Hoe bevriest water?

Wanneer water bevriest, gaat het meestal van de vloeistof naar de vaste toestand. Als vloeistof zijn watermoleculen constant in beweging, botsen en verdringen elkaar en blijven nooit lang op één plek. Wanneer water bevriest, vertragen de moleculen en vallen ze op hun plaats, in regelmatige formaties die je als kristallen ziet. Voor zuiver water moet de temperatuur dalen tot 32 graden Fahrenheit (nul graden Celsius) om dit te laten gebeuren. Voor elke stof hangt de temperatuur waarbij bevriezing optreedt af van de krachten die ervoor zorgen dat de moleculen aan elkaar blijven plakken.

Alle moleculen en atomen hebben krachten die elkaar aantrekken. Sommige atomen, zoals koolstof, houden elkaar heel sterk vast; andere, zoals helium, hebben heel weinig aantrekkingskracht. Stoffen met sterke aantrekkende krachten bevriezen bij duizenden graden Fahrenheit, terwijl stoffen waarvan de krachten zwak zijn, zoals stikstof, bij zeer koude temperaturen bevriezen. De aantrekkingskracht tussen watermoleculen is matig - niet zwak of krachtig - dus water bevriest bij een bescheiden 32 graden Fahrenheit.

Als je andere stoffen aan water toevoegt, zoals suiker of zout, zakt de temperatuur onder de 32 graden voordat er ijs begint te vormen. Het nieuwe vriespunt hangt af van de toegevoegde stof en hoeveel je met water mengt. Daarom leggen steden in sommige staten zout op de wegen om in de winter ijs en sneeuw te verwijderen. Een ander voorbeeld: wodka, een mengsel van water en alcohol, blijft gedurende een langere periode vloeibaar als het in de vriezer wordt bewaard. De alcohol in de wodka verlaagt het vriespunt aanzienlijk.

De meeste stoffen krimpen of krimpen in volume als ze koud worden. Water trekt alleen samen totdat het is verlaagd tot 39 graden; bij koudere temperaturen begint het uit te zetten. Naarmate het water kouder wordt, worden de moleculen langzamer en rangschikken ze zichzelf zodanig dat er gaten ontstaan ​​tussen groepen moleculen. Naarmate ze kouder worden, vormen de moleculen hexagonale patronen die uiteindelijk sneeuwvlokken en verwante kristallen worden.

Als je een fles volledig met water vult, sluit hem dan af met een deksel voordat je hem in de vriezer legt, het water zet uit naarmate het kouder wordt. Uiteindelijk zal het ijs de fles doen barsten. Dit geldt zelfs voor containers gemaakt van sterke materialen zoals ijzer; de druk die wordt uitgeoefend door bevriezend water is zo hoog als 40.000 psi bij min 7,6 graden Fahrenheit (min 22 graden Celsius).