Água Super-Congelada Instantânea

O que está a acontecer:
A maior parte das pessoas acredita que a água congela sempre a exactamente 32°F ou 0°C. Embora seja verdade que a água gelada pura começa sempre a derreter a 0°C, a água líquida – mesmo água pura – não congela necessariamente a esta temperatura, e pode permanecer um líquido a temperaturas muito mais frias (ver o link abaixo). A isto chama-se água super-arrefecida. A razão pela qual isto pode acontecer (não apenas para água, mas para muitas substâncias que formam cristais no seu estado sólido) é que as moléculas de um líquido comportam-se de forma um pouco diferente das moléculas no estado sólido (onde estão firmemente fechadas num arranjo ordenado ou numa malha de cristal) ou no estado gasoso (onde são completamente independentes). Tudo o que é necessário para um sólido derreter é o calor, que fornece a energia para que a grelha de cristal se parta e se torne líquida. Por outro lado, o simples arrefecimento das moléculas num líquido não as faz formar um sólido. As moléculas devem começar a organizar-se e formar uma grelha de cristal ordenada, e isto requer um pouco mais de energia (este tipo de energia “emprestada” é chamada o calor latente da fusão). Pense desta forma: é muito mais fácil destruir uma casa de Lego do que construir uma do zero. É preciso alguma reflexão e cuidado para começar a construir a sua casa a partir das peças individuais. A formação de um sólido cristalino a partir de moléculas líquidas individuais é semelhante, as primeiras moléculas devem mover-se para a posição e alinhamento adequados para começar a construir a malha de cristal correcta. Uma vez que esta grelha começa a formar-se, torna-se muito mais fácil para outras moléculas líquidas fixarem e continuarem a crescer a grelha de cristais. Quanto mais frio um líquido se torna, mais provável é que algumas das moléculas formem esse primeiro cristal, mas se não se moverem muito, isso pode não acontecer. É por isso que tivemos muito cuidado em não perturbar as garrafas até que quiséssemos que elas congelassem. Bater ou agitar a garrafa fez com que as moléculas se movessem de modo a que se tornasse mais provável que algumas se movessem para a disposição adequada e formassem o primeiro cristal (chamado cristal de semente ou local de nucleação), depois o resto das moléculas rapidamente se fixaram, e a garrafa inteira congelou.
O ponto de congelamento ou fusão de uma substância é na realidade definido como a temperatura a que as fases líquida e sólida estão em equilíbrio. Para água pura, isto significa que o gelo está a derreter exactamente ao mesmo ritmo que a água líquida está a congelar, de modo a que a quantidade líquida de cada uma permaneça praticamente inalterada. Isto ocorre exactamente a 0°C (32°F) para água pura. Este equilíbrio perfeito pode parecer muito difícil de alcançar, mas na verdade, desde que o seu banho contenha muito gelo e água, e não esteja a adicionar ou a remover demasiado calor externo (isto é, o refrigerador está bem isolado), as fases irão encontrar o seu equilíbrio e a temperatura irá estabilizar a 0°C. É por isso que deveria ter medido 0°C (dependendo da precisão do seu termómetro) na etapa 2. Quando a água de uma garrafa é super-refrigerada (abaixo de 0°C), não está em equilíbrio, uma vez que não há gelo. Mas assim que o primeiro cristal sólido se forma, a quantidade de gelo aumenta à medida que mais água congela e a mistura atinge rapidamente o equilíbrio a 0°C – ou seja, a temperatura sobe à medida que a água congela, libertando o calor latente da fusão (ver Experiências Adicionais abaixo). É por isso que o gelo que se forma na garrafa é muito macio e escorregadio, em vez de congelado com força. Para congelar o gelo duro é necessário remover este calor extra de alguma forma, talvez voltando a colocá-lo no refrigerador.
Para super-arrefecer uma garrafa de água é necessário baixar a sua temperatura abaixo do ponto normal de equilíbrio de congelação, removendo o calor. Uma vez que o calor só flui de objectos mais quentes para objectos mais frios, é necessário colocar a garrafa em contacto com algo mais frio, como o ar frio num congelador. Mas a maioria dos congeladores domésticos são normalmente colocados a cerca de -10 a -15°C, pelo que deixar a garrafa no congelador demasiado tempo irá baixar de tal forma a temperatura que é quase certo que irá formar um cristal de sementes algures e depois congelar completamente. A menos que se possa colocar um termómetro dentro da garrafa, deve-se verificá-lo frequentemente e retirá-lo assim que estiver super-refrigerado mas não congelado, o que pode ser complicado. Outro problema com este método é que a maioria dos congeladores utiliza motores que causam vibrações, e tal como quando se bate na garrafa, este movimento pode formar um cristal de semente e congelar a água. Poder-se-ia usar o banho de água gelada que se preparou no Passo 2 para arrefecer a água, mas este banho está em equilíbrio a 0°C, pelo que só se pode arrefecer as garrafas a esta temperatura, que não é suficientemente fria para super-arrefecer a água. Para super-arrefecer as suas garrafas é necessário um banho de água gelada muito mais frio do que 0°C.
Felizmente a água líquida (ou qualquer solvente) tem outra propriedade muito útil – o ponto de congelação de uma solução (qualquer coisa dissolvida num solvente) é sempre mais baixo do que o ponto de congelação do solvente puro. No nosso caso, isto significa que o sal dissolvido (o soluto) na água (o solvente) baixa o ponto de congelação da solução de água salgada, ou seja, tem de se obter mais frio do que a água pura antes de congelar. É por isso que é muito mais difícil congelar a água do mar do que a água doce. Note-se que isto não é o mesmo que água super arrefecida; a água salgada é uma solução, não água pura. É também por isso que se polvilha sal numa estrada ou calçada gelada. O sal dissolve-se na camada fina de água líquida que está normalmente presente na superfície (a menos que o gelo seja muito, muito frio), baixando a temperatura necessária para que o gelo permaneça congelado. Quanto mais sal se dissolve, mais baixo é o ponto de congelação. Não importa que tipo de sal (ou qualquer outro soluto) se utiliza, apenas quanto se dissolve na água. A isto chama-se uma propriedade coligativa, o que significa que depende apenas do número de partículas, e não da sua composição. Como o gelo sólido é normalmente muito mais frio do que 0°C (mediu isso na etapa 1), a adição de gelo a uma solução de água salgada reduz a temperatura da solução. E uma vez que o ponto de congelação deste banho de solução de gelo com água salgada (a temperatura onde o congelamento e o derretimento estão em equilíbrio) é inferior à de um banho de água pura com gelo, podemos utilizar isto para super-arrefecer as nossas garrafas de água pura. Ao adicionar sal suficiente, é relativamente fácil preparar um banho que é -10°C ou mais frio.
Nota que utilizámos garrafas de água de plástico nesta experiência. Outra propriedade interessante da água é que esta se expande à medida que congela, ou seja, a fase sólida ocupa mais volume do que a mesma quantidade de moléculas na fase líquida. Dito de outra forma, a fase sólida é menos densa que a fase líquida, uma vez que densidade= massa/volume. É por isso que o gelo flutua na água líquida (pode surpreender-se ao saber que a maioria das substâncias não apresenta este comportamento!) Se utilizar uma garrafa de vidro nesta experiência, uma vez que a água líquida congela, pode não haver espaço suficiente para o gelo se expandir, o que partiria a garrafa.
br>Variações e Actividades Relacionadas:
Existem outras formas interessantes de congelar instantaneamente água super-refrigerada. Muito cuidadosamente desenrosque a tampa de uma das suas garrafas sem congelar a água. Deixar cair um pequeno pedaço de gelo na água e observar como este começa a congelar instantaneamente na garrafa. Uma vez que este pedaço já é sólido, serve como o cristal de sementes ao qual as moléculas líquidas se podem facilmente fixar. Também se pode tentar verter lentamente água líquida super-resfriada da garrafa para um prato com um pequeno pedaço de gelo. A água congelará à medida que atinge o gelo, continuando depois a congelar até à corrente de escoamento e para dentro da garrafa. Para outra experiência, colocar cuidadosamente um termómetro na garrafa de água líquida super-refrigerada. Deve ler uma temperatura bem abaixo de 0°C. Agora, deixar cair um pequeno pedaço de gelo na garrafa para iniciar a congelação e observar o aumento da temperatura à medida que a água congela, até finalmente atingir 0°C. À medida que a água congela, liberta calor (chamado calor latente da fusão), e este calor não tem para onde ir excepto para o resto da água e gelo da garrafa, o que na realidade faz lembrar algum do gelo que acabou de congelar. É por isso que a garrafa não congela em gelo duro, mas forma um gelo muito húmido e viscoso. Quando o gelo e a água atingem o equilíbrio, a sua temperatura deve estar no ponto de congelação, ou 0°C.

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