Instant Freeze Super-Cooled Water

Ce qui se passe :
La plupart des gens croient que l’eau gèle toujours à exactement 32°F ou 0°C. S’il est vrai que la glace d’eau pure commence toujours à fondre à 0°C, l’eau liquide – même l’eau pure – ne gèle pas nécessairement à cette température, et peut rester liquide à des températures beaucoup plus froides (voir le lien ci-dessous). C’est ce qu’on appelle l’eau surfondue. La raison pour laquelle cela peut se produire (non seulement pour l’eau, mais aussi pour de nombreuses substances qui forment des cristaux à l’état solide) est que les molécules d’un liquide se comportent un peu différemment de celles de l’état solide (où elles sont fermement enfermées dans un arrangement ordonné ou un réseau cristallin) ou de l’état gazeux (où elles sont complètement indépendantes). Pour qu’un solide fonde, il suffit de la chaleur, qui fournit l’énergie nécessaire pour que le réseau cristallin se brise et devienne liquide. En revanche, il ne suffit pas de refroidir les molécules d’un liquide pour qu’elles forment un solide. Les molécules doivent commencer à s’organiser et à former un réseau cristallin ordonné, ce qui nécessite un peu plus d’énergie (cette sorte d’énergie « empruntée » est appelée chaleur latente de fusion). Pensez-y de cette façon : il est beaucoup plus facile de détruire une maison Lego que d’en construire une à partir de rien. Il faut de la réflexion et du soin pour commencer à construire sa maison à partir des pièces individuelles. La formation d’un solide cristallin à partir de molécules liquides individuelles est similaire. Les premières molécules doivent se positionner et s’aligner correctement pour commencer à construire un réseau cristallin correct. Une fois que ce réseau commence à se former, il devient beaucoup plus facile pour les autres molécules liquides de se fixer et de continuer à faire croître le réseau cristallin. Plus un liquide est froid, plus il est probable que certaines des molécules forment ce premier cristal, mais si elles ne bougent pas beaucoup, cela peut ne pas se produire. C’est pourquoi nous avons fait très attention à ne pas perturber les bouteilles jusqu’à ce que nous voulions qu’elles gèlent. En tapant ou en secouant la bouteille, les molécules se déplaçaient de sorte qu’il devenait plus probable que quelques-unes se mettent dans la bonne disposition et forment le premier cristal (appelé cristal germe ou site de nucléation), puis le reste des molécules se fixait rapidement, et la bouteille entière gelait.
Le point de congélation ou de fusion d’une substance est en fait défini comme la température à laquelle les phases liquide et solide sont en équilibre. Pour l’eau pure, cela signifie que la glace fond exactement au même rythme que l’eau liquide se congèle, de sorte que la quantité nette de chacune reste à peu près inchangée. Cela se produit à exactement 0°C (32°F) pour l’eau pure. Cet équilibre parfait peut sembler très difficile à atteindre, mais en fait, tant que votre bain contient beaucoup de glace et d’eau, et que vous n’ajoutez ou n’enlevez pas trop de chaleur externe (c’est-à-dire que la glacière est bien isolée), les phases trouveront leur équilibre et la température se stabilisera à 0°C. C’est pourquoi vous auriez dû mesurer 0°C (en fonction de la précision de votre thermomètre) à l’étape 2. Lorsque l’eau d’une bouteille est surfondue (en dessous de 0°C), elle n’est pas en équilibre, car il n’y a pas de glace. Mais une fois que le premier cristal solide se forme, la quantité de glace augmente au fur et à mesure que l’eau gèle et le mélange atteint rapidement l’équilibre à 0°C – c’est-à-dire que la température augmente réellement au fur et à mesure que l’eau gèle, libérant la chaleur latente de la fusion (voir Expériences supplémentaires ci-dessous). C’est pourquoi la glace qui se forme dans la bouteille est très molle et visqueuse, plutôt que dure. Pour congeler la glace, vous devez éliminer cette chaleur supplémentaire d’une manière ou d’une autre, peut-être en la replaçant dans la glacière.
Pour refroidir une bouteille d’eau, vous abaissez sa température en dessous du point de congélation d’équilibre normal en éliminant la chaleur. Comme la chaleur ne circule que des objets plus chauds vers les objets plus froids, vous devez mettre votre bouteille en contact avec quelque chose de plus froid, comme l’air froid d’un congélateur. Mais la plupart des congélateurs domestiques sont généralement réglés sur une température de -10 à -15°C. Si vous laissez la bouteille dans le congélateur trop longtemps, sa température baissera tellement qu’il est presque certain qu’elle formera un germe de cristal quelque part puis gèlera complètement. À moins de pouvoir placer un thermomètre à l’intérieur de la bouteille, vous devez la vérifier souvent et la retirer une fois qu’elle est surfondue mais pas gelée, ce qui peut être délicat. Un autre problème avec cette méthode est que la plupart des congélateurs utilisent des moteurs qui provoquent des vibrations, et tout comme lorsque vous avez tapé sur la bouteille, ce mouvement peut former un cristal germe et geler l’eau. Vous pourriez utiliser le bain d’eau glacée que vous avez préparé à l’étape 2 pour refroidir l’eau, mais ce bain est en équilibre à 0°C, et vous ne pouvez donc refroidir vos bouteilles qu’à cette température, qui n’est pas assez froide pour surfusionner l’eau. Pour super-refroidir vos bouteilles, vous avez besoin d’un bain d’eau glacée beaucoup plus froid que 0°C.
Heureusement, l’eau liquide (ou tout solvant) a une autre propriété très utile : le point de congélation d’une solution (tout ce qui est dissous dans un solvant) est toujours inférieur au point de congélation du solvant pur. Dans notre cas, cela signifie que la dissolution du sel (le soluté) dans l’eau (le solvant) abaisse le point de congélation de la solution sel-eau, c’est-à-dire qu’il faut la rendre plus froide que l’eau pure pour qu’elle gèle. C’est pourquoi il est beaucoup plus difficile de congeler l’eau de mer que l’eau douce. Notez que ce n’est pas la même chose que l’eau surfondue ; l’eau salée est une solution, pas de l’eau pure. C’est également pour cette raison que vous saupoudrez du sel sur une route ou un trottoir verglacé. Le sel se dissout dans la fine couche d’eau liquide qui est généralement présente à la surface (sauf si le verglas est très, très froid), ce qui abaisse la température nécessaire pour que la glace reste gelée. Plus vous dissolvez de sel, plus le point de congélation est bas. Le type de sel (ou tout autre soluté) que vous utilisez n’a pas d’importance, seule compte la quantité dissoute dans l’eau. C’est ce qu’on appelle une propriété colligative, c’est-à-dire qu’elle ne dépend que du nombre de particules, et non de leur composition. Comme la glace solide est généralement beaucoup plus froide que 0°C (vous l’avez mesurée à l’étape 1), l’ajout de glace à une solution d’eau salée fait baisser la température de la solution. Et comme le point de congélation de ce bain de solution d’eau salée et de glace (la température à laquelle la congélation et la fusion sont en équilibre) est inférieur à celui d’un bain d’eau pure et de glace, nous pouvons l’utiliser pour super-refroidir nos bouteilles d’eau pure. En ajoutant suffisamment de sel, il est relativement facile de préparer un bain à -10°C ou plus froid.
Notez que nous avons utilisé des bouteilles d’eau en plastique dans cette expérience. Une autre propriété intéressante de l’eau est qu’elle se dilate lorsqu’elle gèle, c’est-à-dire que la phase solide prend plus de volume que la même quantité de molécules dans la phase liquide. En d’autres termes, la phase solide est moins dense que la phase liquide, puisque la densité est égale à la masse/volume. C’est pourquoi la glace flotte dans l’eau liquide (vous serez peut-être surpris d’apprendre que la plupart des substances ne présentent pas ce comportement !) Si vous deviez utiliser une bouteille en verre dans cette expérience, au fur et à mesure que l’eau liquide gèle, il pourrait ne pas y avoir assez d’espace pour que la glace se dilate, ce qui casserait la bouteille.

Variations et activités connexes:
Il existe d’autres façons intéressantes de congeler instantanément de l’eau surfondue. Dévissez très soigneusement le bouchon d’une de vos bouteilles sans geler l’eau. Laissez tomber un petit morceau de glace dans l’eau et observez comment il déclenche instantanément la congélation dans la bouteille. Comme ce morceau est déjà solide, il sert de cristal de semence auquel les molécules de liquide peuvent facilement se fixer. Vous pouvez également essayer de verser lentement l’eau liquide surfondue de la bouteille sur un plat contenant un petit morceau de glace. L’eau gèlera au contact de la glace, puis continuera à geler en remontant le long du jet de coulée jusqu’à la bouteille. Pour une autre expérience, placez soigneusement un thermomètre dans la bouteille d’eau liquide surfondue. Il doit indiquer une température bien inférieure à 0°C. Laissez ensuite tomber un petit morceau de glace dans la bouteille pour amorcer la congélation et observez l’augmentation de la température au fur et à mesure que l’eau gèle, jusqu’à ce qu’elle atteigne finalement 0°C. Lorsque l’eau gèle, elle libère de la chaleur (appelée chaleur latente de fusion), et cette chaleur ne peut aller nulle part ailleurs que dans le reste de l’eau et de la glace de la bouteille, qui refond une partie de la glace qui vient de geler. C’est pourquoi la bouteille ne gèle pas en glace dure, mais forme une glace très humide et visqueuse. Une fois que la glace et l’eau atteignent l’équilibre, sa température doit être au point de congélation, ou 0°C.

.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *