Maandag 25/10/2021

Het nieuwe vriespunt is - 48°C.

We drinken water, wassen ons met water en ons lichaam bestaat uit water. Toch is water verre van gewoon, en bevat het eigenschappen die de verbeelding en het vriespunt tarten. Superzuiver water kan vloeibaar blijven tot bij - 48 graden, ontdekten chemici van de University of Utah.

CHEMIE -

Het vriespunt ligt niet op 0 graden. Te beginnen vanaf 0°C. kan water bevriezen, maar het echte vriespunt, waarop water niet langer vloeibaar kan blijven, ligt op - 48 °C. Het is correcter om van een smeltpunt van 0 graden te spreken: dat is de temperatuur waarop ijs weer verandert in water. Bij de meeste vloeistoffen ligt het smeltpunt en vriespunt zo dicht bij elkaar dat er alleen maar van vriespunt wordt gesproken. Voor water was dat ook lange tijd het geval, maar nu weten we beter.

Waarom bevriest water niet netjes op 0°C., zoals we op school hebben geleerd? "Als je vloeibaar water hebt en ijs wilt krijgen, moet zich eerst in de vloeistof een kleine kern, een ijskiem vormen. De vloeistof moet geboorte gegeven aan het ijs", vertelt professor Valeria Molinero, chemica aan de universiteit van Utah. "Bij regen moet zich uit damp vloeibaar water vormen. Bij ijs moet zich uit vloeibaar water ijskristallen vormen."

De ijskiem vormt zich het vlugst rond 'onzuiverheden' in het water. Rond het blad in een plas zal het eerst dichtvriezen, rond een stofdeeltje in een glas water, zullen zich de eerste ijskristal vormen. Maar in heel zuiver water "krijg je alleen een kern als de structuur van de vloeistof spontaan verandert." Dit superzuiver water kan supercool worden.

De nieuwe studie van chemici, Valeria Molinero en Emily Moore toont aan dat supergekoeld vloeibaar water op - 48°C. in ijs verandert. Niet alleen vanwege de extreme kou, maar ook omdat de moleculaire structuur van het water fysiek verandert. Er worden tetraëders gevormd, waarbij elke watermolecule zich aan vier andere moleculen bindt.

Die structurele verandering zou het mysterie kunnen verklaren van "wat de temperatuur bepaalt waarop water zal bevriezen", zegt Molinero, assistent-professor aan de Universiteit van Utah en hoofdauteur van de deze week in Nature verschenen studie. "Wij zijn een heel oude puzzel aan het oplossen: wat gebeurt er in diep supergekoeld water?"

In de bizarre waterwereld kunnen er in theorie zelfs bij temperaturen onder de - 48°C. nog altijd kleine hoeveelheden vloeibaar water overblijven wanneer bijna alles vast geworden is. Dat resterende vloeibare water blijft slechts ongelooflijk kort bestaan, te kort om zijn eigenschappen te kunnen detecteren of meten.

Vloeibaar water is een netwerk van watermoleculen (allemaal met twee waterstofatomen en een zuurstofatoom) dat losjes wordt samengehouden door de zogenaamde waterstofbinding - een beetje zoals statische hechting. Volgens Molinero kan waterijs afhankelijk van zijn temperatuur en druk zestien verschillende kristalvormen aannemen waarin de watermoleculen elkaar met waterstofbindingen vasthouden.

"Wat water zo vreemd maakt, is de manier waarop het in vloeibare vorm compleet verschilt van andere vloeistoffen. IJs drijft bijvoorbeeld op water, terwijl de meeste vaste stoffen in hun vloeibare vorm zinken omdat ze een hogere dichtheid hebben dan de vloeistof."

De dichtheid van water verandert met de temperatuur. Bij 3,8°C .is ze het grootste. Dat verklaart waarom vissen in een bevroren vijver kunnen overleven: ze zwemmen in het warmere, dichtere water op de bodem. Maar "de meest fascinerende eigenschap van water is dat je het tot ver onder de 0°C. kunt koelen terwijl het toch nog vloeibaar blijft", zegt Molinero. In wolken is vloeibaar water van - 40°C. aangetroffen.

Uit eerdere experimenten bleek al supergekoeld water vloeibaar kon blijven tot minstens - 41°C. Dat is de 'homogene nucleatietemperatuur', de laagste temperatuur waarop men tijdens het bevriezen van het water de snelheid van de ijskristallisatie kan meten. Onder die temperatuur kristalliseert het ijs te snel om de eigenschappen van de resterende vloeistof nog te kunnen meten.

Hoe zijn Molinero en Moore er dan in geslaagd om het nieuwe vriespunt te meten? Het antwoord ligt in de computers van het Center for High Performance Computing van de Universiteit van Utah, die 200 keer sneller zijn dan eerder gebruikte computermodellen. "Computers geven een microscopisch beeld dat experimenten nog niet kunnen opleveren", zegt Molinero. Ze hebben haar en Moore goed geholpen om te bepalen hoe koud water kan worden voor het zijn theoretische maximale kristallisatiewaarde bereikt en moet bevriezen. Op die temperatuur transformeert het water zich", zegt Molinero. De computers hebben ook aangetoond dat veel meer watermoleculen zich opeens aan vier soortgenoten binden om tetraëders (figuur met drie vierhoekige vlakken, vier hoekpunten en zes ribben), te vormen wanneer het water de - 48°C. nadert.

De vraag hoe en op welke temperatuur water moet bevriezen, is niet zomaar een leuke hersenbreker voor wetenschappers.

Atmosferische wetenschappers die de Klimaatverandering bestuderen, willen weten op welke temperaturen water bevriest en in ijs kristalliseert. "Dat is nodig om te voorspellen hoeveel atmosferisch water in vloeibare of in kristalvorm voorkomt, wat dan weer verband houdt met de hoeveelheid zonnestraling die door water en ijs in de atmosfeer wordt opgenomen. En dat is belangrijk om het wereldklimaat te kunnen voorspellen."

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234