Πώς παγώνει το νερό;

Όταν το νερό παγώνει συνήθως περνά από το υγρό στη στερεή κατάσταση. Ως υγρό, τα μόρια του νερού βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, χτυπούν και χτυπούν το ένα το άλλο και δεν μένουν ποτέ σε ένα μέρος για πολύ. Όταν το νερό παγώνει, τα μόρια επιβραδύνονται και καθιζάνουν στη θέση τους, ευθυγραμμισμένα σε κανονικούς σχηματισμούς που βλέπετε ως κρύσταλλα. Για καθαρό νερό, η θερμοκρασία πρέπει να μειωθεί σε 32 βαθμούς Φαρενάιτ (μηδέν βαθμούς Κελσίου) για να συμβεί αυτό. Για οποιαδήποτε ουσία, η θερμοκρασία στην οποία λαμβάνει χώρα η κατάψυξη εξαρτάται από τις δυνάμεις που κάνουν τα μόρια να κολλάνε μεταξύ τους.

Όλα τα μόρια και τα άτομα έχουν δυνάμεις που προσελκύουν το ένα στο άλλο. Μερικά άτομα, όπως ο άνθρακας, συγκρατούν το ένα το άλλο πολύ έντονα. Άλλοι, όπως το ήλιο, έχουν πολύ μικρή ελκυστική δύναμη. Ουσίες με ισχυρές ελκυστικές δυνάμεις παγώνουν σε χιλιάδες βαθμούς Φαρενάιτ, ενώ εκείνες των οποίων οι δυνάμεις είναι αδύναμες, όπως το άζωτο, παγώνουν σε πολύ ψυχρές θερμοκρασίες. Η έλξη μεταξύ των μορίων του νερού είναι μέτρια - ούτε αδύναμη ούτε ισχυρή - έτσι το νερό παγώνει σε μέτριους 32 βαθμούς Φαρενάιτ.

Εάν προσθέσετε άλλες ουσίες στο νερό, όπως ζάχαρη ή αλάτι, η θερμοκρασία πέφτει κάτω από 32 βαθμούς πριν αρχίσει να σχηματίζεται πάγος. Το νέο σημείο πήξης εξαρτάται από την προστιθέμενη ουσία και το πόσο αναμιγνύετε με νερό, και αυτός είναι ο λόγος που οι πόλεις βάζουν αλάτι στους δρόμους σε ορισμένες πολιτείες για να αφαιρέσουν τον πάγο και το χιόνι το χειμώνα. Ως άλλο παράδειγμα, η βότκα, ένα μείγμα νερού και αλκοόλ, παραμένει υγρό για μεγάλο χρονικό διάστημα όταν φυλάσσεται σε καταψύκτη. Το αλκοόλ στη βότκα μειώνει σημαντικά το σημείο πήξης.

Οι περισσότερες ουσίες συστέλλονται ή συρρικνώνονται σε όγκο καθώς κρυώνουν. Το νερό συστέλλεται μόνο μέχρι να μειωθεί στους 39 βαθμούς. σε ψυχρότερες θερμοκρασίες, αρχίζει να επεκτείνεται. Καθώς το νερό γίνεται πιο κρύο, τα μόρια του επιβραδύνονται και τακτοποιούνται έτσι ώστε να υπάρχουν κενά μεταξύ ομάδων μορίων. Καθώς γίνονται πιο κρύα, τα μόρια σχηματίζουν εξαγωνικά μοτίβα που τελικά γίνονται νιφάδες χιονιού και σχετικοί κρύσταλλοι.

Εάν γεμίσετε ένα μπουκάλι εντελώς γεμάτο με νερό, τότε σφραγίστε το με ένα καπάκι πριν το βάλετε σε καταψύκτη, το νερό διαστέλλεται καθώς γίνεται πιο κρύο. Τελικά, ο πάγος θα σκάσει το μπουκάλι. Αυτό ισχύει ακόμη και για δοχεία κατασκευασμένα από ισχυρά υλικά όπως σίδερο. η πίεση που ασκείται από το νερό κατάψυξης είναι έως 40.000 psi σε μείον 7,6 βαθμούς Φαρενάιτ (μείον 22 βαθμοί Κελσίου).