Cosa sta succedendo:
La maggior parte delle persone crede che l’acqua congeli sempre esattamente a 32°F o 0°C. Mentre è vero che il ghiaccio puro comincia sempre a sciogliersi a 0°C, l’acqua liquida – anche quella pura – non si congela necessariamente a questa temperatura, e può rimanere liquida a temperature molto più basse (vedi il link qui sotto). Questa è chiamata acqua super-raffreddata. La ragione per cui questo può accadere (non solo per l’acqua, ma per molte sostanze che formano cristalli nel loro stato solido) è che le molecole di un liquido si comportano un po’ diversamente da quelle nello stato solido (dove sono strettamente bloccate in una disposizione ordinata o reticolo cristallino) o nello stato di gas (dove sono completamente indipendenti). Tutto ciò che è necessario per la fusione di un solido è il calore, che fornisce l’energia per il reticolo cristallino per rompersi e diventare liquido. D’altra parte, il semplice raffreddamento delle molecole in un liquido non le fa formare un solido. Le molecole devono cominciare ad organizzarsi e formare un reticolo cristallino ordinato, e questo richiede un po’ più di energia (questa sorta di energia “presa in prestito” è chiamata calore latente di fusione). Pensatela in questo modo: è molto più facile distruggere una barca che costruirne una da zero. Ci vuole un po’ di riflessione e cura per iniziare a costruire la barca dai singoli pezzi. Formare un solido da singole molecole di liquido è simile, le prime molecole devono spostarsi nella giusta posizione e allineamento per iniziare a costruire il corretto reticolo cristallino. Una volta che questo reticolo comincia a formarsi, diventa molto più facile per le altre molecole liquide attaccarsi e continuare a far crescere il reticolo cristallino. Più un liquido diventa freddo, più è probabile che alcune molecole formino il primo cristallo, ma se non si muovono molto potrebbe non succedere. Ecco perché siamo stati molto attenti a non disturbare le bottiglie finché non volevamo che si congelassero. Picchiettando o scuotendo la bottiglia, le molecole si muovevano in modo da rendere più probabile che alcune si muovessero nella giusta disposizione e formassero un cristallo (chiamato cristallo seme), poi il resto delle molecole si attaccava rapidamente, e l’intera bottiglia si congelava.
Il punto di congelamento o di fusione di una sostanza è effettivamente definito come la temperatura alla quale le fasi liquida e solida sono in equilibrio. Per l’acqua pura questo significa che il ghiaccio si scioglie esattamente alla stessa velocità con cui l’acqua liquida si congela, in modo che la quantità netta di ciascuno rimanga più o meno invariata, e questo avviene esattamente a 0°C. Questo equilibrio perfetto può sembrare molto difficile da raggiungere, ma in realtà, se il bagno contiene molto ghiaccio e acqua, e non si aggiunge o toglie troppo calore esterno (cioè il refrigeratore è ben isolato), le fasi troveranno il loro equilibrio e la temperatura si stabilizzerà a 0°C. Ecco perché dovresti aver misurato 0°C (a seconda della precisione del tuo termometro) nella fase 2. Quando l’acqua in una bottiglia è superraffreddata (sotto 0°C) non è in equilibrio, poiché non c’è ghiaccio. Ma una volta che si forma il primo cristallo solido, la quantità di ghiaccio aumenta man mano che altra acqua si congela e la miscela raggiunge rapidamente l’equilibrio a 0°C – cioè la temperatura sale effettivamente man mano che l’acqua si congela, rilasciando il calore latente di fusione (vedi Esperimenti aggiuntivi qui sotto). Questo è il motivo per cui il ghiaccio nella bottiglia è molto morbido e fangoso, piuttosto che duro come il ghiaccio. Per congelare duramente la bottiglia devi rimuovere questo calore extra in qualche modo, forse rimettendola nel refrigeratore.
Per superraffreddare una bottiglia d’acqua devi abbassare la sua temperatura al di sotto del normale punto di congelamento di equilibrio rimuovendo il calore. Poiché il calore scorre solo da oggetti più caldi a quelli più freddi, è necessario mettere la bottiglia a contatto con qualcosa di più freddo, come l’aria fredda in un congelatore. Ma la maggior parte dei congelatori domestici sono tipicamente impostati a circa -20 a -40°C, quindi lasciare la bottiglia nel congelatore troppo a lungo abbasserà la temperatura così tanto che è quasi certo che formerà un cristallo di semi da qualche parte e poi si congelerà completamente. A meno che non si possa mettere un termometro all’interno della bottiglia, bisogna controllarla spesso e rimuoverla una volta che è super raffreddata ma non congelata, il che può essere difficile. Un altro problema con questo metodo è che la maggior parte dei congelatori usano motori che causano vibrazioni, e proprio come quando hai picchiettato la bottiglia, possono formare un cristallo di semi e congelare l’acqua. Potresti usare il bagno di acqua ghiacciata che hai preparato al punto 2 per raffreddare l’acqua, ma questo bagno è in equilibrio a 0°C, quindi puoi raffreddare le tue bottiglie solo a questa temperatura, che non è abbastanza fredda per congelare istantaneamente l’acqua. Per superraffreddare le bottiglie hai bisogno di un bagno di acqua ghiacciata molto più fredda di 0°C.
Per fortuna l’acqua liquida (o qualsiasi solvente) ha un’altra proprietà molto utile: il punto di congelamento di una soluzione (qualsiasi cosa sciolta in un solvente) è sempre inferiore al punto di congelamento del solvente puro. Nel nostro caso questo significa che sciogliere il sale nell’acqua (il solvente) abbassa il punto di congelamento della soluzione acqua-sale, cioè bisogna renderla più fredda dell’acqua pura per farla congelare. Questo è il motivo per cui è molto più difficile congelare l’acqua di mare che l’acqua dolce. Si noti che questo non è lo stesso dell’acqua super-raffreddata; l’acqua salata è una soluzione, non acqua pura. Questo è anche il motivo per cui si cosparge di sale una strada ghiacciata per scioglierla. Il sale si dissolve nel sottile strato di acqua liquida che di solito è presente sulla superficie (a meno che il ghiaccio non sia molto, molto freddo), abbassando la temperatura necessaria perché il ghiaccio rimanga congelato. Più sale si scioglie, più basso è il punto di congelamento. Non importa che tipo di sale (o qualsiasi altra cosa) usiate, solo quanto ne sciogliete nell’acqua. Questa è chiamata una proprietà colligativa, il che significa che dipende solo dal numero di particelle, non dal loro tipo. Poiché il ghiaccio solido è di solito molto più freddo di 0°C (l’hai misurato nel passo 1), aggiungere ghiaccio a una soluzione di acqua salata abbassa la temperatura della soluzione. E poiché il punto di congelamento di questo bagno di soluzione di acqua salata-ghiaccio (la temperatura in cui congelamento e fusione sono in equilibrio) è più basso di quello di un bagno di acqua pura-ghiaccio, possiamo usarlo per superraffreddare le nostre bottiglie di acqua pura. Aggiungendo abbastanza sale è relativamente facile preparare un bagno a -10°C o più freddo.
Variazioni e attività correlate:
Ci sono altri modi interessanti per congelare istantaneamente l’acqua super-raffreddata. Svitate con molta attenzione il tappo di una delle vostre bottiglie senza congelare l’acqua. Lascia cadere un piccolo pezzo di ghiaccio nell’acqua e guarda come inizia istantaneamente il congelamento nella bottiglia. Dato che questo pezzo è già solido, serve come cristallo di seme a cui le molecole di liquido possono facilmente attaccarsi. Puoi anche provare a versare lentamente l’acqua liquida super raffreddata dalla bottiglia su un piatto con un piccolo pezzo di ghiaccio. L’acqua si congelerà quando colpirà il ghiaccio e poi continuerà a congelare proprio lungo il flusso di versamento e nella bottiglia. Per un altro esperimento, metti attentamente un termometro nella bottiglia di acqua liquida super-raffreddata. Dovrebbe leggere una temperatura ben al di sotto di 0°C. Ora fai cadere un piccolo pezzo di ghiaccio nella bottiglia per iniziare il congelamento e osserva l’aumento della temperatura man mano che l’acqua si congela, fino a raggiungere finalmente 0°C. Quando l’acqua congela rilascia calore (chiamato calore latente di fusione), e questo calore non ha dove andare se non nel resto dell’acqua e del ghiaccio nella bottiglia, che in realtà rifonde parte del ghiaccio appena congelato. Questo è il motivo per cui la bottiglia non si congela in ghiaccio duro, ma forma un ghiaccio molto umido e fangoso. Poiché il ghiaccio e l’acqua sono ora in equilibrio, la loro temperatura deve essere al punto di congelamento, o 0°C.