Punto congelamento dell’acqua: La strana scienza di come l’acqua si congela

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La strana scienza di come l'acqua si congela

L’acqua congela a causa della bassa temperatura. La massa di un liquido è nella forma delle sue molecole, che sono costantemente in movimento e si scontrano tra loro. 

Quando si scontrano, a volte si attaccano insieme e altre volte si staccano e migrano verso la superficie. Se un liquido viene mantenuto abbastanza freddo, questo comportamento casuale può essere minimizzato e il liquido si congela.

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Podcast: Punto di congelamento dell’acqua.

Il mistero del punto di congelamento dell’acqua

Cosa c’è di così speciale nell’acqua che congela a temperature così basse? L’acqua è una molecola polare; possiede un’estremità positiva (chiamata gruppo idrossile) e un’estremità negativa (chiamata atomo di idrogeno). Nella sua forma liquida, l’acqua è in grado di ruotare la sua struttura intorno ai suoi doppi legami. Questo si chiama legame a idrogeno e dà all’acqua un’affinità speciale per altre molecole polari. Questa speciale affinità è ciò che le permette di congelare a temperature così basse.

La maggior parte dei liquidi sono non polari, il che significa che non hanno un’estremità positiva e una negativa. Hanno una distribuzione casuale di atomi di idrogeno in tutta la loro struttura, il che li rende poco affini agli altri liquidi. A causa di questa distribuzione casuale, non sono in grado di formare cristalli di ghiaccio e formano invece un solido colloidale, che assomiglia a una sottile nebbia.

L’acqua è un liquido polare, ed è questa caratteristica che le permette di formare ghiaccio a temperature così basse.

Lo strano punto di congelamento dell’acqua

Perché l’acqua congela a temperature così basse?

acqua e ghiaccio

Tutta l’acqua sulla Terra è mantenuta a temperature basse perché il Sole non influisce con il suo calore fino a farla evaporare. Il pianeta, ai poli, è coperto di ghiaccio. Se l’acqua fosse più calda, sarebbe più probabile che evapori nell’aria. I raggi del Sole non possono riscaldare l’oceano coperto di ghiaccio, ma possono far evaporare l’acqua, portandola nell’aria per farla congelare come neve o pioggia.

La Terra è anche circondata da un’atmosfera molto fredda. Anche questo impedisce all’acqua di riscaldarsi e di evaporare nell’aria, quindi l’acqua sulla Terra rimane liquida a temperature molto basse.

Come si congela l’acqua?

acqua

Le molecole d’acqua sono costantemente in movimento e si scontrano tra loro. Se un liquido è mantenuto abbastanza freddo, questo comportamento casuale può essere minimizzato e il liquido si congela.

Più fredda è l’acqua, più bassa è la temperatura che deve essere sotto lo zero per congelare. In inverno, le temperature nella sezione freezer del vostro negozio di alimentari saranno più basse, circa -18° Celsius.

L’acqua congela a causa della sua bassa temperatura. La massa di un liquido è nella forma delle sue molecole, che sono costantemente in movimento e si scontrano tra loro. Quando si scontrano, a volte si attaccano insieme e altre volte si separano e migrano verso la superficie. Se un liquido è mantenuto abbastanza freddo, questo comportamento casuale può essere minimizzato e il liquido si congela.

Questo è ciò che accade quando l’acqua si congela. Le molecole si scontrano costantemente e si attaccano l’una all’altra, e poi si separano. C’è un’alta probabilità che rimangano attaccate insieme abbastanza a lungo da congelare. Questo congelamento crea anche molta pressione e calore nell’acqua, che spinge le molecole in tutte le direzioni. 

Quando un liquido è congelato, smette di muoversi e di prendere ossigeno, ma non può nemmeno rilasciare anidride carbonica e altri gas nell’aria.

Quanto deve essere freddo prima che l’acqua si congeli?

La temperatura che un liquido deve raggiungere prima di congelare dipende dal liquido stesso e dalla temperatura dell’aria intorno ad esso. In generale, l’acqua deve essere sotto gli 0° Celsius per congelare

Una ricerca dell’Università dello Utah ha inoltre appurato che l’acqua, se totalmente pura, può rimanere liquida anche a temperature estremamente basse. In genere, l’acqua congela a 0° Celsius. Ma l’acqua non è un liquido “normale”. Ci riserva sempre delle sorprese. Così è stato scoperto, che in determinate condizioni (acqua pura) potrebbero servire fino a -48 C° affinchè si raggiunge il punto di congelamento dell’acqua.

Liquidi diversi hanno punti di congelamento diversi. L’olio e il grasso possono essere congelati a temperatura ambiente, ma sarà sicuramente più difficile toglierli da terra o dall’auto. Questo perché queste sostanze non sono polari come l’acqua.

Alcuni liquidi, come l’acqua salata e l’alcol, congelano a basse temperature anche in estate. Anche alcuni alimenti, come le verdure, si congelano a basse temperature senza andare nel congelatore.

Altri liquidi che congelano a basse temperature

Alcuni altri liquidi possono congelare a temperature molto basse: -69.8° Celsius (-96.6° Fahrenheit) è la temperatura più bassa che il mercurio può congelare. -135,1° Celsius (-227,2° Fahrenheit) è la temperatura più bassa a cui congela l’anidride carbonica. -150° Celsius (300° Fahrenheit) è la temperatura più bassa che l’azoto può congelare. -210° Celsius (300° Fahrenheit) è la temperatura più bassa a cui congela il monossido di carbonio. -243° Celsius (-423° Fahrenheit) è la temperatura più bassa che l’esafluoruro di zolfo può congelare.

Quanto deve essere fredda l’acqua prima che si sciolga?

Il punto di congelamento dell’acqua è solo un estremo della gamma di temperature in cui può esistere come solido. Il liquido può esistere anche a temperature superiori al congelamento, e può esistere anche a temperature molto alte.

Per essere veramente solida, l’acqua deve essere più fredda del punto di congelamento, ma l’acqua liquida può essere anche più fredda. La temperatura al di sotto della quale l’acqua può esistere come solido è chiamata punto di congelamento dell’acqua liquida.

A -150° Celsius, l’acqua non può esistere come liquido perché è già un solido. Se si spingono le temperature ancora più in basso, però, l’acqua può ancora esistere come liquido. A -243° Celsius, l’acqua è un gas, ma un gas che può esistere allo stato solido.

Altre sostanze che possono essere solide solo a certe temperature

I punti di fusione di alcuni elementi:

  • RAME: Il rame ha un punto di fusione di 1.085° Celsius;
  • FERRO: Il ferro ha un punto di fusione di 1.538° Celsius;
  • ARGENTO: L’argento ha un punto di fusione di 961,8° Celsius; 
  • ORO: L’oro ha un punto di fusione di 1.064° Celsius;
  • ZINCO: Lo zinco ha un punto di fusione di 419,5° Celsius.

Conclusione: L’acqua è davvero l’unica sostanza che può congelare a temperature diverse?

Nessun’altra sostanza sulla Terra può presentarsi nei tre stati di liquido, solido e gassoso. L’acqua può esistere come liquido, solido e gas, ma nessun’altra sostanza può esistere in tutti e tre gli stati. 

Ci sono alcune sostanze che possono esistere in due stati, ma l’acqua è l’unica sostanza che può essere in tre stati diversi.

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