Freezing of Supercooled Water - Chemistry and Chemists № 1 2026

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

Freezing of Supercooled Water - Part 5
Замерзание переохлажденной воды - Часть 5

I went to the unheated laboratory and immediately checked the thermometer. The temperature was -5°C. I secured my smartphone to a tripod and started recording.

I carefully shook the first bottle of distilled water; however, the water did not begin to freeze. Then I picked up the second bottle - the one that had already frozen - and discovered that some of the water inside it was still liquid. In other words, it had not completely frozen while standing in the cold room.

I shook the third and fourth bottles of distilled water - the supercooled water in them remained liquid.

I opened the cap of the first bottle and shook it again. This time, the liquid began to crystallize rapidly. Suddenly, I noticed that the water in the fourth bottle had also started to freeze. About a minute later, white, opaque ice formed inside both the first and fourth bottles.

However, the water in the third bottle was still liquid. I shook it vigorously. Rapid crystallization began, and soon all the water turned into white ice.

There was still one full bottle and one partially filled bottle of supercooled water left. I turned off the camera, moved the smartphone closer, carefully adjusted the focus, and shook the full bottle. The water froze quickly - the experiment was perfect.

I was delighted - and only then realized that I had forgotten to turn on the video recording.

One six-liter bottle remained, containing only about one liter of distilled water. I shook it, and the water froze within seconds.

So, I did manage to record the instant freezing of supercooled water. Unfortunately, there was a fly in the ointment: when I attempted to film the process close up, the camera had been turned off. I was deeply disappointed.

The question was: could the experiment be repeated? At the time, I did not know the answer, but I decided to try. I brought a fresh bottle of distilled water into the cold laboratory and left it there overnight.

I hoped the water would supercool and remain liquid, as had happened with the previous five bottles. However, those bottles had cooled gradually along with the room. Now the situation was different - I had brought the bottle into an already cold laboratory, so I was unsure whether the water would remain liquid or freeze by morning.

To increase my chances, I also took one of the frozen bottles into the warm laboratory. It would thaw overnight and could then be returned to the cold room for another attempt.

The next day, I found that the water in the bottle left in the cold laboratory had indeed remained liquid. I turned on the camera, shook the bottle, and the contents froze. I noticed that although the freezing began almost instantly, it was not complete: some of the water remained liquid. The bottle did not contain solid ice, but rather a slushy mixture. Had I understood the significance of this observation at the time, I would have spared myself considerable frustration later - but I will not get ahead of the story.

For comparison, I shook the bottle of distilled water that I had just brought back from the warm laboratory. As expected, the water remained liquid.

Photos/Video

Замерзание переохлажденной воды - Часть 5

Пришел в неотапливаемую лабораторию, первым делом посмотрел на термометр. Температура составляла -5°С. Закрепил смартфон в штативе, включил съемку.

Осторожно встряхнул первую бутылку с дистиллированной водой - однако замерзание воды не началось. Потом встряхнул вторую - уже замерзшую - бутылку с водой, в результате обнаружил, что часть воды в бутылке осталась жидкой. Другими словами, при стоянии в холодной комнате вода замерзла не полностью.

Встряхнул третью и четвертую бутылки с дистиллированной водой - замерзание переохлажденной воды не началось.

Открыл крышку первой бутылки, еще раз встряхнул - жидкость начала быстро кристаллизоваться. Неожиданно я увидел, что вода в четвертой бутылке также начала замерзать. Примерно через минуту внутри первой и четвертой бутылок был белый, непрозрачный лед.

Зато в третьей бутылке вода по-прежнему оставалась жидкой. Сильно встряхнул бутылку. Началась быстрая кристаллизация. Вскоре вся вода превратилась в белый лед.

Осталась еще одна полная и одна неполная бутылка с переохлажденной водой. Выключил съемку, установил смартфон поближе, тщательно выставил резкость и встряхнул полную бутылку. Вода быстро замерзла - эксперимент получился идеально!

Я обрадовался и только теперь обнаружил, что забыл включить съемку видео!

Осталась еще одна шестилитровая бутылка, внутри которой был только литр дистиллированной воды. Встряхнул бутылку - вода за несколько секунд замерзла.

Итак, удалось снять видео моментального замерзания переохлажденной воды. К сожалению, не обошлось без ложки дегтя. Когда я попытался снять процесс с близкого расстояния, камера оказалась выключенной. Я сильно расстроился.

Вопрос: возможно ли повторить эксперимент? Ответа я тогда не знал, но решил попытаться. Принес в холодную лабораторию бутылку дистиллята и оставил ее там на ночь.

Я надеялся, что вода переохладиться, оставшись жидкой, как это случилось с пятью другими бутылками дистиллята. Однако, предыдущие бутылки очень медленно остывали вместе с комнатой. А сейчас условия были другие - я принес бутылку в уже остывшую лабораторию, поэтому не был уверен, что вода к утру останется жидкой, а не замерзнет.

Чтобы перестраховаться, я забрал одну из бутылок с замерзшей водой в теплую лабораторию. За ночь она растает, после чего ее можно будет вернуть в холодную лабораторию для следующей попытки.

На следующий день оказалось, что вода в оставленной бутылке осталась жидкой. Включил съемку, встряхнул бутылку - содержимое замерзло. Я обратил внимание, что хотя замерзание воды было быстрым, почти моментальным, оно не было полным: часть воды осталась жидкой. Внутри бутылки был не монолитный лед, а "ледяная каша". Если бы я тогда осознал важность этого факта, то сэкономил бы себе много нервов в будущем, но не буду забегать наперед.

Для сравнения встряхнул бутылку с дистиллированной водой, которую я только что принес из теплой лаборатории. Разумеется, вода осталась жидкой.

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

Water Volume Shrinkage When Heating - Part 6
Уменьшение объема воды при нагревании - Часть 6

While I had the opportunity, I decided to repeat the supercooling experiment. I brought the bottles of frozen distilled water into the warm laboratory to let them melt. To speed up the process, I placed the bottles on a radiator.

As the water gradually warmed, I unexpectedly noticed that air bubbles were entering one of the bottles through a loose cap. This indicated that the contents of the bottle were contracting rather than expanding as they warmed. Liquids and solids typically expand when heated. In addition, most substances increase in volume when they melt.

However, water is an exception to this rule. When liquid water freezes, its volume increases. That is why the water in my laboratory ruptured the plumbing pipes when it froze inside them. Glass bottles filled with water also usually crack upon freezing, even if they have thick walls.

When ice melts, on the other hand, its volume decreases. That is why air was drawn into the plastic bottle as the ice melted - a partial vacuum formed inside as the solid turned into liquid. Moreover, liquid water continues to contract when heated from 0°C to 4°C; only above 4°C does it begin to expand. Thus, the density of water is greatest at 4°C. Above and below this temperature, its density decreases.

I noticed this effect because one of the bottles had a leaky cap, allowing air to enter. When the caps were airtight, the plastic walls simply collapsed inward slightly as the ice melted.

The expansion of water upon freezing is of great importance for living organisms in rivers, lakes, and seas. When cold weather sets in, water at the surface begins to freeze. Because ice is less dense than liquid water, it floats, forming a continuous layer on the surface and insulating the liquid below from further cooling. During prolonged and severe frosts, the ice layer gradually thickens, but liquid water remains beneath it, and its temperature does not fall below the freezing point (unlike in our experiments with distilled water in bottles).

If ice were denser than liquid water, it would sink to the bottom instead of forming an insulating surface layer. As a result, the liquid water would remain in constant contact with the cold air, and the entire body of water could freeze completely. The presence of liquid water is crucial for aquatic ecosystems, since only a limited number of organisms can survive within solid ice.

After the ice in the bottles melted, I brought them to the cold laboratory and left them overnight to let the water supercool.

Photos

Уменьшение объема воды при нагревании - Часть 6

Пока была возможность, следовало повторить эксперимент по переохлаждению воды, Принес бутылки с замерзшей дистиллированной водой в теплую лабораторию, чтобы они растаяли. Для ускорения плавления льда положил бутылки на радиатор батареи отопления.

Пока вода постепенно нагревалась, неожиданно обнаружил, что пузырьки воздуха проникают внутрь одной из бутылок сквозь неплотную пробку. Это означало, что содержимое бутылки при нагреве не расширялось, а сжималось. Обычно жидкости и твердые тела при нагревании расширяются. Кроме того, большинство твердых тел увеличивают объем при плавлении.

Однако, вода является исключением из этого правила. При замерзании жидкой воды ее объем увеличивается. Именно поэтому вода разрушила водопроводные трубы в моей лаборатории, когда замерзла внутри. Стеклянные бутылки, полные воды, при замерзании обычно трескаются, включая бутылки с толстыми стенками.

С другой стороны, при таянии льда его объем уменьшается. Именно поэтому в пластиковую бутылку втягивался воздух по мере того, как лед таял - когда твердое вещество превращалось в жидкость, внутри бутылки образовалось разрежение. Более того, жидкая вода продолжает сжиматься при нагревании от 0°C до 4°C; только при температуре выше 4°C она начинает расширяться. Таким образом, плотность воды максимальна при 4°C. Выше и ниже этой температуры ее плотность уменьшается.

Я обратил внимание на этот эффект благодаря тому, что у одной из бутылок с дистиллированной водой оказалась негерметичная пробка, это позволило пузырькам воздуха попадать внутрь. У пластиковых бутылок с герметичной пробкой при таянии льда просто сжимались стенки.

Увеличение объема воды при замерзании имеет большое значение для живых организмов рек, озер и морей. Когда наступает холодная погода, вода начинает замерзать. Образовавшаяся лед имеет более низкую плотность, чем жидкая вода, поэтому он остается сверху, образуя сплошной слой поверх жидкости, который препятствует дальнейшему замерзанию водоема. В сильные и продолжительные морозы толщина льда постепенно увеличивается, но под слоем льда остается жидкая вода, температура которой не опускается ниже точки замерзания (в отличие от наших экспериментов с бутылками дистиллированной воды).

Если бы лед был тяжелее жидкой воды, он бы опускался на дно, не образуя изолирующего слоя на поверхности водоема. В результате жидкая вода постоянно контактировала бы с холодным воздухом, и водоем бы замерз полностью. Наличие жидкой воды чрезвычайно важно для водных экосистем, поскольку внутри твердого льда могут выжить лишь немногие организмы.

После того, как лед в бутылках растаял, отнес их в холодную лабораторию и оставил на ночь, чтобы вода переохладилась.