Come si congela l'acqua?

Quando l'acqua gela di solito passa dallo stato liquido allo stato solido. Come un liquido, le molecole d'acqua sono in costante movimento, si scontrano e si spingono a vicenda e non rimangono mai a lungo in un posto. Quando l'acqua si congela, le molecole rallentano e si sistemano in posizione, allineandosi in formazioni regolari che vedi come cristalli. Per l'acqua pura, la temperatura deve scendere a 32 gradi Fahrenheit (zero gradi Celsius) affinché ciò accada. Per qualsiasi sostanza, la temperatura alla quale si verifica il congelamento dipende dalle forze che fanno aderire le sue molecole.

Tutte le molecole e gli atomi hanno forze che si attraggono l'una all'altra. Alcuni atomi, come il carbonio, si tengono molto saldamente l'uno all'altro; altri, come l'elio, hanno pochissima forza attrattiva. Le sostanze con forti forze attrattive si congelano a migliaia di gradi Fahrenheit, mentre quelle le cui forze sono deboli, come l'azoto, congelano a temperature molto rigide. L'attrazione tra le molecole d'acqua è moderata, né debole né potente, quindi l'acqua si congela a una modesta temperatura di 32 gradi Fahrenheit.

Se si aggiungono altre sostanze all'acqua, come zucchero o sale, la temperatura scende sotto i 32 gradi prima che inizi a formarsi il ghiaccio. Il nuovo punto di congelamento dipende dalla sostanza aggiunta e da quanto si mescola con l'acqua, ed è per questo che le città mettono sale sulle strade in alcuni stati per rimuovere ghiaccio e neve in inverno. Come altro esempio, la vodka, una miscela di acqua e alcol, rimane liquida per un lungo periodo se conservata in un congelatore. L'alcol nella vodka abbassa significativamente il punto di congelamento.

La maggior parte delle sostanze si contrae, o si restringe, di volume quando si raffredda. L'acqua si contrae solo fino a quando non si abbassa a 39 gradi; a temperature più fredde, inizia ad espandersi. Man mano che l'acqua si raffredda, le sue molecole rallentano e si dispongono in modo tale da creare spazi tra i gruppi di molecole. Man mano che si raffreddano, le molecole formano modelli esagonali che alla fine diventano fiocchi di neve e relativi cristalli.

Se riempi una bottiglia completamente piena d'acqua, quindi chiudila con un coperchio prima di metterla nel congelatore, l'acqua si espande man mano che si raffredda. Alla fine, il ghiaccio farà scoppiare la bottiglia. Questo vale anche per i contenitori realizzati con materiali resistenti come il ferro; la pressione esercitata dal congelamento dell'acqua raggiunge i 40.000 psi a meno 7,6 gradi Fahrenheit (meno 22 gradi Celsius).