Wann kann Wasser unterkühlt werden?

Qualitativ verstehe ich, dass Wasser unterkühlt werden kann, wenn:

• Es ist relativ rein.
• Es befindet sich in einem Behälter, der relativ fehlerfrei ist.
• ...

Ja, aber es ist eigentlich sehr kompliziert ...

Siehe hier für eine riesige Karte von Eisarten – diese Seite scheint außer Betrieb zu sein, mit der letzten vollständigen Erfassung durch Wayback am 9. Oktober 2020 ); Einige spätere Aufnahmen sind unvollständig, es fehlen einige Bilder und Links zu anderen Webseiten.

 Phase Diagram

Ist es möglich, allgemein oder zumindest für eine bestimmte Verunreinigung irgendwie genau zu quantifizieren, was die kritische Menge ist, um eine Unterkühlung zu verhindern? ... Noch besser, gibt es eine allgemeine energetische oder thermodynamische Ungleichung, die beschreibt, welche Bedingungen für eine erfolgreiche Unterkühlung erforderlich sind?

Es wird relativ einfach auf der Supercooling - Webseite von Wikipedia erklärt; und ausführlich, aber immer noch relativ einfach, auf den Webseiten „ Amorphes Eis und glasiges Wasser “ und „ Erklärung der Phasenanomalien des Wassers (P1-P13) “ (also 14 Webseiten, mehr als Sie wahrscheinlich wissen wollten).

Bedingungen wie: Kühlrate, Verunreinigungen, Druck, Behälter, Stoßwellen , alle wirken sich auf die Ergebnisse aus, die Sie erhalten, manchmal ist etwas Glück im Spiel (etwas, das Sie nicht berücksichtigen, experimenteller Fehler).

Sie können Sirup herstellen, wenn Sie es richtig machen.

Wikipedia gibt eine vereinfachte Erklärung der heterogenen Keimbildung , die in Wasser normalerweise auftritt, wenn ein Eiswasserkristall zu unterkühltem Wasser hinzugefügt wird.

Einige experimentelle Ergebnisse wurden im Journal of Physics Artikel „ High-density amorphous ice: nucleation of nanosized low-density amorphous ice “, im Journal of the American Chemical Society Artikel „ Heterogeneous Nucleation of Ice on Carbon Surfaces “ und in den Proceedings veröffentlicht des Artikels „ Observing the formation of ice and organic crystals in active sites “ der National Academy of Sciences .

Hoffentlich kann ich mich ein wenig mehr damit befassen und die Antwort konkretisieren, aber fürs Erste sind hier einige relevante Ressourcen und Zitate:

"Auswirkung von gelösten Stoffen auf die heterogene Keimbildungstemperatur von unterkühltem Wasser: eine experimentelle Bestimmung" Physikalische Chemie Chemische Physik (2009):

Homogene Nukleation
Homogene Nukleation tritt nur in Wasser auf, das nicht von Oberflächen beeinflusst wird und frei von Fremdpartikeln oder -substanzen ist. Nur die Wassermoleküle sind am Gefriervorgang beteiligt und bei einer homogenen Keimbildungstemperatur,$T_{hom}$, schätzungsweise$\approx -41^\circ$$C^5$Sie bilden einen eisähnlichen Kern oder Cluster, der groß genug ist, um dann ein spontanes Einfrieren zu verursachen. Die praktische Durchführung der experimentellen Bestimmung dieser Temperatur ist schwierig und beinhaltet gewöhnlich eine Emulsionstechnik und eine Mittelung der gemessenen Werte$T_{hom}$Werte in einem Versuch, die inhärente stochastische Natur der Keimbildung auszugleichen.$^6$

Heterogene Keimbildung
Eiskeimbildung kann auch an der Oberfläche sogenannter „Eiskeime“ durch heterogene Keimbildung erfolgen.7 Die Keime können Schmutz, große Moleküle, Bakterien oder einfach die Behälterwand sein. In jedem Fall ermöglicht eine spezifische Keimbildungsoberfläche die Skalierung der Freie-Energie-Barriere (in der klassischen Theorie) und bewirkt, dass das Gefrierereignis fortschreitet. Die Untersuchung der heterogenen Keimbildung ist von viel größerer praktischer Bedeutung als die homogene Keimbildung, da die meisten Keimbildungsereignisse in der Natur heterogen sind.

Auswirkungen von gelösten Stoffen auf$T_{hom}$Und$T_{het}$

Es ist allgemein bekannt, dass für eine homogene Keimbildung in wässrigen Lösungen die Absenkung von$T_{hom}$steht in linearem Zusammenhang mit der Konzentration des gelösten Stoffes und ist unabhängig vom gelösten Stoff, zumindest für kleine Moleküle, d.h

$\Delta T_{hom} = \lambda \Delta T_m$

$^{8,9}$Der Multiplikationsfaktor$\lambda$wird allgemein mit 2,0 angegeben$^{10,11}$obwohl es einige Diskussionen gibt, wobei Werte von nur 1,7 angegeben werden.$^{12}$Eine molekulare Erklärung dieses Faktors ist uns nicht bekannt. Es wurde auch berichtet, dass gelöste Stoffe mit hohem Molekulargewicht eine größere Wirkung haben als kleinere Moleküle und dass l bei großen Molekülen Werte von bis zu fünf erreichen kann.$^{13,14}$Es ist klar, dass die Auswirkungen des gelösten Stoffes auf die heterogene Keimbildungstemperatur,$T_{het}$, haben weitreichende Folgen in so unterschiedlichen Bereichen wie Wolkenbildung,15 Speiseeis und anderen Lebensmitteln16 und bei gefriertoleranten Organismen.17 Wird beispielsweise Speiseeis vor der Herstellung Zucker zugesetzt, sinkt der Gefrierpunkt um B1,86 1C pro Mol, aber die Keimbildungstemperatur wird um B3,7 1C verringert, was eine tiefere Unterkühlung ermöglicht und so mehr, aber kleinere Keime zum Zeitpunkt der Keimbildung und somit glattere Eiscreme verursacht. Genaue Bestimmung von$\lambda$ist für alle diese Studienrichtungen von Bedeutung.

"Messungen der Konzentration und Zusammensetzung von Kernen für die Zirrusbildung" Proceedings of the National Academy of Sciences (2003):

Es wird über Messungen der Konzentration und Zusammensetzung von troposphärischen Aerosolpartikeln berichtet, die Eis in kalten (Zirrus-) Wolken auslösen können

Wenn reines Wasser unter den Gefrierpunkt gekühlt wird, kann es in einem supergekühlten Zustand bleiben. Superkühlung ist ein Zustand, in dem Flüssigkeiten nicht einmal unter ihrem normalen Gefrierpunkt fest werden. Dieses Konzept kann angewendet werden, warum Wasser in Wolken nicht gefriert.