Hur fryser vatten?

När vatten fryser passerar det vanligtvis från vätskan till fast tillstånd. Som en vätska är vattenmolekyler i konstant rörelse, stöter och stöter på varandra och stannar aldrig länge på ett ställe. När vatten fryser saktar molekylerna ner och sätter sig på plats och ställer sig upp i regelbundna formationer som du ser som kristaller. För rent vatten måste temperaturen sjunka till 32 grader Fahrenheit (noll grader Celsius) för att detta ska hända. För alla ämnen beror temperaturen vid vilken frysning sker på krafter som får dess molekyler att hålla ihop.

Alla molekyler och atomer har krafter som lockar varandra till varandra. Vissa atomer, såsom kol, håller fast på varandra mycket starkt; andra, såsom helium, har väldigt lite attraktionskraft. Ämnen med starka attraktiva krafter fryser vid tusentals grader Fahrenheit, medan de vars svaga krafter, såsom kväve, fryser vid mycket kalla temperaturer. Attraktionen mellan vattenmolekyler är måttlig - varken svag eller kraftfull - så vatten fryser vid blygsamma 32 grader Fahrenheit.

Om du lägger till andra ämnen i vatten, som socker eller salt, sjunker temperaturen under 32 grader innan is börjar bildas. Den nya fryspunkten beror på det tillsatta ämnet och hur mycket du blandar med vatten, och det är därför städer lägger salt på vägarna i vissa stater för att ta bort is och snö på vintern. Som ett annat exempel förblir vodka, en blandning av vatten och alkohol, flytande under en längre tid när den förvaras i en frys. Alkoholen i vodka sänker fryspunkten avsevärt.

De flesta ämnen dras samman eller krymper i volym när de blir kalla. Vatten samlas bara tills det sänks till 39 grader; vid kallare temperaturer börjar den expandera. När vattnet blir kallare saktar dess molekyler och ordnar sig så att det finns luckor mellan grupper av molekyler. När de blir kallare bildar molekylerna sexkantiga mönster som så småningom blir snöflingor och relaterade kristaller.

Om du fyller en flaska helt fylld med vatten, förseglar du den med lock innan du lägger den i en frys, vattnet expanderar när det blir kallare. Så småningom kommer isen att spränga flaskan. Detta gäller även för behållare gjorda av starka material som järn; trycket som utövas av frysvatten är så högt som 40000 psi vid minus 7,6 grader Fahrenheit (minus 22 grader Celsius).