Quando l'acqua si blocca, di solito passa dal liquido allo stato solido. Come liquido, le molecole d'acqua sono in costante movimento, si scontrano e si spingono a vicenda e non restano mai a lungo in un posto. Quando l'acqua si congela, le molecole rallentano e si assestano, allineandole in formazioni regolari che vedete come cristalli. Per l'acqua pura, la temperatura deve scendere a 32 gradi Fahrenheit (zero gradi Celsius) perché ciò avvenga. Per qualsiasi sostanza, la temperatura alla quale si verifica il congelamento dipende dalle forze che fanno aderire le sue molecole.

Molecole e punto di congelamento appiccicosi

Tutte le molecole e gli atomi hanno forze che attraggono l'una all'altra. Alcuni atomi, come il carbonio, si aggrappano l'un l'altro molto fortemente; altri, come l'elio, hanno una forza molto poco attraente. Le sostanze con forti forze attrattive si congelano a migliaia di gradi Fahrenheit, mentre quelle le cui forze sono deboli, come l'azoto, si congelano a temperature molto fredde. L'attrazione tra le molecole d'acqua è moderata, né debole né potente, quindi l'acqua si congela a una temperatura di 32 gradi Fahrenheit.

Depressione dei punti di congelamento

Se aggiungi altre sostanze all'acqua, ad esempio zucchero o sale, la temperatura scende sotto i 32 gradi prima che cominci a formarsi il ghiaccio. Il nuovo punto di congelamento dipende dalla sostanza aggiunta e da quanto si miscela con l'acqua, ed è per questo che le città mettono sale sulle strade in alcuni stati per rimuovere il ghiaccio e la neve in inverno. Come altro esempio, la vodka, una miscela di acqua e alcool, rimane liquida per un lungo periodo se conservata in un congelatore. L'alcol nella vodka abbassa significativamente il punto di congelamento.

Formazione di congelamento, espansione e cristallo

La maggior parte delle sostanze si contraggono o si restringono di volume man mano che si raffreddano. L'acqua si contrae solo fino a quando non viene abbassata a 39 gradi; a temperature più fredde, inizia ad espandersi. Quando l'acqua diventa più fredda, le sue molecole rallentano e si dispongono in modo tale che esistano delle lacune tra i gruppi di molecole. Man mano che si raffreddano, le molecole formano schemi esagonali che alla fine diventano fiocchi di neve e cristalli correlati.

Espansione della Forza del Ghiaccio

Se si riempie una bottiglia completamente piena d'acqua, sigillarla con un coperchio prima di metterlo in un congelatore, l'acqua si espande man mano che diventa più fredda. Alla fine, il ghiaccio farà scoppiare la bottiglia. Questo è vero anche per contenitori fatti di materiali resistenti come il ferro; la pressione esercitata dal congelamento dell'acqua è alta fino a 40.000 psi a meno 7,6 gradi Fahrenheit (meno 22 gradi Celsius).