br>O que está a acontecer:
A maior parte das pessoas acredita que a água congela sempre a exactamente 32°F ou 0°C. Embora seja verdade que a água gelada pura começa sempre a derreter a 0°C, a água líquida – mesmo a água pura – não congela necessariamente a esta temperatura, e pode permanecer um líquido a temperaturas muito mais frias (ver a ligação abaixo). A isto chama-se água super-refrigerada. A razão pela qual isto pode acontecer (não apenas para água, mas para muitas substâncias que formam cristais no seu estado sólido) é que as moléculas de um líquido comportam-se de forma um pouco diferente das moléculas no estado sólido (onde estão firmemente fechadas num arranjo ordenado ou numa malha de cristal) ou no estado gasoso (onde são completamente independentes). Tudo o que é necessário para um sólido derreter é o calor, que fornece a energia para que a grelha de cristal se parta e se torne líquida. Por outro lado, o simples arrefecimento das moléculas num líquido não as faz formar um sólido. As moléculas devem começar a organizar-se e formar uma grelha de cristal ordenada, e isto requer um pouco mais de energia (este tipo de energia “emprestada” é chamada o calor latente da fusão). Pense desta forma: é muito mais fácil destruir um barco do que construir um a partir do zero. É preciso alguma reflexão e cuidado para começar a construir o seu barco a partir das peças individuais. Formar um sólido a partir de moléculas líquidas individuais é semelhante, as primeiras moléculas devem mover-se para a posição e alinhamento adequados para começar a construir a malha de cristal correcta. Uma vez que esta grelha começa a formar-se, torna-se muito mais fácil para outras moléculas líquidas fixarem e continuarem a crescer a grelha de cristais. Quanto mais frio um líquido se torna, mais provável é que algumas das moléculas formem esse primeiro cristal, mas se não se moverem muito, isso pode não acontecer. É por isso que tivemos muito cuidado em não perturbar as garrafas até que quiséssemos que elas congelassem. Bater ou agitar a garrafa fez com que as moléculas se movessem de modo a que se tornasse mais provável que algumas se movessem para a disposição adequada e formassem um cristal (chamado cristal de semente), depois o resto das moléculas rapidamente se apegassem, e a garrafa inteira congelasse.
O ponto de congelamento ou de fusão de uma substância é na realidade definido como a temperatura a que as fases líquida e sólida se encontram em equilíbrio. Para água pura, isto significa que o gelo está a derreter exactamente ao mesmo ritmo que a água líquida está a congelar, de modo a que a quantidade líquida de cada uma permaneça praticamente inalterada, e isso ocorre exactamente a 0°C. Este equilíbrio perfeito pode parecer muito difícil de alcançar, mas na verdade, desde que o seu banho contenha muito gelo e água, e não esteja a adicionar ou a remover demasiado calor externo (isto é, o refrigerador está bem isolado), as fases encontrarão o seu equilíbrio e a temperatura estabilizará ayt 0°C. É por isso que deveria ter medido 0°C (dependendo da precisão do seu termómetro) na etapa 2. Quando a água de uma garrafa é super-refrigerada (abaixo de 0°C), não está em equilíbrio, uma vez que não há gelo. Mas quando o primeiro cristal sólido se forma, a quantidade de gelo aumenta à medida que mais água congela e a mistura atinge rapidamente o equilíbrio a 0°C – ou seja, a temperatura sobe à medida que a água congela, libertando o calor latente da fusão (ver Experiências Adicionais abaixo). É por isso que o gelo na garrafa é muito macio e viscoso, em vez de congelado com força. Para congelar a garrafa com força é necessário remover este calor extra de alguma forma, talvez colocando de novo no refrigerador.
Para super arrefecer uma garrafa de água é necessário baixar a sua temperatura abaixo do ponto normal de equilíbrio de congelação, removendo o calor. Uma vez que o calor só flui de objectos mais quentes para objectos mais frios, é necessário colocar a garrafa em contacto com algo mais frio, tal como o ar frio num congelador. Mas a maioria dos congeladores domésticos são normalmente colocados a cerca de -20 a -40°C, pelo que deixar a garrafa no congelador demasiado tempo irá baixar tanto a temperatura que é quase certo formar um cristal de sementes algures e depois congelar completamente. A menos que se possa colocar um termómetro dentro da garrafa, deve-se verificá-lo frequentemente e retirá-lo assim que estiver super-refrigerado mas não congelado, o que pode ser complicado. Outro problema com este método é que a maioria dos congeladores utiliza motores que causam vibrações, e tal como quando se bate na garrafa, pode formar um cristal de semente e congelar a água. Poder-se-ia usar o banho de água gelada que se preparou no Passo 2 para arrefecer a água, mas este banho está em equilíbrio a 0°C, pelo que só se pode arrefecer as garrafas a esta temperatura, que não é suficientemente fria para congelar instantaneamente a água. Para super-refrigerar as suas garrafas é necessário um banho de água gelada muito mais frio que 0°C.
Felizmente a água líquida (ou qualquer solvente) tem outra propriedade muito útil – o ponto de congelação de uma solução (qualquer coisa dissolvida num solvente) é sempre inferior ao ponto de congelação do solvente puro. No nosso caso, isto significa que o sal dissolvido na água (o solvente) baixa o ponto de congelação da solução de água salgada, ou seja, tem de se obter mais frio do que a água pura antes de congelar. É por isso que é muito mais difícil congelar a água do mar do que a água doce. Note-se que isto não é o mesmo que água super-refrigerada; a água salgada é uma solução, não água pura. É também por isso que se polvilha sal numa estrada gelada para a derreter. O sal dissolve-se na camada fina de água líquida que está normalmente presente na superfície (a menos que o gelo seja muito, muito frio), baixando a temperatura necessária para que o gelo permaneça congelado. Quanto mais sal se dissolve, mais baixo é o ponto de congelação. Não importa que tipo de sal (ou qualquer outra coisa) se utilize, apenas quanto se dissolve na água. A isto chama-se uma propriedade coligativa, o que significa que depende apenas do número de partículas, e não do seu tipo. Como o gelo sólido é normalmente muito mais frio do que 0°C (mediu isso na etapa 1), a adição de gelo a uma solução de água salgada reduz a temperatura da solução. E uma vez que o ponto de congelação deste banho de solução de água salgada e gelo (a temperatura em que o congelamento e a fusão estão em equilíbrio) é inferior à de um banho de água pura com gelo, podemos utilizá-lo para super arrefecer as nossas garrafas de água pura. Adicionando sal suficiente, é relativamente fácil preparar um banho que é -10°C ou mais frio.
Variações e Actividades Relacionadas:
Há outras formas interessantes de congelar instantaneamente água super-refrigerada. Muito cuidadosamente desenrosque a tampa de uma das suas garrafas sem congelar a água. Deixar cair um pequeno pedaço de gelo na água e observar como este começa a congelar instantaneamente na garrafa. Uma vez que este pedaço já é sólido, serve como o cristal de sementes ao qual as moléculas líquidas se podem facilmente fixar. Também se pode tentar verter lentamente água líquida super-resfriada da garrafa para um prato com um pequeno pedaço de gelo. A água congelará à medida que atinge o gelo, continuando depois a congelar até à corrente de escoamento e para dentro da garrafa. Para outra experiência, colocar cuidadosamente um termómetro na garrafa de água líquida super-refrigerada. Deve ler uma temperatura bem abaixo de 0°C. Agora, deixar cair um pequeno pedaço de gelo na garrafa para iniciar a congelação e observar o aumento da temperatura à medida que a água congela, até finalmente atingir 0°C. À medida que a água congela, liberta calor (chamado calor latente de fusão), e este calor não tem para onde ir excepto para o resto da água e gelo da garrafa, o que na realidade faz lembrar algum do gelo que acabou de congelar. É por isso que a garrafa não congela em gelo duro, mas forma um gelo muito húmido e viscoso. Uma vez que o gelo e a água estão agora em equilíbrio, a sua temperatura deve estar no ponto de congelação, ou 0°C.