Zamrażanie i ruch molekularny
Gdy woda zamarza, zwykle przechodzi z cieczy do stanu stałego. Jako ciecz, cząsteczki wody są w ciągłym ruchu, zderzają się ze sobą i przepychają, nigdy nie pozostając długo w jednym miejscu. Kiedy woda zamarza, cząsteczki spowalniają i osadzają się na miejscu, układając się w regularne formacje, które widzisz jako kryształy. W przypadku czystej wody temperatura musi spaść do 32 stopni Fahrenheita (zero stopni Celsjusza), aby tak się stało. W przypadku każdej substancji temperatura, w której następuje zamarzanie, zależy od sił, które powodują sklejanie się jej cząsteczek.
Lepkie cząsteczki i punkt zamarzania
Wszystkie cząsteczki i atomy mają siły, które przyciągają się do siebie. Niektóre atomy, takie jak węgiel, trzymają się bardzo silnie; inne, takie jak hel, mają bardzo małą siłę przyciągania. Substancje o silnych siłach przyciągania zamarzają w temperaturach tysięcy stopni Fahrenheita, podczas gdy te, których siły są słabe, takie jak azot, zamarzają w bardzo niskich temperaturach. Przyciąganie między cząsteczkami wody jest umiarkowane – ani słabe, ani silne – więc woda zamarza w skromnych 32 stopniach Fahrenheita.
Depresja punktu zamarzania
Jeśli do wody dodasz inne substancje, takie jak cukier lub sól, temperatura spadnie poniżej 32 stopni, zanim zacznie tworzyć się lód. Nowa temperatura zamarzania zależy od dodanej substancji i ilości zmieszanej z wodą, dlatego w niektórych stanach miasta nakładają sól na drogi, aby zimą usunąć lód i śnieg. Jako inny przykład, wódka, mieszanina wody i alkoholu, pozostaje płynna przez dłuższy czas, gdy jest przechowywana w zamrażarce. Alkohol w wódce znacznie obniża temperaturę zamarzania.
Zamrażanie, ekspansja i tworzenie kryształów
Większość substancji kurczy się lub kurczy, gdy stygnie. Woda kurczy się tylko, dopóki nie zostanie obniżona do 39 stopni; w niższych temperaturach zaczyna się rozszerzać. Gdy woda staje się zimniejsza, jej molekuły zwalniają i układają się tak, że pomiędzy grupami molekuł powstają przerwy. Gdy stają się zimniejsze, cząsteczki tworzą sześciokątne wzory, które ostatecznie stają się płatkami śniegu i powiązanymi kryształami.
Ekspansja siły lodu
Jeśli napełnisz butelkę całkowicie napełnioną wodą, a następnie zamkniesz ją pokrywką przed włożeniem do zamrażarki, woda rozszerzy się, gdy stanie się zimniejsza. W końcu lód pęknie w butelce. Dotyczy to nawet pojemników wykonanych z mocnych materiałów, takich jak żelazo; ciśnienie wywierane przez zamarzającą wodę wynosi aż 40 000 psi przy minus 7,6 stopnia Fahrenheita (minus 22 stopnie Celsjusza).