Wyjmujesz z zamrażarki butelkę wody, która leżała tam kilka godzin, a w środku wciąż chlupocze ciecz. Wystarczy jedno stuknięcie o blat, by od dna w górę rozbiegła się biała fala lodu i po kilku sekundach butelka zamienia się w kaszę. Za tym efektem stoi jedno z najciekawszych zjawisk w termodynamice: woda może pozostać płynna w temperaturze niższej niż 0°C.

⚠️ Uwaga: Używaj wyłącznie plastikowych butelek, nigdy szklanych. Zamarzająca woda zwiększa objętość o około 9%, więc szklana butelka mogłaby pęknąć. Pilnuj czasu i nie zostawiaj butelek w zamrażarce na całą noc.

Co nam będzie potrzebne?

  • 2–3 plastikowe butelki po wodzie (0,5 l) z nieotwieranymi, fabrycznie zamkniętymi korkami
  • woda oczyszczona lub źródlana w butelkach (nie wodę z kranu i nie wodę gazowaną)
  • zamrażarka o temperaturze około −18°C
  • termometr zamrażarkowy lub kuchenny (opcjonalnie)
  • kostka lodu i miska
  • zegar lub minutnik

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotuj butelki. Weź wodę oczyszczoną prosto z fabrycznie zamkniętej butelki i nie otwieraj jej przed wstawieniem do zamrażarki. Każde otwarcie, przelewanie czy potrząsanie wprowadza do wody pyłki i drobne zadrapania, a właśnie takie zanieczyszczenia psują efekt. Wstaw butelki do zamrażarki, układając je tak, by się nie stykały ze ściankami pokrytymi szronem. Najlepiej leżą na płasko w jednym miejscu, gdzie nikt ich nie przesuwa.

Krok 2: Odczekaj i nie ruszaj. Dobry czas to około 2–3 godzin, ale zależy on od mocy zamrażarki i od wody. Po 2 godzinach zacznij ostrożnie zaglądać co kilkanaście minut. Otwieraj drzwi delikatnie i bardzo powoli wyjmij jedną butelkę. Jeśli woda jest już zmętniała albo widać w niej lód, butelka zamarzła normalnie – to także wynik, który warto odnotować. Gdy woda jest idealnie przezroczysta i ciekła, udało się.

Krok 3: Wywołaj krystalizację. Połóż butelkę ostrożnie na blacie i stuknij nią o krawędź stołu albo uderz w nią mocno dłonią. Obserwuj uważnie: od miejsca uderzenia lub od dna zacznie rosnąć lód, tworząc gęstą breję. Po kilku sekundach większość wody zamieni się w sorbet, choć część pozostaje ciekła.

Krok 4: Wersja efektowna. Drugą butelkę otwórz nad miską i wolno wylewaj wodę cienkim strumieniem na kostkę lodu. Lód zacznie rosnąć w górę strumienia i zbuduje na twoich oczach lodową kolumnę. Przy odrobinie wprawy możesz w ten sposób zbudować mały, kilkucentymetrowy „sopel” rosnący z miski ku butelce.

Wyjaśnienie naukowe

Temperatura 0°C to temperatura, w której lód i woda mogą współistnieć w równowadze, ale nie temperatura, w której woda musi zamarznąć. Aby zaczął powstawać kryształ lodu, cząsteczki wody muszą najpierw zbić się w maleńkie uporządkowane skupisko, tzw. zarodek krystalizacji. Takim zarodkiem może być pyłek, zadrapanie na ściance, bąbelek albo istniejący już kryształek lodu. W bardzo czystej wodzie zamkniętej w gładkiej butelce zarodków brakuje, więc ciecz schładza się poniżej 0°C i pozostaje w stanie metastabilnym, czyli przechłodzonym. Układ jest wtedy jak kulka na szczycie wzgórza: stoi, ale drobne szturchnięcie wystarczy, by się stoczyła.

Gdy już pojawi się zarodek, krystalizacja przebiega lawinowo. Zamarzanie jest procesem egzotermicznym: tworzenie lodu uwalnia ciepło topnienia, około 334 kJ na kilogram. To ciepło ogrzewa resztę wody w stronę 0°C. Jeśli woda była przechłodzona np. do −6°C, to energia uwolniona przy zamarznięciu kilkunastu procent masy wystarczy, żeby podgrzać całość do 0°C, i na tym proces się zatrzymuje. Dlatego po stuknięciu powstaje breja, a nie jednolita bryła lodu – reszta zamarznie dopiero w miarę oddawania ciepła do chłodnego otoczenia. Ten sam mechanizm, w którym ciepło przemiany fazowej ogrzewa układ, wykorzystują chemiczne ogrzewacze do rąk z przesyconym roztworem octanu sodu.

Zjawisko ma znaczenie daleko poza kuchnią. W chmurach krople wody potrafią pozostawać ciekłe nawet w temperaturze około −20°C, a w skrajnych przypadkach poniżej −30°C. Dopiero kontakt z cząsteczkami pyłu lub kryształkami lodu uruchamia opady śniegu i gradu. Dla samolotów jest to poważny problem: przechłodzone krople uderzające w skrzydło zamarzają natychmiast i oblodzenie zmienia opływ powietrza. Meteorolodzy próbujący wywoływać opady rozpylają w chmurach jodek srebra, którego kryształki są doskonałymi zarodkami. W czystych laboratoriach udało się utrzymać wodę w stanie ciekłym nawet do około −40°C, czyli granicy, poniżej której zarodki lodu tworzą się już samoistnie.

Podobnie zachowują się inne substancje, które można przesycić lub przechłodzić. Zjawisko jest bliskie temu, co dzieje się w roztworach przesyconych, opisanych w artykule o hodowaniu kryształów ałunu : tam również brak zarodka pozwala utrzymać roztwór w stanie, w którym kryształ „powinien” już dawno rosnąć. Z kolei zwykłe zamarzanie wody i jego skutki mechaniczne opisujemy w doświadczeniu lodowa siła .

Warianty

Eksperyment z solą i lodem. Zrób mieszaninę lodu z solą, która ma około −10°C do −18°C, i zanurz w niej butelkę z wodą oczyszczoną, delikatnie ją obracając. Kąpiel chłodzi znacznie szybciej niż zamrażarka i przechłodzenie osiągniesz w około 15–25 minut. Po wyjęciu butelki stuknij nią o stół. Podobne zjawiska związane z lodem i solą opisuje artykuł znikający lód .

Porównanie rodzajów wody. Wstaw obok siebie wodę oczyszczoną, wodę z kranu i przegotowaną wodę ostudzoną w zamkniętej butelce. Zapisz, po jakim czasie każda z nich zamarza oraz która osiąga przechłodzenie. Zwykle woda z kranu zamarza pierwsza, bo zawiera więcej zarodków, ale wynik bywa nieprzewidywalny i warto powtórzyć pomiar kilka razy.

Lód z jednej kropli. Przechłodzoną wodę wylej cienkim strumieniem na talerzyk z lodem, który wcześniej schłodziłeś w zamrażarce. Spróbuj zbudować możliwie wysoką kolumnę, a następnie sfotografuj ją. Przy dobrze przechłodzonej wodzie kolumna rośnie szybciej niż strumień spływa.

Często zadawane pytania

Dlaczego mi nie wychodzi i woda zamarza zwyczajnie? Najczęściej za dużo było zarodków krystalizacji albo woda stała w za zimnej części zamrażarki. Wstrząsana, otwierana lub wlewana do butelki z kranu woda zawiera pyłki i bąbelki, które uruchamiają zamarzanie. Spróbuj ponownie z fabrycznie zamkniętą butelką wody oczyszczonej, zmień czas wyjęcia o 15 minut i nie ruszaj butelki podczas schładzania. Warto też sprawdzić temperaturę zamrażarki, bo przy −25°C lub niżej woda zwykle zamarza zanim się przechłodzi.

Czy przechłodzoną wodę można wypić? Tak, woda w stanie przechłodzonym jest po prostu bardzo zimną wodą i nie jest szkodliwa. Trzeba jednak uważać, żeby nie zamarzła nagle w ustach lub gardle, bo powstające kryształki lodu są ostre i zimne. Dlatego lepiej najpierw wywołać krystalizację w butelce, a dopiero potem, jeśli chcemy, zjeść powstałą breję łyżeczką. Wypijanie przechłodzonej wody tuż po wyjęciu z zamrażarki nie jest zalecane, bo trudno przewidzieć moment zamarznięcia.

Czy to prawda, że woda zamarza w ciągu sekundy? Samo stuknięcie uruchamia krystalizację w ciągu ułamka sekundy, ale pełne zamarznięcie całej butelki trwa znacznie dłużej. W ciągu kilku sekund powstaje lodowa breja, w której ciepło przemiany fazowej podniosło temperaturę do 0°C. Reszta wody zamarza dopiero wtedy, gdy ciepło odpłynie do otoczenia, co może zająć kilkadziesiąt minut. Efekt wygląda więc jak natychmiastowe zamarznięcie, choć fizycznie jest to dwustopniowy proces.