Zwei Arten von Veränderungen, eine chemische und eine physikalische, können den Gefrierpunkt einer Substanz beeinflussen. Sie können den Gefrierpunkt einiger Flüssigkeiten senken, indem Sie ihnen eine zweite, lösliche Substanz mischen; So verhindert Streusalz, dass Schmelzwasser bei kalten Temperaturen nicht wieder gefriert. Der physikalische Ansatz, den Druck zu ändern, kann auch den Gefrierpunkt einer Flüssigkeit senken; Es kann auch ungewöhnliche feste Formen einer Substanz erzeugen, die bei normalem atmosphärischem Druck nicht zu sehen sind.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Frostschutzmittel senkt den Gefrierpunkt von Wasser und hält es bei niedrigen Temperaturen flüssig. Sowohl Zucker als auch Salz tun dies ebenfalls, wenn auch in geringerem Maße.
Wenn Moleküle einfrieren
Elektrische Kräfte zwischen Molekülen bestimmen die Temperaturen, bei denen eine Substanz gefriert und siedet; je stärker die Kräfte, desto höher die Temperatur. Viele Metalle zum Beispiel werden durch starke Kräfte gebunden; Der Schmelzpunkt von Eisen liegt bei 1.535 Grad Celsius (2.797 Grad Fahrenheit). Die Kräfte zwischen Wassermolekülen sind wesentlich schwächer; Wasser gefriert bei null Grad C (32 Grad F). Lösungsmittelgemische und Druckschwankungen reduzieren die Kräfte zwischen Molekülen und senken den Gefrierpunkt von Flüssigkeiten.
Mischen Sie es zusammen
Indem Sie eine Flüssigkeit mit einer anderen kompatiblen Substanz mischen, senken Sie den Gefrierpunkt der Flüssigkeit. Die Stoffe müssen verträglich sein, um eine vollständige Durchmischung zu gewährleisten; Öl und Wasser zum Beispiel trennen sich und verändern den Gefrierpunkt nicht. Eine Mischung aus Kochsalz und Wasser hat einen niedrigeren Gefrierpunkt, ebenso wie eine Wasser-Alkohol-Mischung. Chemiker können den Gefrierpunkt-Temperaturunterschied vorhersagen, indem sie eine Formel anwenden, die die Mengen der beteiligten Substanz und eine mit der zweiten Substanz verbundene Konstante berücksichtigt. Wenn Sie beispielsweise für Wasser und Natriumchlorid berechnen und das Ergebnis -2 ist, bedeutet dies, dass der Gefrierpunkt der Mischung um 2 °C (3,6 °F) niedriger ist als bei reinem Wasser.
Den Druck abbauen
Druckänderungen können den Gefrierpunkt eines Stoffes erhöhen oder erniedrigen. Im Allgemeinen senken Drücke von weniger als 1 Atmosphäre die Temperatur, bei der eine Substanz gefriert, aber für Wasser führt ein höherer Druck zu einem niedrigeren Gefrierpunkt. Die Kraft einer Druckänderung geht in die bereits in einem Stoff wirkenden molekularen Kräfte ein. Bei Wasser mit niedrigem Druck wird Dampf direkt zu Eis, ohne flüssig zu werden.
Erstaunliches heißes Eis
Wasser hat mehrere feste Phasen, die jeweils bei unterschiedlichen Drücken beobachtet werden. Standardeis, das Wissenschaftler "Ice I" nennen, existiert bei Atmosphärendruck und hat eine charakteristische hexagonale Kristallstruktur. Bei Temperaturen unter minus 80 Grad C (minus 112 Grad F) können sich kubische Eiskristalle aus Dampf bei 1 Atmosphäre Druck bilden. Bei hohem Druck bilden sich exotische Eisarten; Wissenschaftler identifizieren sie als Ice II bis Ice XV. Diese Eisformen können bei Temperaturen über 100 °C (212 °F) fest bleiben – dem Siedepunkt von Wasser bei 1 Atmosphäre Druck.