¿Por qué se congela el agua? ¿Cuál es el proceso de congelación?
¿Pero es realmente así? Hoy hablemos de la ciencia de la congelación del agua.
Hielo
El punto de congelación del agua es en realidad muy inferior a 0 ℃
Cuando metemos un vaso de agua del grifo en el frigorífico, se congelará hielo a 0 ℃, lo que parece confirmar la afirmación del libro de texto. Pero si eres germófobo y lavas la taza muy limpia y luego viertes una taza de agua destilada en el refrigerador, puedes encontrarte con un fenómeno extraño: lo que sacas del refrigerador sigue siendo una taza de agua cuando pones el agua. taza sobre la mesa, le metes una pajita y se congela.
Si no te gusta la molestia de lavar tazas, también puedes poner agua purificada comprada en el supermercado directamente en el congelador y conseguir efectos similares. El requisito previo para el éxito de este experimento es que lo que guardes en el frigorífico sea agua pura o agua destilada, no es buena agua mineral. Al mismo tiempo, debes tener mucho cuidado al sacar la botella. el refrigerador. Hablemos de este principio a continuación.
Experimento con agua sobreenfriada
Debes haberlo pensado si eres inteligente. Este fenómeno se llama "sobreenfriamiento". En otras palabras, el agua que se saca con cuidado del frigorífico en realidad está por debajo de 0°C, pero si no se cumplen determinadas condiciones, no se congelará y se convertirá en hielo.
¿Por qué se congela el agua?
El agua es líquida a temperatura ambiente y está formada por innumerables moléculas de agua. Cada molécula de agua tiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Hay dos pares de electrones solitarios en la capa más externa del átomo de oxígeno. Es fácil obtener dos electrones del mundo exterior, mientras que el hidrógeno tiene un electrón. De esta manera, el oxígeno y dos átomos de hidrógeno se combinan para formar una molécula de agua. la forma de la cabeza de Mickey Mouse. Los dos átomos de hidrógeno. Como las orejas de Mickey Mouse.
Modelo tridimensional de moléculas de agua
Debido a que los electrones de los átomos de hidrógeno son atraídos por el lado del átomo de oxígeno, el lado del átomo de hidrógeno de la molécula de agua está cargado positivamente, mientras que el lado del átomo de oxígeno El lado del átomo está cargado negativamente, lo que hace que las moléculas de agua sean polares, lo cual es un factor clave para que las moléculas de agua formen enlaces de hidrógeno.
Las moléculas de agua son polares.
Cuando muchas moléculas de agua se juntan, el átomo de oxígeno cargado negativamente atrae al átomo de hidrógeno cargado positivamente de otra molécula de agua para formar un enlace de hidrógeno, de modo que cada molécula de agua pueda unirse con las cuatro moléculas de agua que la rodean. formar enlaces de hidrógeno. De hecho, la mayoría de las propiedades físicas y químicas del agua están estrechamente relacionadas con estos enlaces de hidrógeno.
Las moléculas de agua se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno.
Como se puede observar en el análisis anterior, las moléculas de agua se mantienen unidas mediante la atracción electrostática de los enlaces de hidrógeno. Debido a esta fuerza débil, cada molécula de agua puede oscilar en su propia posición y cambiar de posición en cualquier momento, por lo que el agua se comporta como un líquido viscoso que fluye a temperatura ambiente.
A medida que la temperatura disminuye gradualmente, la energía obtenida por las moléculas de agua se vuelve cada vez menor, y la amplitud de su agitación se hace cada vez más pequeña. Cuando la fuerza electrostática de los enlaces de hidrógeno es dominante, las posiciones entre las moléculas de agua serán relativamente fijas, formando así un cristal. Esto es hielo sólido.
La disposición de las moléculas de agua en los cristales de hielo
Condiciones de cambio de fase del agua
El agua suele tener tres formas: gas, líquida y sólida (aquí se ignora la superfluidez). ), Estas tres formas también se conocen como las tres fases del agua. El cambio de fase del agua se ve afectado por la temperatura y la presión y generalmente se refleja en la curva de cambio de fase a continuación.
La relación entre el cambio de fase del agua y la temperatura y presión
De hecho, cuando el agua está a la temperatura adecuada, no puede cambiar de fase inmediatamente. La condensación del agua requiere otro factor importante, que es la necesidad de núcleos de condensación. Este es el llamado "efecto de nucleación". Ya sea que el agua gaseosa se condense en líquido o que el agua líquida se congele, las moléculas de agua por sí solas no son suficientes. Las impurezas también deben participar; de lo contrario, la temperatura a la que se completa el cambio de fase cambiará mucho.
La mayor parte del agua en la naturaleza es rica en impurezas, incluidas algunas pequeñas partículas sólidas y sales minerales invisibles. Debido a que estas impurezas tienen cargas diferentes a las de las moléculas de agua, es más probable que cambien el estado de movimiento de las moléculas de agua circundantes.
Las investigaciones muestran que si estas partículas o moléculas de impureza tienen cargas más positivas, es más probable que reduzcan la vibración de las moléculas de agua circundantes. Debido a que las moléculas de impureza son más grandes, las impurezas cargadas positivamente atraerán los átomos de oxígeno en las moléculas de agua y atraerán. Los alejan de la fijación forzada, lo que hace que otras moléculas de agua circundantes se nucleen y formen cristales.
Todos los copos de nieve son cristales de hielo formados al nuclear la humedad del aire alrededor de impurezas de polvo.
El agua pura es difícil de nuclear y condensar.
El agua pura se obtiene mayoritariamente mediante tecnología de destilación u ósmosis inversa, con muy pocas impurezas, por lo que el agua pura carece de condiciones de nucleación. En realidad, el agua ultrapura es difícil de preparar, pero los científicos han concluido mediante experimentos que el agua ultrapura se nucleará uniformemente sólo a -48,3 °C bajo presión estándar, porque no hay impurezas en el agua ultrapura, incluso si la amplitud de vibración de las moléculas de agua es extremadamente alto Debido a que no hay sitios de nucleación, los enlaces de hidrógeno entre ella y otras moléculas de agua circundantes son difíciles de fijar. El agua en este momento todavía es agua líquida sobreenfriada.
El agua sobreenfriada siempre se encuentra en un estado crítico de cristalización. Una vez que se coloca un núcleo de condensación, o incluso un pequeño polvo o cristal de hielo, cristaliza extremadamente rápido en un bloque sólido de hielo.
Otra situación es la vibración del agua sobreenfriada, que también puede nuclearse y congelarse rápidamente. Cuando lo revuelves con una varilla de vidrio o golpeas suavemente la taza, algunas de las moléculas de agua cambian sus ángulos debido a las vibraciones, cambiando su distancia de las moléculas de agua vecinas. Este cambio da como resultado el ajuste de los enlaces de hidrógeno intermoleculares, lo que resulta en una rápida cristalización.
Una botella de agua superenfriada cristalizará rápidamente al agitarla.
Cuando se dan las condiciones, el agua se congela rápidamente.
La temperatura en el cielo suele estar por debajo de los -10°C, pero todavía hay muchas gotas de agua líquida y vapor de agua en las nubes. Debido a que no hay polvo sólido ni impurezas, no se congelarán. Cuando un avión atraviesa estas nubes, las gotas de agua sobreenfriada se nuclearán y congelarán rápidamente en el fuselaje y las alas, lo que afectará gravemente la seguridad de la aviación, por lo que los pilotos evitarán estas nubes según el radar aéreo o las instrucciones terrestres.
El agua sobreenfriada en las nubes a gran altitud se congela en las alas, lo que afectará a la seguridad del vuelo.
Cuando sacamos los alimentos congelados del frigorífico, sentimos que se nos pegan a las manos. Esto se debe a que el sudor de nuestros dedos se congela rápidamente debido a la baja temperatura, congelando así los dedos y la comida juntos. No te preocupes, ya que el calor de tu dedo puede derretir esta fina capa de hielo en segundos.
Por el contrario, debes prestar más atención a este consejo: en el frío invierno del norte, no intentes lamer los pilares de hierro al aire libre. El hielo se adherirá rápidamente a tu lengua, causándote problemas de los que no podrás deshacerte.