Vand fryser til is ved minus 41 grader Celsius

Vands naturlige frysepunkt er langt under smeltepunktet for is - omkring 41 grader Celsius lavere.

Amerikanske forskere har nu klarlagt mere præcist, hvad der sker, når vand fryser til is og fundet en forklaring på den store forskel mellem vands frysepunkt og smeltepunktet for is.

Når vi ikke normalt oplever denne forskel, er det fordi, ganske små urenheder kan virke som kerner, hvor omkring vandmolekyler let kan binde sig og fryse til is, når temperaturen kommer under nul grader.

Man har længe vidst, at i fravær af disse såkaldte nukleationskerner kan vand underafkøles helt ned til temperaturer omkring -41 C. Forskerne har gennem mange år søgt gode forklaringer herpå.

Valeria Molinero og Emily Moore fra University of Utah i USA har gennem flere år undersøgt vands særlige egenskaber, og i en ny artikel konkluderer de to forskere, at der er en sammenhæng mellem vands usædvanlige termodynamiske egenskaber og dets ultimative frysepunkt.

Vand har mange underlige egenskaber

Vand er på mange måder et usædvanligt materiale.

Når man afkøler varmt vand, vil dets varmekapacitet under konstant tryk falde, som det er typisk for andre flydende stoffer, men afkøler man vand under 35 C, vil dets vamekapacitet meget atypisk stige, når temperaturen falder.

Samme forløb gælder for den isotermiske kompressibilitet, som har sin mindste værdi ved 46 C. Målinger foretaget i 1970'erne ned til -26 C viser, at isotermiske kompressibilitet divergerer og følger en formel, der vil gøre den uendelig omkring -45 C.

Molinero og Moores har stillet sig selv spørgsmålet, om der en sammenhæng mellem denne singularitet ved -45 C (228 K) og frysepunktet omkring -41 C (232 K) - og svaret er kort sagt ja.

Bindinger til fire andre molekyler

I is er hvert H2O molekyle bundet til fire andre H2O-molekyler, og virker som donor af hydrogen til to af de nærmeste naboer og som acceptor fra de andre to. Denne struktur findes over store afstande.

De termodynamiske anomalier for underafkølet er bestemt af, hvor mange vandmolekyler, der laver de samme bindinger. Fire-bindningsstrukturen i underafkølet vand kan dog kun genfindes over korte afstande.

Molinero og Moores modelberegninger viser, at en stor stigning i andelen af såkaldte 'four-coordinated' molekyler også kontrollerer hastigheden og de mekanismer, der giver anledning til krystallisation af is.

"Derfor er der en nedre grænse for stabiliteten af underafkølet vand lige under 232 K, og denne temperatur, hvor frysehastigheden er maksimal, styres af de strukturelle transformationer af vand," skriver forskerne i deres artikel.

Vand ligner kemisk set silicium

Resultatet er baseret på en særlig model for vand, de to forskere har udviklet, og som de kalder for mW.

Modellen har som udgangspunkt, at vand og silicium er kemiske stoffer, der deler mange fysiske egenskaber.

Blandt andet har de begge i flydende tilstand en temperatur, hvor massefylden er højest, og de danner begge tetraederformede (pyramideformede) krystaller.

Vand i mW-modellen opfører sig som et slags 'atom', der ligger mellem kulstof og silicium.

Den meget simple beskrivelse i mW gør det meget lettere at lave computerberegninger for mange vandmolekyler - på bekostning af, at modellen ikke passer alle i situationer, som de to forskere gør opmærksom på og prøver at tage højde for i deres konklusion.

I computermodellen er vekselvirkningen mellem mere end en kvart million mW-molekyler undersøgt.

Betydning for klimamodeller

Udover at modellen giver en bedre teoretisk forståelse for vands mange særlige egenskaber, gør forskerne selv opmærksom på, at resultatet kan have betydning for skydannelsen og dermed også for atomsfæriske modeller og klimamodeller.

Dokumentation

Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice (arxiv.org)
Water Modeled As an Intermediate Element between Carbon and Silicon (J. Phys. Chem. B, 2009)
Supercooled and glassy Water (Physics Today 2003)