น้ำแข็งตัวได้อย่างไร?

เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง มันมักจะผ่านจากของเหลวไปยังสถานะของแข็ง ในฐานะที่เป็นของเหลว โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่ตลอดเวลา กระแทกและกระแทกซึ่งกันและกัน และไม่เคยอยู่ในที่เดียวเป็นเวลานาน เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง โมเลกุลจะช้าลงและจับตัวเข้าที่ เรียงตัวกันเป็นรูปผลึกปกติ สำหรับน้ำบริสุทธิ์ อุณหภูมิต้องลดลงถึง 32 องศาฟาเรนไฮต์ (ศูนย์องศาเซลเซียส) จึงจะเกิดขึ้นได้ สำหรับสารใดๆ อุณหภูมิที่เกิดจุดเยือกแข็งนั้นขึ้นอยู่กับแรงที่ทำให้โมเลกุลของสารนั้นเกาะติดกัน

โมเลกุลและอะตอมทั้งหมดมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน อะตอมบางชนิด เช่น คาร์บอน ยึดติดกันอย่างแน่นหนา อื่นๆ เช่น ฮีเลียม มีแรงดึงดูดน้อยมาก สารที่มีแรงดึงดูดอย่างแรงจะแข็งตัวที่อุณหภูมิหลายพันฟาเรนไฮต์ ในขณะที่สารที่มีกำลังอ่อน เช่น ไนโตรเจน จะแข็งตัวที่อุณหภูมิเยือกแข็งมาก แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำอยู่ในระดับปานกลาง – ไม่อ่อนหรือแรง – ดังนั้นน้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 32 องศาฟาเรนไฮต์เล็กน้อย

หากคุณเติมสารอื่นๆ ลงในน้ำ เช่น น้ำตาลหรือเกลือ อุณหภูมิจะลดลงต่ำกว่า 32 องศาก่อนที่น้ำแข็งจะเริ่มก่อตัว จุดเยือกแข็งใหม่ขึ้นอยู่กับสารที่เติมเข้าไปและปริมาณที่คุณผสมกับน้ำ และนี่คือเหตุผลที่เมืองต่างๆ ใส่เกลือลงบนถนนในบางรัฐเพื่อขจัดน้ำแข็งและหิมะในฤดูหนาว อีกตัวอย่างหนึ่ง วอดก้าซึ่งเป็นส่วนผสมของน้ำและแอลกอฮอล์จะคงสภาพของเหลวไว้ได้นานเมื่อเก็บไว้ในช่องแช่แข็ง แอลกอฮอล์ในวอดก้าช่วยลดจุดเยือกแข็งได้อย่างมาก

สารส่วนใหญ่จะหดตัวหรือหดตัวในปริมาณที่เย็นลง น้ำจะหดตัวจนกระทั่งอุณหภูมิลดลงเหลือ 39 องศา ที่อุณหภูมิที่เย็นกว่าจะเริ่มขยายตัว เมื่อน้ำเย็นลง โมเลกุลของมันจะช้าลงและจัดเรียงตัวเพื่อให้มีช่องว่างระหว่างกลุ่มของโมเลกุล เมื่ออากาศเย็นลง โมเลกุลจะก่อตัวเป็นรูปหกเหลี่ยมซึ่งในที่สุดก็กลายเป็นเกล็ดหิมะและผลึกที่เกี่ยวข้องกัน

หากคุณเติมน้ำลงในขวดจนหมด ให้ปิดฝาก่อนนำไปแช่ช่องแช่แข็ง น้ำจะขยายตัวเมื่อเย็นขึ้น ในที่สุดน้ำแข็งจะแตกขวด สิ่งนี้เป็นจริงแม้กระทั่งกับภาชนะที่ทำจากวัสดุที่แข็งแรง เช่น เหล็ก ความดันที่เกิดจากน้ำเย็นจัดจะสูงถึง 40,000 psi ที่อุณหภูมิลบ 7.6 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 22 องศาเซลเซียส)