Perché l’acqua da freezer congela all’istante se la sbattiamo? L’esperimento spiegato

L'acqua può rimanere liquida anche sotto gli 0 °C, diventando quindi "sottoraffreddata". Questo fenomeno si chiama sopraffusione: scopriamo cos'è dal punto di vista chimico e fisico.

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6 Ottobre 2023
19:00
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Perché l’acqua da freezer congela all’istante se la sbattiamo? L’esperimento spiegato
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Potrebbe essere successo per caso: si prende una bottiglia d'acqua dal freezer dopo poche ore, è ancora liquida, ma non appena la versiamo congela istantaneamente! Questo fenomeno molto particolare quanto apparentemente assurdo ha una spiegazione scientifica ben precisa e prende il nome di sopraffusione. In pratica, la temperatura di congelamento dell'acqua dipende dalla presenza di impurezze, o meglio chiamati "centri di nucleazione": se non sono presenti queste impurezze, l'acqua può rimanere liquida anche sotto gli 0 °C e diventare quindi acqua sottoraffreddata. In questo video-articolo vediamo cosa è necessario per replicare in casa questo esperimento, la spiegazione chimico-fisica del fenomeno e perché si verifica in natura durante la formazione della grandine.

Cos'è l'acqua sottoraffreddata

Tutti sappiamo che l'acqua bolle a 100 °C e congela a 0 °C. In realtà, le cose sono più complesse. Ad esempio in montagna – quindi ad alte quote – la temperatura di ebollizione è minore di 100 °C (l'acqua bolle prima). Oppure, l'acqua può bollire anche a temperatura ambiente se generiamo del vuoto con macchinari particolari; o ancora l'acqua può rimanere liquida anche a -6 °C, come mostriamo in questo video.

Ecco, l'acqua sottoraffreddata quindi è un'acqua che ha una temperatura sotto quella di congelamento, quindi sotto gli 0 °C. Questo fenomeno prende il nome di sopraffusione.

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La zona rossa rappresenta il fenomeno della sopraffusione: nel tempo la temperatura può scendere anche sotto la temperatura di congelamento (Tf). Credit: Christophe Dang Ngoc Chan – A3XX, GFDL, via Wikimedia Commons

Com'è possibile? Perché non congela? Tutto dipende dalla presenza del cosiddetto "centro di nucleazione".

Perché congela all'istante

L'acqua può rimanere liquida anche sotto gli 0 °C solo se non sono presenti i cosiddetti "centri di nucleazione". Dal punto di vista chimico-fisico è abbastanza complesso come concetto, ma possiamo dire semplificando che i centri di nucleazione non sono altro dei punti in cui le molecole d'acqua si "aggrappano" per cominciare a congelarsi: questi "punti" possono essere rappresentati da impurezze piccole presenti all'interno dell'acqua come granelli di sabbia, particelle di calcare, bollicine d'aria.

Ecco, se non sono presenti queste "impurezze" l'acqua non avrà dei punti in cui aggrapparsi per cominciare il congelamento e rimarrà liquida anche sotto gli 0 °C. Se invece l'acqua contiene delle piccole impurezze, l'acqua potrà congelare non appena raggiunge gli 0 °C.

Nel momento in cui si aggiunge un centro di nucleazione, le molecole d'acqua quindi potranno "aggrapparsi" e cominciare a congelare. Ad esempio, sbattendo la bottiglia d'acqua appena uscita dal freezer facciamo entrare delle bollicine d'aria: loro fungeranno da centro di nucleazione.

Cosa serve per gli esperimenti

Per replicare in casa gli esperimenti sarà necessario avere:

  1. bottigliette d'acqua confezionata (è preferibile perché contengono meno particelle di calcare rispetto all'acqua del rubinetto. No, il calcare non fa venire i calcoli renali.).
  2. un freezer;
  3. tempo e pazienza.

Si mettono le bottiglie in freezer (noi ne abbiamo usate un decina circa) e si fa partire il cronometro. Dopo minimo 1h e 30, provare a vedere se l'acqua è diventata sottoraffreddata sbattendola e vedendo se congela all'stante: se non accade, riprovare con le altre bottigliette rimaste nel freezer ogni circa 30 minuti. Noi abbiamo usato un freezer vuoto e abbiamo scoperto che servivano minimo 4 ore per ottenere acqua sottoraffreddata. Ognuno di noi ha un freezer diverso con condizioni diverse, quindi il tempo non può essere universale: è necessario quindi provare e andare a tentativi.

La temperatura dell'acqua sottoraffreddata aumenta

Una curiosità di questo esperimento: l'acqua durante il congelamento istantaneo aumenta di temperatura. Nel nostro caso è passata da circa -6 °C a 0 °C in pochissimi secondi. Com'è possibile questa cosa?

Tutto dipende dall’energia che hanno le molecole d’acqua: quando siamo allo stato liquido, le molecole si muovono parecchio, vibrano, hanno dell’energia. Nel momento in cui congelano invece, sono quasi "immobilizzate" in una posizione precisa, hanno meno energia. Di conseguenza tutta l’energia in più che avevano quando erano allo stato liquido se n’è andata via sottoforma di calore, ed è per questo che aumenta la temperatura!

Nel video mostriamo delle animazioni 3D inedite in cui si vede bene l'energia cinetica delle molecole d'acqua.

Si verifica in natura?

Il fenomeno dell'acqua sottoraffreddata (sopraffusione) si può verificare alle alte quote durante un temporale e nella formazione della grandine. Abbiamo realizzato un video ad hoc in cui spieghiamo perché l'acqua sottoraffreddata c'entra con il fatto che i chicchi di grandine possono avere una struttura a cipolla.

Sono un appassionato del mondo microscopico, a partire dalle molecole fino agli artropodi. La laurea magistrale in chimica mi ha permesso di avere gli strumenti necessari per comprendere il funzionamento del mondo, ma soprattutto ha saziato la mia fame di risposte. Curioso, creativo e con idee folli: date una videocamera, un drone o una chitarra al DeNa e lo renderete felice.
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