Mi történik a vízzel, amikor megfagy; Tudomány párbeszédben

Mi történik a vízzel, amikor megfagy?

Fagyáskor a vízmolekulák kristályokat képeznek. A molekulák úgynevezett hidrogénkötéseken keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Ezek a pozitív töltésű hidrogénatomok és a vízmolekulák negatív töltésű oxigénatomjai közötti gyenge elektrosztatikus vonzerőkön alapulnak. Ezek a kötések folyékony vízben is léteznek. Ott azonban folyamatosan újjáépítik őket. Pikoszekundumokban a kötések megszakadnak és újak jönnek létre. (A pikoszekundum a másodperc milliomod része.)

Ha a hőmérséklet (normál nyomáson) nulla Celsius fok fagypont alá esik, akkor a vízmolekulák közötti vonzó kölcsönhatás nagyobb lesz, mint a termikus gerjesztés. A kristályszerkezet kialakulhat. A kristályban minden vízmolekulát négy másik vesz körül. Ezt a szerkezetet tetraéderesnek nevezzük. Ugyanakkor hat vízmolekula mindig összekapcsolódik és gyűrűt képez. A kémikusok ezt a kristályrácsot hatszögnek nevezik.

A kristályosodási folyamatot megkönnyítik az úgynevezett kristályosodási magok, amelyeket porszemcsék vagy enyhe rezgések formájában kialakuló zavarok képeznek. E kristályosodási magok nélkül, vagyis ha a víz nagyon tiszta, és ez kevés mikroliter mennyiség is, akkor a vizet mínusz 38 Celsius-fokig lehűthetjük anélkül, hogy jéggé alakulna. Ez a túlhűtött víz áttétes állapotban van.

Amikor megfagy, a víz kitágul. A jégkristályban lévő molekulák több helyet foglalnak el, mint a (folyékony) vízben. Tehát a jég kisebb sűrűségű, és lebeghet a vízen. Miután a víz megfagyott, a sűrűség már nem változik. A jégnek csak egy formája fordul elő természetes körülmények között a földön. Különböző formák fordulnak elő magasabb nyomáson és/vagy alacsonyabb hőmérsékleten. A mai napig 14 különböző kristályos jégforma ismert. Az oxigénatomok közötti távolságban, de lényegében a hidrogénatomok eltérő helyzetében különböznek egymástól. Ezen kívül vannak amorf jégformák, amelyeknek nincs rendezett kristályszerkezete. Eddig csak amorf jeget találtak az űrben.

A legtöbb folyadéktól eltérően a jég olvadási hőmérséklete csökken, amikor a nyomást növelik. A víz ekkor csak nulla Celsius fok alatti hőmérsékleten fagy meg. A kémikusok ezt a víznyomás anomáliájának nevezik. Ez lehetővé teszi a korcsolyázást. A jégkorcsolyázó súlya által a jégre gyakorolt nyomás csökkenti az olvadás hőmérsékletét és felolvasztja a jég felső rétegét. A korcsolyázó könnyen csúszhat ezen a vízrétegen.

A jégben a kristályszerkezet periodikusan folytatódik minden irányban. Amikor azonban egy jégkristály szabadon növekedhet az űrben, hó keletkezik. Ez sok egyedi, filigrán, elágazó jégkristályból áll. Az egyes kristályokat az a tény hozza létre, hogy a legfinomabb vízcseppek egy kristályosodási maghoz, például porszemcsékhez kapcsolódnak, és megfagynak.

A jégpályákon a jég hőmérséklete mínusz négy Celsius fok körül alakul. A mélyebb hűtés túl energiaigényes lenne. A hőátadás miatt a hőmérséklet nem lehet magasabb. A csarnok levegője lényegesen magasabb hőmérsékletű, és felolvasztaná a felső jégréteget. A mínusz négy fokos hideg jég azonban alulról is lehűl, így a jégréteg elég szilárd marad a felszínen. Időközben sikeres erőfeszítéseket tettek a műjég energiatakarékos módon történő előállítására mínusz két fokon.

A kérdésre Prof. Dr. válaszolt. Ralf Ludwig, a Rostocki Egyetem Fizikai Kémia Tanszéke.