Quand l'eau gèle, elle passe généralement du liquide à l'état solide. En tant que liquide, les molécules d'eau sont constamment en mouvement, se cognant et se bousculant les unes les autres et ne restant jamais longtemps au même endroit. Lorsque l'eau gèle, les molécules ralentissent et s'installent en s'alignant dans des formations régulières que vous voyez comme des cristaux. Pour l'eau pure, la température doit tomber à 32 degrés Fahrenheit (zéro degré Celsius) pour que cela se produise. Pour toute substance, la température à laquelle la congélation se produit dépend des forces qui rendent ses molécules collées.

Molécules collantes et point de congélation
Toutes les molécules et atomes ont des forces qui attirent l'une vers l'autre. Certains atomes, tels que le carbone, se tiennent très fortement les uns aux autres; d'autres, comme l'hélium, ont très peu de force d'attraction. Les substances ayant de fortes forces d'attraction gèlent à des milliers de degrés Fahrenheit, alors que celles dont les forces sont faibles, comme l'azote, gèlent à des températures très froides. L'attraction entre les molécules d'eau est modérée - ni faible ni puissante - donc l'eau gèle à une température modeste de 32 degrés Fahrenheit.

Dépression du point de congélation

Si vous ajoutez d'autres substances à l'eau, telles que sucre ou sel, la température descend en dessous de 32 degrés avant que la glace commence à se former. Le nouveau point de congélation dépend de la substance ajoutée et de la quantité d'eau que vous mélangez, et c'est pourquoi les villes mettent du sel sur les routes dans certains états pour enlever la glace et la neige en hiver. Comme autre exemple, la vodka, un mélange d'eau et d'alcool, reste liquide pendant une longue période lorsqu'elle est conservée au congélateur. L'alcool dans la vodka abaisse considérablement le point de congélation.

Gel, expansion et formation de cristaux

La plupart des substances se contractent, ou rétrécissent, en volume lorsqu'elles refroidissent. L'eau ne se contracte que jusqu'à ce qu'elle soit abaissée à 39 degrés; à des températures plus froides, il commence à se développer. Lorsque l'eau se refroidit, ses molécules ralentissent et s'organisent de telle sorte qu'il existe des espaces entre les groupes de molécules. À mesure qu'elles refroidissent, les molécules forment des motifs hexagonaux qui finissent par devenir des flocons de neige et des cristaux apparentés.

Force d'expansion de la glace

Si vous remplissez une bouteille complètement remplie d'eau, scellez-la avec un couvercle avant de le mettre dans un congélateur, l'eau se dilate quand il fait plus froid. Finalement, la glace va éclater la bouteille. Cela est vrai même pour les récipients en matériaux solides tels que le fer; la pression exercée par l'eau gelée atteint 40 000 psi à moins 7,6 degrés Fahrenheit (moins 22 degrés Celsius).