft, und dann weiter den Gießstrahl hinauf und in die Flasche gefrieren. Für ein weiteres Experiment legen Sie vorsichtig ein Thermometer in die Flasche mit dem unterkühlten flüssigen Wasser. Es sollte eine Temperatur von deutlich unter 0°C anzeigen. Lassen Sie nun ein kleines Stück Eis in die Flasche fallen, um das Gefrieren einzuleiten und beobachten Sie den Temperaturanstieg, während das Wasser gefriert, bis es schließlich 0°C erreicht. Wenn Wasser gefriert, gibt es Wärme ab (die sogenannte latente Schmelzwärme), und diese Wärme kann nirgendwo anders hingehen als in das restliche Wasser und das Eis in der Flasche, das tatsächlich einen Teil des Eises, das gerade gefroren ist, wieder schmilzt. Aus diesem Grund gefriert die Flasche nicht zu hartem Eis, sondern bildet ein sehr nasses, matschiges Eis. Da sich das Eis und das Wasser nun im Gleichgewicht befinden, muss die Temperatur am Gefrierpunkt oder bei 0 °C liegen.