Par Ann Johnson, mise à jour le 24 mars 2022
Lorsque l’eau passe du liquide au solide, ses molécules passent d’une danse chaotique constante à un réseau hautement ordonné. À l’état liquide, les molécules entrent en collision, glissent les unes sur les autres et ne restent jamais longtemps au même endroit. Lorsque la température descend à 32°F (0°C), le mouvement ralentit et les molécules se bloquent dans un arrangement cristallin répétitif que nous considérons comme de la glace.
Chaque molécule subit des forces qui la tirent vers ses voisines. De fortes attractions, comme celles du carbone, peuvent maintenir les atomes ensemble même à des milliers de degrés, tandis que de faibles forces dans l'hélium signifient qu'il reste gazeux jusqu'à un froid extrême. Les forces intermoléculaires de l’eau sont modérées :suffisamment fortes pour maintenir les molécules ensemble à 32°F, mais suffisamment faibles pour qu’elles fondent à nouveau à 32°F (0°C). Cet équilibre donne à l'eau sa température de congélation unique.
L'ajout de substances telles que du sucre, du sel ou de l'alcool abaisse la température à laquelle l'eau gèle. Plus vous ajoutez de soluté, plus la goutte est importante. C’est pourquoi les équipes routières répandent du sel sur les trottoirs glacés :le sel abaisse le point de congélation, transformant la glace en eau liquide même lorsque les températures oscillent juste en dessous de 32°F. De même, la vodka, qui contient environ 40 % d'éthanol, reste liquide dans un congélateur standard car la présence d'alcool abaisse le point de congélation de plusieurs degrés.
La plupart des matériaux se contractent lorsqu'ils sont refroidis, mais l'eau se comporte différemment. Il atteint sa densité maximale à environ 39°F (4°C). En dessous, l’eau se dilate à mesure que ses molécules adoptent un réseau hexagonal, créant des espaces qui rendent la glace moins dense que l’eau liquide. Cette expansion est la raison pour laquelle les flocons de neige se forment, alors que l'arrangement hexagonal continue de se développer en cristaux délicats.
Parce que la glace se dilate, un récipient d’eau scellé peut se briser lorsqu’il est gelé. La pression exercée par l'expansion de la glace peut atteindre jusqu'à 40 000 psi à –7,6°F (-22°C). Même les récipients robustes, comme l'acier ou le fer, peuvent se briser sous cette contrainte, c'est pourquoi vous verrez souvent des bouteilles éclater dans le congélateur.