Acqua liquida sotto 0 °C? Sì, grazie al fenomeno del sottoraffreddamento

Tutti sanno che nelle condizioni di pressione in cui viviamo l’acqua solidifica a 0°C (e bolle a circa 100°C). Può capitare, però, che la temperatura dell’acqua scenda sotto il punto di congelamento, magari di molti gradi, senza che si formi il ghiaccio. In tal caso si dice che l’acqua liquida è sottoraffreddata (o sopraffusa). Perché?

Com’è possibile avere acqua liquida con temperature sotto 0 °C?

Per congelarsi, l’acqua, oltre che di un abbassamento della temperatura (che ne rallenti sufficientemente le molecole, portandole ad incastrarsi in una struttura cristallina) ha bisogno di un “innesco”, di un “centro di nucleazione” (o “agente nucleante”), cioè un granello di polvere, una bolla d’aria o qualche altro materiale cui le molecole d’acqua possano appoggiarsi per iniziare a formare la struttura di un cristallo di ghiaccio. Il motivo ha a che fare con l’energia necessaria perché un pezzettino di ghiaccio di un dato raggio possa cominciare ad ingrandirsi; se il raggio iniziale è inferiore ad un certo valore critico, l’accrescimento richiede molta energia, e quindi di solito è poco probabile.

Se all’inizio il ghiaccio si forma su un agente nucleante, l’accrescimento è facilitato poiché il raggio può essere già maggiore del valore critico. Se invece scarseggiano o mancano del tutto quei difetti o impurità che sono indispensabili come centri per la nucleazione dei cristalli del ghiaccio, l’acqua può essere sottoraffreddata fino a -40°C senza che si congeli. Si tratta di una situazione termodinamicamente instabile: è sufficiente una piccola perturbazione esterna – agitazione meccanica, contatto con altri materiali, decremento di pressione – perché l’acqua diventi istantaneamente ghiaccio.

Per osservare il sottoraffreddamento in azione, prendete una bottiglia di plastica e riempitela di acqua purificata o distillata (evitate l’acqua minerale perché ricca di impurezze, che possono fungere da centro di nucleazione, portandola, quindi, a ghiacciare spontaneamente). Mettetela in freezer per circa 2 ore e mezzo (i tempi, tuttavia, possono variare a seconda delle condizioni sperimentali). Trascorso il tempo necessario, estraetela con cautela: se tutto è andato per il meglio, tra le mani vi ritroverete una bottiglia di acqua sopraffusa, cioè allo stato liquido con una temperatura abbondantemente sotto lo zero e che “non vede l’ora” di congelare. A questo punto datele un colpo secco, sbattendola sul tavolo. Vedrete che in un istante l’acqua si ghiaccia!

Il sottoraffreddamento è un problema comune per gli aerei

Se l’esperimento lo effettuate a fine cena, a casa vostra con degli amici, l’effetto sorpresa è garantito. I vostri amici resteranno letteralmente… di ghiaccio. Il sottoraffreddamento è un fenomeno abbastanza comune anche in natura. Ad esempio, esistono gocce di acqua sottoraffreddata in alcuni tipi di nubi, come i cumuli e gli strati. Gocce che costituiscono un pericolo per la circolazione aerea dal momento che, quando un velivolo vi passa attraverso, si ghiacciano a contatto con le ali, creandogli grossi problemi.

Esistono anche piogge sopraffuse, cioè gocce di pioggia provenienti da nubi con temperature abbondantemente al di sotto dello zero. Non si tratta di grandine, ma di gocce liquide che si solidificano istantaneamente a contatto con il suolo, con i cavi elettrici, con i rami degli alberi: in questo caso si parla di “gelicidio”. Se non ci credete, non vi resta che provare a stupire voi e i vostri amici durante una cena con una bottiglia di acqua fredda… pardon superfredda. Magari anche solo per… rompere il ghiaccio.