¿Por qué se congelaba el agua casi instantáneamente al agitar una botella que había pasado la noche fuera durante una noche helada?

Question

Debido a la previsión de heladas para anoche, ayer por la tarde coloqué algunas botellas de PET estándar de 1,5 l llenas al 90% con agua caliente del grifo (+60 °C) cerca de algunas hortalizas que quería proteger en mi jardín. Anoche, la temperatura bajó hasta aproximadamente -3 ~ -4°C.

Esta mañana he ido a ver cómo iba. De las 10 botellas, una estaba llena hasta la mitad de agua y la otra mitad de hielo. En todas las demás botellas, el agua seguía en estado líquido.

Así que decidí vaciarlos. Aquí viene lo interesante: destapo las botellas, las pongo boca abajo para vaciar el agua, y les doy una sacudida/giro para que se vacíe más rápido, y me doy cuenta de que se estaba formando casi instantáneamente un hielo no muy bien estructurado (en realidad parecía más bien nieve derretida). Curioso, decidí darle una fuerte sacudida al siguiente mientras lo vaciaba, y bueno, esta mezcla de hielo que se formaba en ese momento me recordó la textura de los batidos de frutas heladas que uno puede encontrar durante el verano.

¿Cómo se explica que el agua, estando quieta, fuera 100% líquida, y que al agitar la botella se formara hielo en un santiamén? Quiero decir, para mí, agitar = añadir energía, por lo que debería caliente el agua, no enfriarla hasta el punto de que forme hielo? A partir de este experimento supongo que no, y que en su lugar, más o menos "ayuda" a que la energía restante del agua a 0°C se disipe, formando hielo superrápidamente. ¿Estoy en lo cierto en mi razonamiento?

Volveré a hacer el experimento la noche siguiente, intentaré hacer una foto para añadirla aquí.

Edición 1: He colocado las mismas botellas, con el mismo agua tibia del grifo en ellas en la misma posición que ayer. Puede que la noche que viene haga incluso más frío... Intentaré hacer algunas fotos mañana por la mañana.

Edición 2: Vale, esta mañana no ha sido tan impresionante como ayer, pero ha vuelto a ocurrir:

Fig.1 Cuando empieces a vaciar la botella, sólo saldrá agua fría y clara.

Temblando un poco, entonces

Fig.2 Se han adherido partículas de hielo al interior de la botella al vaciarla.

Fig.3 Se ha acumulado hielo desestructurado en el suelo.

Es un experimento totalmente "salvaje" y no controlado, por lo que no es tan impresionante como los vídeos enlazados por Philip a continuación.

Aquí están los vídeos de los que se extrajeron las capturas de pantalla:
https://vimeo.com/534346291
https://vimeo.com/534347556

También he hecho una pequeña observación adicional, pero probablemente se deba enteramente a la casualidad: como ayer llené las botellas con agua caliente, esta mañana estaban un poco despresurizadas, con una especie de forma cóncava global. Las he agitado todas antes de abrirlas, pero el agua permanecía clara. Sólo cuando las he abierto y vaciado se ha formado hielo.

Answer 1

Enhorabuena, me parece que acabas de observar agua sobreenfriada ¡! Hay muchos videos en YouTube que describen este fenómeno, y lo explican mucho mejor de lo que yo podría, ver aquí para ver un vídeo de Veritasum en el que se habla de esto, por ejemplo.

La idea básica es la siguiente: cuando el agua se congela forma hielo, que es una bonita estructura cristalina regular. Sin embargo, los cristales de hielo necesitan un sitio de nucleación que es un punto donde el cristal puede iniciar antes de que puedan empezar a formarse. En situaciones normales, el agua suele tener algunas impurezas que pueden servir como sitios de nucleación, alrededor de los cuales el cristal comienza a crecer y el hielo empieza a formarse.

Sin embargo, si se utiliza agua muy pura, no existen esos puntos de nucleación "naturales", por lo que existe la posibilidad de que las moléculas de agua quieran formar hielo, pero no lo consigan. Como resultado, los líquidos quedan atrapados en un estado "metaestable" muy por debajo de su punto de congelación, pero ese estado tiene una estabilidad precaria que puede alterarse fácilmente. Agitar la botella es una forma de alterar esta estabilidad, ya que da a un par de moléculas de agua la oportunidad de alinearse de la forma adecuada para iniciar el proceso de cristalización y, una vez hecho esto, es energéticamente favorable para el sistema formar hielo, por lo que todas las demás moléculas de agua se unen también. Como resultado, el cristal suele "crecer" en una dirección hasta que toda el agua se convierte en hielo.

Por supuesto, no es necesario agitarlo, basta con introducir un tipo diferente de punto de nucleación, como puede verse en esto muy bonito video y se obtendrían los mismos resultados, o alternativamente, se podría verter con mucho cuidado el agua sobreenfriada encima de un cubito de hielo y formar una especie de escultura de hielo (ver este vídeo de The Action Lab ).

Se necesita más energía para formar agua sobreenfriada que hielo, lo que significa que cuando el agua pasa a hielo, en realidad libera algo de calor, por lo que el agua sobreenfriada es en realidad más frío que el hielo. Por cierto, este proceso también se observa en otros materiales, sobre todo en el acetato de sodio que se utiliza para fabricar compresas calientes como ésta.

Nunca he conseguido ver agua superenfriada, aunque lo he intentado varias veces. Me sorprende bastante que hayas podido conseguirlo con agua del grifo, ya que normalmente se necesita agua muy pura. Espero que puedas reproducir el experimento.

Answer 2

¿Quizás baja presión?

Al vaciar la botella, al principio es difícil que entre aire (ese glug-glug-glug lento) y, por lo tanto, la presión de la bolsa de aire en la parte superior de la botella baja y, cuando baja la presión, el agua se congela más rápido y más fácilmente.

También el agua comenzó caliente por lo que posiblemente menos oxígeno también conduce a lo que es más fácil de flash congelación en condiciones anteriores.