Ce se întâmplă cu apa când îngheață; Știința în dialog

Ce se întâmplă cu apa când îngheață?

La îngheț, moleculele de apă formează cristale. Moleculele sunt conectate între ele prin așa-numitele legături de hidrogen. Acestea se bazează pe forțe de atracție electrostatice slabe între atomii de hidrogen încărcați pozitiv și atomii de oxigen încărcați negativ ai moleculelor de apă. Aceste legături există și în apa lichidă. Cu toate acestea, ele sunt în mod constant reconstruite acolo. În picosecunde, legăturile se rup și se fac altele noi. (O picosecundă este egală cu o milionime dintr-o milionime de secundă.)

Dacă temperatura (la presiune normală) scade sub punctul de îngheț de zero grade Celsius, interacțiunea atractivă dintre moleculele de apă devine mai mare decât excitația termică. Structura cristalină se poate dezvolta. În cristal, fiecare moleculă de apă este înconjurată de alte patru. Această structură se numește tetraedrică. În același timp, șase molecule de apă sunt întotdeauna unite pentru a forma un inel. Chimiștii se referă la această rețea cristalină drept hexagonală.

Procesul de cristalizare este facilitat de așa-numitele nuclee de cristalizare, care sunt formate prin interferențe sub formă de particule de praf sau vibrații ușoare. Fără aceste nuclee de cristalizare, adică dacă apa este foarte pură și este, de asemenea, o cantitate mică de câțiva microlitri, apa poate fi răcită până la minus 38 de grade Celsius fără a se transforma în gheață. Această apă supraîncălzită se află într-o stare metastabilă.

Când îngheață, apa se extinde. Moleculele din cristalul de gheață ocupă mai mult spațiu decât în apa (lichidă). Deci gheața are o densitate mai mică și poate pluti pe apă. Odată ce apa a înghețat, densitatea nu se mai schimbă relevantă. O singură formă de gheață apare în condiții naturale pe pământ. Diferite forme apar la presiuni mai mari și/sau temperaturi mai scăzute. Până în prezent, sunt cunoscute 14 forme de gheață cristalină diferite. Ele diferă între ele prin distanța dintre atomii de oxigen, dar în esență prin diferitele poziții ale atomilor de hidrogen. În plus, există forme de gheață amorfă care nu au o structură cristalină ordonată. Până în prezent, în spațiu s-a găsit doar gheață amorfă.

Spre deosebire de majoritatea celorlalte lichide, temperatura de topire a gheții scade atunci când presiunea crește. Apa îngheață doar la temperaturi sub zero grade Celsius. Chimiștii se referă la aceasta drept anomalie a presiunii apei. Acest lucru permite patinarea pe gheață. Presiunea exercitată de greutatea patinatorului pe gheață scade temperatura de topire și decongelează stratul superior de gheață. Patinatorul poate aluneca ușor pe acest film de apă.

În gheață, structura cristalină continuă periodic în toate direcțiile. Cu toate acestea, atunci când un cristal de gheață poate crește liber în spațiu, se creează zăpadă. Aceasta constă din multe cristale de gheață ramificate individuale, filigranate. Cristalele individuale sunt create atunci când cele mai fine picături de apă aderă la un miez de cristalizare, de ex. Particulele de praf se acumulează și îngheață.

Temperatura gheții din patinoarele este de aproximativ minus patru grade Celsius. O răcire mai profundă ar consuma prea multă energie. Temperatura nu trebuie să fie mai mare din cauza transferului de căldură. Aerul din hol are o temperatură semnificativ mai mare și ar dezgheța stratul superior de gheață. Cu toate acestea, gheața rece de minus patru grade se răcește de jos în același timp, astfel încât stratul de gheață să rămână suficient de ferm la suprafață. Între timp, s-au depus eforturi reușite pentru a produce gheață artificială într-un mod economisitor de energie la minus două grade.

La întrebare a primit răspuns prof. Dr. Ralf Ludwig, Departamentul de chimie fizică la Universitatea din Rostock.