Freezing of Supercooled Water - Chemistry and Chemists № 1 2026

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Frozen pH Buffer Solutions - Part 3
Замерзшие буферные растворы для pH-метра - Часть 3

Let us continue our inventory of frozen liquids in the cold laboratory. Buffer solutions for calibrating a pH meter stood on a shelf, alongside a sodium chloride solution and a mixed solution of sodium carbonate and sodium chloride. The buffer solution with a pH of 9.18 froze first, and a few days later the pH 4.01 solution solidified as well. Since these solutions were stored in plastic bottles, the freezing caused no damage. Plastic containers usually withstand the freezing of aqueous solutions without breaking. The dilute sodium chloride solution (6%) and the solution containing sodium carbonate (3%) with sodium chloride (6%) remained liquid throughout the winter.

The saturated solutions of potassium dihydrogen phosphate and potassium nitrate had still not frozen. The dihydrogen phosphate crystals were visually striking, whereas the nitrate crystals were rather unremarkable.

One night at home, I suddenly remembered that three 250 mL glass volumetric flasks containing pH buffer solutions were still in the laboratory. If those solutions froze, the flasks would crack. Unlike plastic bottles, glass vessels filled with aqueous solutions often shatter when the contents freeze.

I went to the laboratory first thing the next morning. Two of the buffer solutions remained liquid, but the pH 9.18 buffer had frozen and the flask had cracked. Fortunately, the frozen solution retained its shape, so I carefully placed it in a beaker and brought it to the heated laboratory to thaw. That room was exposed to direct sunlight, and despite the bitter cold outside, the temperature inside rose to 20°C. Some houseplants had even begun to bloom. The ice gradually melted, and I transferred the buffer solution into another flask.

A little later, my colleague arrived. Seeing the frozen buffer solution and the cracked flask, he suddenly remembered that several desiccators filled with tritiated water were stored in his laboratory. In addition to the laboratory he had turned into a storage room, he had another room - an unheated laboratory designed for working with tritium. Tritium experiments were conducted there when the room was warm, of course, but now the temperature had also dropped below freezing. The question was: what had happened to the desiccators filled with tritiated water?

Photos

Замерзшие буферные растворы для pH-метра - Часть 3

Продолжим инвентаризацию замерзших жидкостей в холодной лаборатории. На полке стояли буферные растворы для калибровки рН-метра, рядом были растворы хлорида натрия и смешанным раствором, содержащим карбоната натрия с хлоридом натрия. Первым замерз буферный раствор с рН=9.18, через несколько дней затвердел раствор с рН=4.01. Поскольку эти растворы находились в пластиковых бутылках, замерзание обошлось без последствий. Пластиковые сосуды обычно выдерживают замерзание воды, не разрушаясь. Разбавленные растворы хлорида натрия (6%) и карбоната натрия (3%) с хлоридом натрия (6%) всю зиму оставались жидкими.

Насыщенные растворы дигидрофосфата калия и нитрата калия пока не замерзли. Кристаллы дигидрофосфата выглядели красиво, кристаллы нитрата - невзрачно.

Находясь дома, я среди ночи вспомнил, что в лаборатории стояли три стеклянные мерные колбы на 250 мл с буферными растворами для рН-метра. Если эти растворы замерзли, колбы треснули. В отличие от пластиковых бутылок, стеклянные сосуды, заполненные водным раствором, разрушаются, когда этот раствор замерзает.

Утром сразу же пошел в лабораторию и обнаружил, что два буферных раствора остались жидкими, но буферный раствор с рН=9.18 замерз и колба треснула. К счастью, замерзший раствор сохранил форму, поэтому я поместил его в стакан и отнес в отапливаемую лабораторию, чтобы он растаял. В лабораторию попадали прямые солнечные лучи, поэтому температура поднялась до 20°С, несмотря на сильный мороз на улице. Некоторые комнатные растения начали цвести. Лед постепенно растаял, и я перелил буфер в другую колбу.

Чуть позже пришел мой коллега. Увидев замерзший буферный раствор и треснувшую колбу, он вспомнил, что в его лаборатории стоят эксикаторы с тритиевой водой. Кроме лаборатории, которую он превратил в кладовку, у него была еще одна комната - неотапливаемая лаборатория, предназначенная для работ с тритием. Эксперименты с тритием проводились, разумеется, когда в лаборатории было тепло, а сейчас в этой комнате температура также опустилась ниже нуля. Вопрос: что случилось с эксикаторами, полными тритиевой водой?

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Another "Frozen" Chemical Laboratory - Part 4
Другая "замерзшая" химическая лаборатория - Часть 4

My colleague finally inspected his laboratory. When he returned, he said everything was fine and invited me to take a look. There were four large desiccators in the room. Each contained a large cube of concrete. Two desiccators were filled with protium water ("regular" distilled water), while the other two contained tritiated water.

The experiment had been discontinued in the autumn. The water and concrete had been removed from two of the desiccators for analysis. However, the other two desiccators - still containing both water and concrete - remained untouched. One contained protium water, the other tritiated water.

Throughout the previous year, we had collected water samples from these desiccators. We measured pH and conductivity and, less frequently, determined the tritium content of the water. This laboratory was also unheated, so working there in winter was uncomfortable, but the temperature had never dropped below freezing. The minimum temperature last winter had been 2°C.

This winter, however, was much colder, and the temperature in the laboratory had fallen below 0°C. The water inside the desiccators could freeze and crack the thick glass walls. Unlike the situation in my laboratory, the water here was tritiated.

The desiccators had thick walls, and their height, width, and length were approximately equal. Inside each vessel was a massive concrete cube. All these factors gave us hope that the desiccators would withstand freezing without damage - but there was no certainty.

We entered the laboratory. Like my own room, it was cold. Ice filled two of the large desiccators, but the glass walls had not cracked. A hygrometer with "dry" and "wet" bulb thermometers hung inside the fume hood. At above-zero temperatures, the difference between the readings of these thermometers is used to determine air humidity. Now, however, the alcohol columns in both thermometers had dropped below the first mark on the scale. The temperature in the laboratory was approximately -2°C.

I remarked:

"The frost resistance of concrete is usually tested using ordinary water. This must be the first scientific study of the frost resistance of concrete in tritiated water!"

Of course, it was only a joke. The tritium concentration in this water was so low that it could not affect the frost resistance of the concrete. In most cases, the term tritiated water refers to water containing only trace amounts of tritium. Sometimes the tritium concentration does not even exceed the established drinking water standard (in our country, 30000 Bq/L). Pure tritiated water would quickly heat itself and evaporate due to radioactive decay.

Suddenly, I noticed two large PET bottles of distilled water on the table. One was a seven-liter bottle, and the water inside it had frozen solid. Given that the temperature in the laboratory had remained below freezing for extended periods, this was not surprising. Next to it stood a partially filled five-liter bottle - and the water inside it was still liquid.

I held my phone in one hand and turned on the camera. With the other hand, I gently shook the bottle. The water began to freeze literally before my eyes. Within 10-15 seconds, all the water in the bottle turned into opaque white ice.

Unfortunately, the video quality was not very good. I should have asked my colleague for help so that I would not have had to manage two tasks at once. He could have filmed the event while I initiated crystallization by shaking the bottle. However, I did not want to distract him from inspecting the equipment, since I was not at all certain that the water would freeze.

Disappointed by the poor video quality, I called my physicist colleague. I complained that this was the only time in my life I had witnessed supercooled water freezing, yet I had failed to record it properly.

The physicist reassured me. He explained that, unlike our institute, theirs is completely unheated. Employees bring bottles of mineral water and sometimes forget them in the laboratories. The water cools below freezing but does not solidify. When someone picks up such a bottle, the water suddenly freezes. According to him, such events are not uncommon at their institute.

However, capturing high-quality video of supercooled water crystallizing is rare, since several conditions must coincide. He listed a few: it must be winter; the building must be unheated; the temperature in the laboratory must fall below 0°C; an employee must bring a bottle of water and forget it there; and upon discovering it the next day, they must anticipate that the water will freeze as soon as it is disturbed. Therefore, recording must begin in advance.

While we were talking, I was imagining those cold laboratories - and suddenly I remembered that in my own unheated laboratory there were six bottles of distilled water, five of which still contained liquid water.

Photos/Video

Другая "замерзшая" химическая лаборатория - Часть 4

Коллега, наконец, осмотрел свою лабораторию. Вернувшись, он сказал, что там все нормально и пригласил меня посмотреть. В лаборатории стояли четыре больших эксикатора. В каждом из них находился большой кубик бетона. Два эксикатора были заполнены протиевой водой ("обычная" дистиллированная вода), два других содержали тритиевую воду. Осенью эксперимент был прекращен. Из двух эксикаторов воду и бетон извлекли для исследований. Однако, два эксикатора содержащие воду и бетон остались нетронутыми. В одном из них была протиевая вода, в другом - тритиевая.

Весь прошлый год мы отбирали из этих эксикаторов образцы воды. Измеряли pH и электропроводность, реже определяли содержание трития в воде. Эта лаборатория также не отапливалась, поэтому зимой работать здесь было холодно, однако температура не опускалась ниже нуля. В прошлую зиму минимальная температура в лаборатории составляла 2°С.

Однако нынешняя зима оказалась гораздо более холодной, поэтому температура в лаборатории опустилась ниже нуля. Вода внутри эксикаторов могла замерзнуть и разрушить стенки. В отличие от моей лаборатории, вода здесь была тритиевой.

Эксикаторы имеют толстые стенки. Высота, длина и ширина каждого эксикатора близки между собой. Внутри сосуда находился бетонный кубик. Все эти факты давали надежду, что эксикаторы не треснут при замерзании в них воды, но не было гарантии.

Зашли в лабораторию. Как и в моей комнате, там было холодно. Внутри двух больших эксикаторов был лед, но стенки не треснули. На стенке вытяжного шкафа висел гигрометр, который имел "сухой" и "мокрый" термометры. При плюсовых температурах в лаборатории по разнице показаний этих термометров определяют влажность воздуха. Однако, сейчас на обоих термометрах столбики спирта опустились ниже первой отметки шкалы. Температура в лаборатории была примерно -2°С.

Я отметил:

- Морозоустойчивость бетона исследуют, используя обычную воду. Это было первое в истории науки исследование морозоустойчивости бетона в тритиевой воде!

Разумеется, это была только шутка. Трития в данной воде было насколько мало, что его присутствие никак не влияло на морозоустойчивость бетона. В большинстве случаев под термином " тритиевая вода" подразумевают воду, содержащую лишь небольшое количество трития. Иногда концентрация трития в такой воде может даже не превышать норму, установленную для питьевой воды (для нашей страны это 30000 Бк/л). Чистая тритиевая вода моментально бы саморазогрелась и испарилась за счет тепла радиоактивного распада трития.

Внезапно я заметил на столе две большие PET бутылки с дистиллированной водой. Одна из них была семилитровой, вода внутри этой бутылки замерзла. Замерзание воды было логично, учитывая, что температура в лаборатории длительное время была ниже нуля по Цельсию. Рядом стояла неполная пятилитровая бутылка, вода в которой оставалась жидкой!

Я взял телефон в одну руку и включил съемку. Другой рукой легонько встряхнул бутылку. В результате вода внутри бутылки стала замерзать буквально на глазах. Секунд через 10-15 внутри бутылки уже был только белый лед!

К сожалению, видео получилось не лучшего качества. Мне следовало бы попросить помощь у коллеги, чтобы не выполнять две задачи одновременно. Он мог бы провести съемку, а я бы инициировал кристаллизацию, встряхнув бутылку. Однако я не хотел отвлекать коллегу от осмотра оборудования, поскольку был совсем не уверен, что вода замерзнет.

Расстроившись из-за качества видео, позвонил моему коллеге-физику. Пожаловался, что единственный раз в жизни удалось увидеть замерзание переохлажденной воды, но снять качественное видео не удалось!

Физик меня успокоил. Он сказал, что в отличие от нашего института, в их институте отопление отсутствует полностью. Сотрудники приносят с собой бутылки минеральной воды и иногда их забывают в лабораториях. Вода охлаждается, но не затвердевает. Если такую бутылку взять в руку, вода неожиданно замерзает. Такие события в их институте - совсем не редкость.

Однако, снять качественное видео кристаллизации переохлажденной воды удается редко, поскольку для этого необходимо совпадение сразу нескольких обстоятельств. Он перечислил только некоторые. Должна быть зима, институт должен не отапливаться и температура в лаборатории должна опуститься ниже нуля. Сотрудник должен принести на работу бутылку с водой и там ее забыть. А на следующий день, обнаружив бутылку, человек должен осознать, что вода замерзнет, как только он возьмет бутылку в руки или попытается ее открыть. Следовательно, необходимо заранее начать видеозапись.

Во время нашего разговора я представлял холодные лаборатории и неожиданно я вспомнил, что в моей неотапливаемой лаборатории стояло шесть бутылок с дистиллированной водой, в пяти из которых вода осталась жидкой.