Wat gebeurt er:
De meeste mensen denken dat water altijd bevriest bij precies 32°F of 0°C. Hoewel het waar is dat zuiver waterijs altijd begint te smelten bij 0°C, hoeft vloeibaar water – zelfs zuiver water – niet noodzakelijkerwijs te bevriezen bij deze temperatuur, en kan vloeibaar blijven bij veel koudere temperaturen (zie de link hieronder). Dit wordt onderkoeld water genoemd. De reden dat dit kan gebeuren (niet alleen voor water, maar voor veel stoffen die kristallen vormen in hun vaste toestand) is dat moleculen van een vloeistof zich een beetje anders gedragen dan die in de vaste toestand (waar ze strak opgesloten zitten in een ordelijke ordening of kristalrooster) of in de gasvormige toestand (waar ze volledig onafhankelijk zijn). Het enige dat nodig is om een vaste stof te smelten is warmte, die de energie levert voor het kristalrooster om uit elkaar te vallen en vloeibaar te worden. Anderzijds zorgt het eenvoudig afkoelen van de moleculen in een vloeistof er niet voor dat zij een vaste stof vormen. De moleculen moeten zich gaan ordenen en een ordelijk kristalrooster vormen, en dit kost iets meer energie (dit soort “geleende” energie wordt de latente fusiewarmte genoemd). Zie het zo: het is veel gemakkelijker om een boot te vernielen dan om er een van de grond af op te bouwen. Het vergt wat denkwerk en zorgvuldigheid om je boot op te bouwen uit de afzonderlijke stukken. Het vormen van een vaste stof uit afzonderlijke vloeistofmoleculen is vergelijkbaar, de eerste paar moleculen moeten in de juiste positie en uitlijning bewegen om te beginnen met het bouwen van het juiste kristalrooster. Zodra dit rooster zich begint te vormen, wordt het veel gemakkelijker voor andere vloeibare moleculen om zich vast te hechten en het kristalrooster verder te laten groeien. Hoe kouder een vloeistof wordt, hoe waarschijnlijker het is dat sommige moleculen dat eerste kristal zullen vormen, maar als ze niet veel bewegen, gebeurt dat misschien niet. Daarom waren we voorzichtig met het verstoren van de flessen tot we ze wilden laten bevriezen. Door op de fles te tikken of te schudden kwamen de moleculen in beweging, zodat het waarschijnlijker werd dat een paar moleculen zich in de juiste houding zouden zetten en een kristal zouden vormen (een zaadkristal genoemd), waarna de rest van de moleculen zich snel aan elkaar hechtten en de hele fles bevroor.
Het vries- of smeltpunt van een stof wordt eigenlijk gedefinieerd als de temperatuur waarbij de vloeibare en vaste fasen in evenwicht zijn. Voor zuiver water betekent dit dat ijs precies even snel smelt als vloeibaar water bevriest, zodat de nettohoeveelheid van beide ongeveer gelijk blijft, en dat gebeurt bij precies 0°C. Dit perfecte evenwicht lijkt misschien moeilijk te bereiken, maar zolang je bad voldoende ijs en water bevat, en je niet te veel externe warmte toevoegt of onttrekt (d.w.z. de koeler goed isoleert), zullen de fasen hun evenwicht vinden en zal de temperatuur stabiliseren op 0°C. Daarom zou je in stap 2 0°C gemeten moeten hebben (afhankelijk van de nauwkeurigheid van je thermometer). Wanneer het water in een fles onderkoeld is (onder 0°C), is het niet in evenwicht, omdat er geen ijs is. Maar zodra het eerste vaste kristal zich vormt, neemt de hoeveelheid ijs toe naarmate er meer water bevriest en bereikt het mengsel snel een evenwicht bij 0°C – d.w.z. de temperatuur gaat in feite omhoog naarmate het water bevriest, waarbij de latente fusiewarmte vrijkomt (zie Aanvullende Experimenten hieronder). Daarom is het ijs in de fles heel zacht en smeltend, in plaats van hard bevroren. Om de fles hard te laten bevriezen, moet je deze extra warmte op de een of andere manier verwijderen, bijvoorbeeld door hem terug te plaatsen in de koeler.
Om een waterfles te superkoelen, verlaag je de temperatuur tot onder het normale evenwichtsvriespunt door warmte te verwijderen. Omdat warmte alleen van warmere naar koudere voorwerpen stroomt, moet je de fles in contact brengen met iets kouder, zoals de koude lucht in een vriezer. Maar de meeste diepvriezers thuis zijn meestal ingesteld op ongeveer -20 tot -40°C, dus als je de fles te lang in de diepvriezer laat staan, daalt de temperatuur zo sterk dat het bijna zeker is dat er ergens een zaadkristal wordt gevormd dat vervolgens volledig bevriest. Tenzij je een thermometer in de fles kunt steken, moet je hem vaak controleren en hem eruit halen zodra hij onderkoeld maar niet bevroren is, wat lastig kan zijn. Een ander probleem met deze methode is dat de meeste vriezers motoren gebruiken die trillingen veroorzaken, en net als toen je op de fles tikte, een zaadkristal kunnen vormen en het water bevriezen. Je zou het ijsbad kunnen gebruiken dat je in stap 2 hebt gemaakt om het water te koelen, maar dit bad is in evenwicht bij 0°C, dus je kunt je flessen alleen tot deze temperatuur koelen, wat niet koud genoeg is om het water onmiddellijk te bevriezen. Om je flessen te superkoelen heb je een ijsbad nodig dat veel kouder is dan 0°C.
Gelukkig heeft vloeibaar water (of welk oplosmiddel dan ook) nog een andere zeer nuttige eigenschap- het vriespunt van een oplossing (alles wat in een oplosmiddel is opgelost) ligt altijd lager dan het vriespunt van het zuivere oplosmiddel. In ons geval betekent dit dat het oplossen van zout in water (het oplosmiddel) het vriespunt van de zout-water oplossing verlaagt, d.w.z. dat je het kouder moet krijgen dan zuiver water voordat het zal bevriezen. Daarom is het veel moeilijker om zeewater te bevriezen dan zoet water. Merk op dat dit niet hetzelfde is als onderkoeld water; het zoute water is een oplossing, geen zuiver water. Dit is ook de reden waarom je zout op een ijzige weg strooit om het te laten smelten. Het zout lost op in het dunne laagje vloeibaar water dat gewoonlijk aan het oppervlak aanwezig is (tenzij het ijs heel, heel koud is), waardoor de temperatuur die nodig is om het ijs bevroren te houden, daalt. Hoe meer zout je oplost, hoe lager het vriespunt. Het maakt niet uit wat voor soort zout (of iets anders) je gebruikt, alleen hoeveel je oplost in het water. Dit wordt een colligatieve eigenschap genoemd, wat betekent dat het alleen afhangt van het aantal deeltjes, niet van hun soort. Aangezien vast ijs meestal veel kouder is dan 0 °C (dat heb je in stap 1 gemeten), verlaagt toevoeging van ijs aan een zoutwateroplossing de temperatuur van de oplossing. En aangezien het vriespunt van dit zout-water-ijs-oplossingbad (de temperatuur waarbij vriezen en smelten in evenwicht zijn) lager ligt dan dat van een zuiver water-ijsbad, kunnen we dit gebruiken om onze flessen zuiver water te superkoelen. Door genoeg zout toe te voegen is het relatief eenvoudig om een bad te maken dat -10°C of kouder is.
Variaties en verwante activiteiten:
Er zijn andere interessante manieren om supergekoeld water onmiddellijk te bevriezen. Schroef heel voorzichtig de dop van een van je flessen zonder het water te bevriezen. Laat een klein stukje ijs in het water vallen en kijk hoe het onmiddellijk begint te bevriezen in de fles. Aangezien dit stukje al vast is, dient het als het beginkristal waaraan de vloeistofmoleculen zich gemakkelijk kunnen hechten. Je kunt ook proberen om langzaam vloeibaar, onderkoeld water uit de fles op een schaal met een klein stukje ijs te gieten. Het water zal bevriezen wanneer het het ijs raakt en dan verder bevriezen langs de gietstroom en in de fles. Plaats voor een ander experiment voorzichtig een thermometer in de fles met onderkoeld vloeibaar water. Hij moet een temperatuur van ver onder 0°C aangeven. Laat nu een klein stukje ijs in de fles vallen om het bevriezen op gang te brengen en kijk hoe de temperatuur stijgt naarmate het water bevriest, tot het uiteindelijk 0°C is. Bij het bevriezen van water komt warmte vrij (de latente fusie-warmte), die alleen maar naar de rest van het water en ijs in de fles kan gaan, waardoor een deel van het zojuist bevroren ijs opnieuw smelt. Daarom bevriest de fles niet tot hard ijs, maar vormt zich een zeer nat, smeltend ijs. Aangezien het ijs en het water nu in evenwicht zijn, moet de temperatuur ervan op het vriespunt liggen, ofwel op 0°C.