Co się dzieje:
Większość ludzi wierzy, że woda zawsze zamarza dokładnie w temperaturze 32°F lub 0°C. Podczas gdy prawdą jest, że lód czystej wody zawsze zaczyna się topić przy 0°C, woda w stanie ciekłym – nawet czysta woda – niekoniecznie zamarza w tej temperaturze i może pozostać cieczą w znacznie niższych temperaturach (patrz link poniżej). Jest to tak zwana woda przechłodzona. Powodem, dla którego tak się dzieje (nie tylko w przypadku wody, ale wielu substancji, które tworzą kryształy w stanie stałym) jest to, że cząsteczki cieczy zachowują się nieco inaczej niż cząsteczki w stanie stałym (gdzie są ciasno zamknięte w uporządkowanym układzie lub sieci krystalicznej) lub w stanie gazowym (gdzie są całkowicie niezależne). Wszystko, co jest potrzebne do stopienia ciała stałego to ciepło, które dostarcza energii, aby sieć krystaliczna rozpadła się i stała się cieczą. Z drugiej strony, samo schłodzenie molekuł w cieczy nie spowoduje, że staną się one ciałem stałym. Cząsteczki muszą zacząć się układać i tworzyć uporządkowaną sieć krystaliczną, a to wymaga nieco więcej energii (ten rodzaj „pożyczonej” energii nazywamy utajonym ciepłem syntezy). Pomyśl o tym w ten sposób: o wiele łatwiej jest zniszczyć łódź niż zbudować ją od podstaw. Trzeba się dobrze zastanowić, aby zacząć budować łódź z pojedynczych elementów. Formowanie ciała stałego z pojedynczych cząsteczek cieczy jest podobne, pierwsze kilka cząsteczek musi ustawić się w odpowiedniej pozycji i wyrównaniu, aby rozpocząć budowę prawidłowej sieci krystalicznej. Gdy ta sieć zaczyna się tworzyć, staje się o wiele łatwiejsze dla innych cząsteczek cieczy, aby dołączyć i kontynuować wzrost sieci krystalicznej. Im zimniejsza staje się ciecz, tym bardziej prawdopodobne jest, że niektóre z cząsteczek utworzą ten pierwszy kryształ, ale jeśli nie będą się zbytnio poruszać, może się to nie udać. Dlatego też byliśmy bardzo ostrożni, aby nie naruszać butelek do momentu, w którym chcieliśmy je zamrozić. Stukanie lub potrząsanie butelką sprawiło, że molekuły zaczęły się poruszać, co zwiększyło prawdopodobieństwo, że kilka z nich ułoży się w odpowiedni układ i utworzy kryształ (zwany kryształem zalążkowym), po czym reszta molekuł szybko się do niego przyłączyła, a cała butelka zamarzła.
Punkt zamarzania lub topnienia substancji jest definiowany jako temperatura, w której fazy ciekła i stała są w równowadze. W przypadku czystej wody oznacza to, że lód topi się dokładnie w tym samym tempie, w jakim zamarza woda w stanie ciekłym, tak że ilość netto każdej z nich pozostaje bez zmian, a dzieje się to dokładnie w temperaturze 0°C. Ta idealna równowaga może wydawać się bardzo trudna do osiągnięcia, ale w rzeczywistości, tak długo jak wanna zawiera dużo lodu i wody, a ty nie dodajesz lub usuwasz zbyt dużo ciepła z zewnątrz (tj. chłodnica jest dobrze izolowana), fazy znajdą swoją równowagę i temperatura ustabilizuje się na poziomie 0°C. Dlatego w kroku 2 powinniśmy zmierzyć 0°C (w zależności od dokładności termometru). Kiedy woda w butelce jest przechłodzona (poniżej 0°C), nie jest w równowadze, ponieważ nie ma lodu. Ale gdy tylko utworzy się pierwszy stały kryształ, ilość lodu wzrasta w miarę zamarzania wody i mieszanina szybko osiąga stan równowagi w temperaturze 0°C – tzn. temperatura faktycznie wzrasta w miarę zamarzania wody, uwalniając utajone ciepło syntezy (zob. dodatkowe eksperymenty poniżej). Dlatego lód w butelce jest bardzo miękki i ma konsystencję brei, a nie twardego mrożonego lodu. Aby mocno zamrozić butelkę, musisz jakoś usunąć to dodatkowe ciepło, być może umieszczając ją z powrotem w chłodziarce.
Aby przechłodzić butelkę z wodą, obniżasz jej temperaturę poniżej normalnego punktu równowagi, usuwając ciepło. Ponieważ ciepło przepływa tylko z cieplejszych obiektów do zimniejszych, musisz umieścić butelkę w kontakcie z czymś zimniejszym, takim jak zimne powietrze w zamrażarce. Ale większość domowych zamrażarek jest zazwyczaj ustawiona na około -20 do -40°C, więc pozostawienie butelki w zamrażarce na zbyt długo obniży temperaturę tak bardzo, że prawie na pewno utworzy się kryształ nasienny, a następnie całkowicie zamarznie. Jeśli nie możesz umieścić termometru wewnątrz butelki, musisz sprawdzać ją często i wyjąć ją, gdy jest superchłodzona, ale nie zamrożona, co może być trudne. Inny problem z ten metodą jest że najwięcej chłodni używa silniki które powodują wibracje, i właśnie jak gdy ty stukałeś butelkę, może tworzyć seed kryształ i zamrażać wodę. Możesz użyć lodowej kąpieli wodnej, którą przygotowałeś w Kroku 2, aby schłodzić wodę, ale ta kąpiel jest w równowadze przy 0°C, więc możesz schłodzić butelki tylko do tej temperatury, która nie jest wystarczająco zimna, aby natychmiast zamrozić wodę. Na szczęście ciekła woda (lub jakikolwiek rozpuszczalnik) ma jeszcze jedną bardzo przydatną właściwość – temperatura zamarzania roztworu (czegokolwiek rozpuszczonego w rozpuszczalniku) jest zawsze niższa niż temperatura zamarzania czystego rozpuszczalnika. W naszym przypadku oznacza to, że rozpuszczenie soli w wodzie (rozpuszczalniku) obniża temperaturę zamarzania roztworu soli i wody, tzn. musisz doprowadzić do temperatury niższej niż czysta woda, zanim zamarznie. Dlatego właśnie znacznie trudniej jest zamrozić wodę morską niż słodką. Należy pamiętać, że nie jest to to samo, co woda przechłodzona; słona woda jest roztworem, a nie czystą wodą. To również dlatego posypuje się solą oblodzoną drogę, aby ją roztopić. Sól rozpuszcza się w cienkiej warstwie ciekłej wody, która jest zwykle obecna na powierzchni (chyba że lód jest bardzo, bardzo zimny), obniżając temperaturę wymaganą do utrzymania lodu w stanie zamrożonym. Im więcej soli się rozpuści, tym niższa będzie temperatura zamarzania. Nie ma znaczenia jakiego rodzaju soli (lub czegokolwiek innego) użyjesz, tylko ile rozpuścisz jej w wodzie. Jest to tzw. właściwość koligatywna, co oznacza, że zależy ona tylko od liczby cząsteczek, a nie ich rodzaju. Ponieważ stały lód jest zwykle znacznie zimniejszy niż 0°C (zmierzyłeś to w kroku 1), dodanie lodu do roztworu wody z solą obniża temperaturę roztworu. A ponieważ temperatura zamarzania roztworu soli i lodu (temperatura, w której zamarzanie i topnienie jest w równowadze) jest niższa niż temperatura kąpieli czystej wody z lodem, możemy to wykorzystać do schłodzenia naszych butelek z czystą wodą. Dodając odpowiednią ilość soli, stosunkowo łatwo jest przygotować kąpiel o temperaturze -10°C lub niższej.
Odmiany i pokrewne czynności:
Istnieją inne ciekawe sposoby na błyskawiczne zamrożenie przechłodzonej wody. Bardzo ostrożnie odkręć nakrętkę od jednej z butelek, nie zamrażając wody. Wrzuć mały kawałek lodu do wody i obserwuj, jak natychmiast zaczyna on zamarzać w butelce. Ponieważ ten kawałek jest już stały, służy jako kryształ nasienny, do którego cząsteczki cieczy mogą się łatwo przyczepić. Możesz również spróbować powoli nalać płynną, przechłodzoną wodę z butelki na naczynie z małym kawałkiem lodu. Woda zamarznie, gdy uderzy w lód, a następnie będzie dalej zamarzać w górę strumienia wlewając się do butelki. Aby przeprowadzić kolejny eksperyment, ostrożnie umieść termometr w butelce z przechłodzoną wodą. Powinien on wskazywać temperaturę znacznie poniżej 0°C. Teraz wrzuć mały kawałek lodu do butelki, aby zainicjować zamarzanie i obserwuj wzrost temperatury w miarę zamarzania wody, aż w końcu osiągnie ona 0°C. Gdy woda zamarza, uwalnia ciepło (zwane utajonym ciepłem syntezy), a to ciepło nie ma dokąd uciec, tylko do reszty wody i lodu w butelce, który w rzeczywistości przetapia część lodu, który właśnie zamarzł. To dlatego butelka nie zamarza w twardy lód, ale tworzy bardzo mokry, brejowaty lód. Ponieważ lód i woda są teraz w równowadze, ich temperatura musi być równa temperaturze zamarzania, czyli 0°C.