Di Ann Johnson, aggiornato il 24 marzo 2022
Quando l’acqua passa dallo stato liquido a quello solido, le sue molecole passano da una danza costante e caotica a un reticolo altamente ordinato. Nello stato liquido, le molecole si scontrano, scivolano l'una sull'altra e non rimangono mai a lungo nello stesso punto. Quando la temperatura scende a 0°C (32°F), il movimento rallenta e le molecole si bloccano in una disposizione cristallina ripetitiva che noi vediamo come ghiaccio.
Ogni molecola sperimenta forze che la attirano verso le sue vicine. Forti attrazioni, come quelle del carbonio, possono tenere insieme gli atomi anche a migliaia di gradi, mentre le forze deboli nell’elio fanno sì che rimanga gassoso fino al freddo estremo. Le forze intermolecolari dell'acqua sono moderate:abbastanza forti da tenere insieme le molecole a 32 °F, ma abbastanza deboli da sciogliersi nuovamente a 32 °F (0 °C). Questo equilibrio conferisce all'acqua la sua temperatura di congelamento unica.
L'aggiunta di sostanze come zucchero, sale o alcol abbassa la temperatura alla quale l'acqua congela. Più soluto aggiungi, maggiore sarà la goccia. Ecco perché gli operatori stradali spargono sale sui marciapiedi ghiacciati:il sale abbassa il punto di congelamento, trasformando il ghiaccio in acqua liquida anche quando le temperature si aggirano appena sotto i 32°F. Allo stesso modo, la vodka, che contiene circa il 40% di etanolo, rimane liquida in un congelatore standard perché la presenza di alcol abbassa il punto di congelamento di diversi gradi.
La maggior parte dei materiali si contraggono quando vengono raffreddati, ma l'acqua si comporta diversamente. Raggiunge la densità massima a circa 39°F (4°C). Al di sotto di questo, l’acqua si espande mentre le sue molecole adottano un reticolo esagonale, creando spazi vuoti che rendono il ghiaccio meno denso dell’acqua liquida. Questa espansione è la ragione per cui si formano i fiocchi di neve, poiché la disposizione esagonale continua a trasformarsi in delicati cristalli.
Poiché il ghiaccio si espande, un contenitore sigillato contenente acqua può rompersi quando congelato. La pressione esercitata dall'espansione del ghiaccio può raggiungere i 40.000 psi a –22°C (-7,6°F). Anche i contenitori robusti, come l'acciaio o il ferro, possono cedere sotto questo stress, motivo per cui spesso vedrai le bottiglie scoppiare nel congelatore.
