Gel et mouvement moléculaire
Lorsque l'eau gèle, elle passe généralement de l'état liquide à l'état solide. En tant que liquide, les molécules d'eau sont en mouvement constant, se heurtent et se bousculent et ne restent jamais longtemps au même endroit. Lorsque l'eau gèle, les molécules ralentissent et se mettent en place, s'alignant en formations régulières que vous voyez comme des cristaux. Pour l'eau pure, la température doit chuter à 32 degrés Fahrenheit (zéro degré Celsius) pour que cela se produise. Pour toute substance, la température à laquelle se produit la congélation dépend des forces qui font que ses molécules se collent.
Molécules collantes et point de congélation
Toutes les molécules et tous les atomes ont des forces qui s'attirent l'une vers l'autre. Certains atomes, comme le carbone, s'accrochent très fortement; d'autres, comme l'hélium, ont très peu de force d'attraction. Les substances avec de fortes forces d'attraction gèlent à des milliers de degrés Fahrenheit, tandis que celles dont les forces sont faibles, comme l'azote, gèlent à des températures très glaciales. L'attraction entre les molécules d'eau est modérée - ni faible ni puissante - donc l'eau gèle à un modeste 32 degrés Fahrenheit.
Abaissement du point de congélation
Si vous ajoutez d'autres substances à l'eau, comme du sucre ou du sel, la température descend en dessous de 32 degrés avant que la glace ne commence à se former. Le nouveau point de congélation dépend de la substance ajoutée et de la quantité que vous mélangez avec de l'eau, et c'est pourquoi les villes mettent du sel sur les routes dans certains États pour éliminer la glace et la neige en hiver. Autre exemple, la vodka, un mélange d'eau et d'alcool, reste liquide pendant une période prolongée lorsqu'elle est conservée au congélateur. L'alcool contenu dans la vodka abaisse considérablement le point de congélation.
Congélation, expansion et formation de cristaux
La plupart des substances se contractent ou rétrécissent en volume lorsqu'elles refroidissent. L'eau ne se contracte que jusqu'à ce qu'elle soit abaissée à 39 degrés; à des températures plus froides, il commence à se dilater. Au fur et à mesure que l'eau se refroidit, ses molécules ralentissent et s'arrangent de telle sorte qu'il existe des écarts entre les groupes de molécules. À mesure qu'elles se refroidissent, les molécules forment des motifs hexagonaux qui finissent par devenir des flocons de neige et des cristaux apparentés.
Force d'expansion de la glace
Si vous remplissez une bouteille complètement remplie d'eau, puis fermez-la avec un couvercle avant de la mettre au congélateur, l'eau se dilate à mesure qu'elle refroidit. Finalement, la glace fera éclater la bouteille. Cela est vrai même pour les conteneurs faits de matériaux solides tels que le fer; la pression exercée par l'eau glacée atteint 40 000 psi à moins 7,6 degrés Fahrenheit (moins 22 degrés Celsius).
