Una bottiglia d'acqua in freezer

Tempo fa ho messo in freezer una bottiglia di acqua minerale naturale, in plastica, da 1,5 litri. Era ancora sigillata. Dopo circa 5 ore l'ho estratta: l'acqua al suo interno era ancora allo stato liquido, ma appena l'ho versata nel bicchiere, si è istantaneamente mutata in una sostanza simile a neve bagnata: l'acqua all'interno della bottiglia, tuttavia, era ancora liquida. Facendo cadere nella bottiglia un pezzetto di "neve",anche quell'acqua ha subito la stessa istantanea trasformazione. Ho ripetuto le stesse condizioni un paio di volte: la prima volta, quando ho aperto il freezer, l'acqua era ancora liquida, ma appena ho afferrato la bottiglia, ha "nevificato" in un istante; la seconda volta è rimasta liquida, ma ha "nevificato" all'atto di svitare il tappo.
Come si spiega questo fenomeno?
Qual è la causa scatenante il processo?
Come mai ogni volta la "nevificazione" si diffonde da un punto diverso?
Valentina De Cristofaro
13 dicembre 2001
Se una bottiglia sigillata e pressoché colma d'acqua viene chiusa in un freezer a, diciamo, -10 ºC, si hanno due possibilità:
(1) l'involucro è fragile, come il vetro: allora l'acqua, poiché nel processo di solidificazione aumenta di volume (1 grammo di ghiaccio occupa un volume maggiore del 10% circa rispetto alla stessa massa di acqua), inizia a premere sul vetro fino a romperlo;
(2) l'involucro ha una certa elasticità e cede di fronte a una eventuale espansione del contenuto, con un aumento della pressione interna.

A pressione più elevata di quella atmosferica, per congelare l'acqua richiede un abbassamento di temperatura sotto lo zero. Ciò, unitamente al fatto che all'interno di una bottiglia di plastica contenente acqua particolarmente pura scarseggiano o mancano del tutto quei difetti o impurezze che sono indispensabili come centri per la nucleazione dei cristalli del ghiaccio, consente all'acqua di sottoraffreddarsi, ossia di rimanere liquida anche a -10 ºC. Basta tuttavia una piccola perturbazione di varia origine — contatto con altri materiali, contatto con neve preformata, agitazione meccanica, decremento di pressione — perché il liquido precipiti e formi ghiaccioli, assumendo l'aspetto della neve bagnata.

Nel primo esperimento descritto evidentemente non è bastato aprire il tappo e muovere la bottiglia per far "nevificare" l'acqua, ma è occorso versarla in un bicchiere (salvo poi convertire anche il rimanente per contatto con un ghiacciolo). Nel secondo e terzo esperimento (ma non si hanno dati sufficienti per fare confronti, soprattutto in merito alla temperatura), le condizioni di sovraraffreddamento erano evidentemente molto più critiche ed è bastato assai meno (agitazione, svitamento del tappo) per innescare la solidificazione. Dato il ruolo essenziale giocato dai centri di nucleazione, eventuali differenze nella qualità della superficie interna della plastica, ossia presenza di asperità, di microcavità, di bollicine, eccetera, possono influenzare i meccanismi discussi in maniera determinante.

Andrea Frova Dipartimento di Fisica, Università di Roma "La Sapienza"

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