Freezing of Supercooled Water - Part 7
Замерзание переохлажденной воды - Часть 7

When I arrived at the institute the next day, I immediately went to the unheated laboratory. Contrary to my fears, the water in all four bottles had remained liquid. The room temperature was -3°C.

I mounted my smartphone on a tripod so that all four bottles were captured simultaneously. The experiment was planned as follows: I would start recording, shake three bottles one after another to initiate ice formation, then wait for the water in these bottles to freeze and stop filming. After that, I would move the camera closer to the remaining bottle of liquid water to capture the freezing of the supercooled water at close range, turn on the camera, and shake the bottle.

I was getting ready to start filming when a client unexpectedly called and asked me questions about a possible new project. I had to go to the heated laboratory to dictate data from the lab journal.

I returned to the cold laboratory, mounted the smartphone on the tripod again, and began filming. I shook the first, second, and fourth bottles one after another. The water inside them turned into white ice. For a few moments, I considered whether I should shake the third bottle immediately, without stopping the recording or moving the camera closer.

I finally stopped filming, moved the camera closer to the third bottle, turned on the video, and was about to reach for the bottle… when I suddenly realized the phone was not mounted level on the tripod. I stopped recording, adjusted the phone, and resumed filming. Then I noticed again that the phone was unevenly positioned. This happened several times until I finally got the phone level and shook the bottle. The water quickly froze, turning into white ice. The process looked spectacular. The experiment was perfect.

And only then did I realize… I had forgotten to turn on the camera.

I made the same mistake in two experiments in a row. Both then and now, I forgot to turn on the camera before the crystallization of the water in the last bottle. I cannot describe how upset I was.

So, what was the problem? I could melt the ice again in the warm laboratory, then return the bottles of water to the cold laboratory to supercool the water again. After that, I could crystallize the supercooled water once more. This cycle could be repeated as many times as necessary.

Unfortunately, a new problem arose: according to the weather forecast, warmer temperatures were expected the next day. After the severe frost, the temperature was expected to rise to several degrees above zero. The next two days were holidays. By the third day, the temperature in the laboratory itself could rise to zero degrees Celsius or higher, making supercooling impossible.

I could see no alternative to supercooling the water in the laboratory. A colleague had a household refrigerator in his lab. Could it be used to produce supercooled water? I had not been able to do this in the past: water placed in the freezer always froze. I believe the cause was vibrations from the refrigerator's motor, which initiated ice formation.

For the same reason, I did not leave the bottles outside in the institute courtyard. It was colder there than in the unheated laboratory, but people and cars were nearby. Vibrations from footsteps or car engines could easily cause the water in the bottles to freeze.

It was impossible to know what the weather would be like for the rest of the winter. Most likely, severe frosts would return. However, there was also a chance that the weather would remain warm and I would no longer be able to supercool the water in the laboratory. By next winter, our institute could become a crater if a ballistic missile were to hit it. Dozens of buildings in our neighborhood alone have already been damaged or destroyed. It is not wise to make long-term plans during a war.

Therefore, I tried to repeat the experiment that same day. I urgently brought a bottle of distilled water from the heated laboratory, placed it in the position of the third bottle (whose freezing I had not been able to record), and left it to cool.

An hour and a half later, I returned and shook the bottle - the water remained liquid. No matter how much I shook it, it did not freeze. I returned three and a half hours later and shook it again. Large needle-shaped ice crystals appeared - the water had begun to freeze. However, crystal growth soon stopped - the bottle had not cooled sufficiently. The ice floated to the surface, and it became clear that most of the bottle was still filled with liquid water.

I melted the ice in the partially frozen bottle and returned it to the unheated laboratory to cool over the weekend. I placed the bottle between three others containing frozen water so that, after the water supercooled, I could reshoot the final part of the video. To be on the safe side, I brought an extra bottle of water to the laboratory as a backup. I had done all I could; I could only rely on the weather.

It turned out that the forecast had been wrong - severe frosts continued over the weekend, and it did not warm up until the first working day of the new week. The temperature in the laboratory remained at -3°C. The water in the two bottles had become supercooled.

I mounted the camera on the tripod, turned it on, double-checked that it was recording, and shook the bottle vigorously. Nothing happened. I had to shake it several times before the water began to freeze. The water gradually turned into white ice, although it was noticeable that some liquid remained.

However, the water in the other three bottles had frozen completely over the weekend. The ice inside was not slushy but solid. In one of the bottles, the ice cracked loudly just as I was filming the freezing process.

Finally, I successfully initiated freezing in the reserve bottle containing supercooled distilled water.

A little later, I discovered a cork from a bottle of distilled water lying on the laboratory floor. It had not been there before the weekend - no one had entered the room during that time. It turned out to be the cork from the only bottle that had frozen on its own before I began my first experiments with supercooled water. Now I realized that the freezing of the water in that bottle had also been incomplete. As the laboratory gradually cooled, most of the water froze, but some remained liquid. Only now had it completely frozen, and the expanding ice had forced the cork out.

I screwed the cork back on and carried this bottle, along with the others containing frozen distilled water, into the warm room. As the ice melted, the bottle walls contracted sharply.

Photos/Video

Замерзание переохлажденной воды - Часть 7

Когда на следующий день пришел в институт, сразу же пошел в неотапливаемую лабораторию. Вопреки моим опасениям, вода во всех четырех бутылках осталась жидкой. Температура в помещении составляла -3°С.

Установил смартфон в штативе так, чтобы в кадр попали все четыре бутылки одновременно. План эксперимента был следующий. Я должен был начать запись видео, встряхнуть одна за другой три бутылки, инициируя образования льда. Потом я должен был дождаться, пока вода в этих бутылках замерзнет и прекратить съемку. Приблизить камеру к оставшейся бутылке с жидкой водой, чтобы заснять замерзание переохлажденной воды с близкого расстояния, включить камеру и встряхнуть бутылку.

Я приготовился начать съемку - вдруг неожиданно позвонил заказчик и задал мне вопросы относительно возможного нового проекта. Пришлось идти в отапливаемую лабораторию, чтобы продиктовать данные из лабораторного журнала.

Вернулся в холодную лабораторию, снова установил смартфон в штатив, начал съемку. Последовательно встряхнул первую, вторую и четвертую бутылки. Вода внутри сосудов превратилась в белый лед. Несколько мгновений я сомневался, не следует ли мне встряхнуть и третью бутылку - прямо сейчас, - не прерывая съемку и не приближая камеру?

Все-таки я остановил съемку, приблизил камеру к третьей бутылке, включил съемку видео, уже потянул руку к бутылке... и вдруг обнаружил, что телефон закреплен в штативе неровно. Остановил съемку, поправил телефон, возобновил съемку видео. И тут я опять заметил, что телефон расположен неровно. Так повторилось несколько раз, пока я, наконец, установил телефон ровно и встряхнул бутылку. Вода быстро замерзла, превратившись в белый лед. Процесс выглядел эффектно. Эксперимент получился идеально.

И только теперь я обнаружил, что... забыл включить камеру!

Идентичную ошибку я повторил в двух экспериментах подряд! И тогда и теперь во время кристаллизации воды в последней бутылке я забыл включить камеру. Не могу передать, как сильно я расстроился.

Казалось бы, в чем проблема? Я мог еще раз растопить лед в теплой лаборатории, а затем вернуть бутылки с водой в холодную лабораторию, чтобы вода снова переохладилась. После этого можно будет снова провести кристаллизацию переохлажденной воды. При желании такой цикл можно повторять много раз.

К сожалению, возникла проблема - на следующий день ожидалось потепление. После сильных морозов температура должна была подняться до нескольких градусов выше нуля по Цельсию. Следующие два дня были выходными. К третьему дню температура в самой лаборатории могла подняться до нуля градусов или выше, что делало невозможным переохлаждение воды.

Альтернативных вариантов переохладить воду я не видел. В лаборатории у коллеги стоял бытовой холодильник. Можно ли его было использовать для получения переохлажденной воды? В прошлом мне это не удалось: вода, помещенная в морозильную камеру холодильника, всегда замерзала. Думаю, что причина была в вибрациях от работающего двигателя холодильника, которые инициировали образование льда.

По этой же причине я не стал оставлять бутылки за пределами помещения - во дворе института. Там было холоднее, чем в неотапливаемой лаборатории, однако, поблизости ходили люди и ездили машины. Вибрация от шагов или от двигателей автомобилей легко могла бы инициировать замерзание воды в бутылках.

Было неизвестно, какой будет погода на протяжении оставшейся части зимы. Скорее всего, сильные морозы вернуться. Однако, существовала вероятность, что погода будет теплой и я больше не смогу переохладить воду в лаборатории. А к следующей зиме на месте нашего института вообще может быть воронка - если сюда прилетит баллистическая ракета. В одном только в нашем районе уже были повреждены или разрушены десятки зданий. Во время войны не стоит строить долговременные планы.

Следовательно, я попытался повторить эксперимент в тот же день. Срочно принес из отапливаемой лаборатории бутылку дистиллята, поставил ее на место третьей бутылки (замерзание которой я не смог заснять) и оставил бутылку охлаждаться.

Через полтора часа вернулся и встряхнул бутылку - вода осталась жидкой. Сколько я не встряхивал бутылку, замерзания воды не произошло. Снова пришел в лабораторию через три с половиной часа, опять встряхнул бутылку. Появились крупные игольчатые кристаллы льда - вода начала замерзать. Однако, рост кристаллов льда вскоре прекратился - бутылка не успела достаточно остыть. Лед всплыл, большую часть объема бутылки занимала жидкая вода.

Я растопил лед в не полностью замерзшей бутылке, после чего вернул ее в неотапливаемую лабораторию охлаждаться на выходные. Бутылку поставил между тремя другими с уже замерзшей водой, чтобы после ее переохлаждение можно было переснять заключительную часть видеоролика. Для перестраховки принес еще одну - резервную бутылку с водой. Все, что мог, я сделал, оставалось полагаться только на погоду.

Оказалось, что прогноз погоды не оправдался - на выходных у нас все еще стояли сильные морозы, потеплело только в первый рабочий день новой недели. Температура в лаборатории пока оставалась на уровне -3°С. Вода в двух бутылках переохладилась.

Установил камеру в штативе, включил ее, потом перепроверил, что камера работает, и сильно встряхнул бутылку. Ничего не произошло. Бутылку пришлось встряхивать несколько раз, пока не началось замерзание воды. Вода в бутылке постепенно превратилась в белый лед, хотя было заметно, что немного воды оставалось жидкой.

Зато в трех других бутылках вода за выходные замерзла полностью. Внутри была уже не "ледяная каша", а монолитный лед. В одной из бутылок этот лед громко треснул прямо во время съемки замерзания воды.

В заключение успешно провел инициацию замерзания резервной бутылки с переохлажденной дистиллированной водой.

Чуть позже обнаружил, что на полу лаборатории лежат пробка от бутылки с дистиллированной водой. До выходных ее там не было - за это время в комнату никто не заходил. Оказалось, что это была пробка от той единственной бутылки, которая замерзла самостоятельно - до начала моих первых экспериментов с переохлажденной водой. Теперь я понял, что замерзание воды внутри этой бутылки также было неполным. Когда лаборатория постепенно остыла, замерзла большая часть воды, но часть оставалась жидкой. Только сейчас вода в бутылке замерзла полностью, а лед, расширяясь, вытолкнул пробку.

Закрутил пробку, отнес эту и остальные бутылки с замерзшей дистиллированной водой в теплую комнату. Когда лед в бутылке растаял, ее стенки сильно сжались.

Download the Video (150 Mb, .avi )

''Demining'' of Flasks Containing Tritiated Water - Part 8
"Разминирование" колб, содержащих тритиевую воду - Часть 8

That day, for the second experiment in a row, I forgot to turn on the camera before initiating the freezing of the supercooled water. I did not yet know whether I would be able to repeat the experiment, so I was very upset. It turned out that the troubles of that day were only beginning.

My colleague suddenly remembered that in his unheated laboratory, in addition to the desiccators containing tritiated water, there were also three flasks of tritiated water and a jar filled with a mixture of deuterated and tritiated water. This was water with a higher tritium content, which I had distilled the previous summer. The flasks and the jar were made of glass. If the water inside these vessels froze, they would certainly crack. And inside them was tritiated water.

Several more hours passed before my colleague finally decided to go to the laboratory and check. When he returned, he assured me that everything was fine and that we had worried for nothing - the water remained liquid.

Having recently worked with supercooled water, I immediately realized how wrong my colleague was. We had a serious problem. The water had been in a room with subzero temperatures for an extended period and had remained liquid; therefore, it had become supercooled. Such water can freeze at any moment, even without any apparent cause.

I explained the danger to my colleague. The flasks would crack when the tritiated water froze. We would lose the water needed for the experiments and contaminate the laboratory with radioactivity. I insisted that the vessels be moved urgently to a heated laboratory. My colleague replied:

"I'll move them later… According to the forecast, it should warm up."

I had grown accustomed to my colleague's lack of urgency, so I returned to my own work, continuing my experiments with supercooled water.

After the weekend, the weather began to warm up - two days later than forecast. However, according to the updated forecast, another cold snap was expected the following day. This prediction later proved correct: the frosts were the most severe in 15 years. I went to see my colleague - he had not yet arrived at work.

I went straight to his unheated laboratory to check the condition of the flasks. The temperature inside was -1°C. I headed toward the vessels. My heart immediately sank - there was a white patch beneath one of the flasks. It was ice. The flask had cracked, and tritiated water had leaked out. The other two flasks and the jar still contained liquid water and were intact.

I decided to immediately take the two remaining flasks and the jar to my laboratory and then deal with the consequences of the accident - the cracked flask.

However, there was a "small" problem: the water in the vessels was supercooled. During my recent experiments, when I shook bottles containing supercooled water, the water froze instantly. Those bottles were plastic and did not shatter when the water solidified. Now I had two glass flasks and a glass jar filled with supercooled tritiated water in front of me. If I picked up any of them, the disturbance could trigger immediate freezing. The glass container might crack in my hands.

The situation resembled clearing a room of mines or defusing unexploded ordnance (UXO), where one careless movement can cause disaster. Ten years ago, I served as a sapper during the war, but in some ways things were simpler then. There was a standard operating procedure, developed over generations, for handling mines and other munitions.

With the flasks of water, however, the situation was unusual. I had to think carefully.

A flask is not a mine. Skin contact with the water would not be immediately fatal. External exposure to tritium is relatively harmless, since its beta particles have very low energy. On the other hand, tritium can readily enter the body, for example, through the skin or lungs. Internal exposure to beta radiation is far more dangerous. Moreover, tritium replaces ordinary hydrogen in biological molecules, including DNA. When a tritium atom decays, it becomes helium-3, and the affected molecule turns into a free radical. Therefore, it was best to prevent any leakage of tritiated water.

While considering what to do, I examined the flasks more closely and discovered that the third flask was also intact. The water inside remained liquid. From a distance, I had mistaken the plastic bag covering the flask for a puddle of frozen water.

Incidentally, bomb disposal specialists also carefully inspect suspicious objects before determining what they are dealing with and deciding on a disposal strategy.

I decided to carefully lift each flask and place it into a large bucket, then carry it to a heated laboratory. Even if the water began to freeze, I would likely have enough time to place the vessel in the bucket before the glass cracked.

I picked up the first flask, carefully placed it into the bucket, and carried it to my laboratory. The water remained liquid. I then repeated this procedure three more times, transferring the other two flasks and the jar. In all cases, the water remained liquid.

A few hours later, my colleague came to see me. I asked him to look inside the fume hood, where the vessels containing tritiated water were now stored, and asked whether he noticed anything unusual. He looked but did not understand what I meant. Only after about a minute did he recognize his flasks and jar.

A couple of days later, he brought a plastic beaker that had also been stored in his cold laboratory - a remnant of a summer experiment. Inside was a completely frozen mixture of tritiated and deuterated water, with clay at the bottom. Fortunately, the beaker was plastic and had not cracked when the contents froze.

Later, I conducted several additional experiments with supercooled distilled (protium) water and realized an important detail. Instant freezing of supercooled water does not necessarily mean complete solidification. When the liquid begins to crystallize, latent heat of fusion is released. This raises the temperature of the water to 0°C, eliminating the supercooled state and dramatically slowing further freezing. Supercooled water typically does not transform immediately into solid monolithic ice but into a plastic "ice slush." This slush gradually converts into solid ice if the vessel remains in a cold environment.

If a flask containing such "ice slush" is immediately transferred to a warm room, the glass walls will most likely remain intact. In other words, my fear that the flasks would burst in my hands was exaggerated. Even if freezing had been triggered, it would not have resulted in the immediate formation of solid ice capable of destroying the vessels.

Photos

"Разминирование" колб, содержащих тритиевую воду - Часть 8

В тот день я второй эксперимент подряд забыл включить съемку перед тем, как инициировать замерзание переохлажденной воды. Удастся ли повторить эксперимент, я еще не знал, поэтому сильно расстроился. Оказалось, что неприятности в этот день только начинались.

Коллега неожиданно вспомнил, что в его неотапливаемой лаборатории, кроме эксикаторов с тритиевой водой, находились также три колбы с тритиевой водой и одна банка со смесью дейтериевой и тритиевой воды. Это была вода с более высоким содержанием трития, которую я перегнал прошлым летом. Колбы и банка были стеклянными. Если вода внутри этих сосудов замерзла, любой из них гарантированно треснул. А внутри находилась тритиевая вода.

Прошло еще несколько часов, пока коллега, наконец, решил сходить в лабораторию и проверить. Вернувшись, он заверил, что все в порядке, и мы зря переживали - вода осталась жидкой.

Я недавно работал с переохлажденной водой, поэтому сразу осознал, как сильно коллега ошибался. У нас возникла большая проблема. Вода длительное время находилась в помещении с температурой ниже нуля градусов по Цельсию и осталась жидкой, следовательно, она перешла в переохлажденное состояние. Такая вода может в любой момент замерзнуть - даже при отсутствии видимой причины.

Объяснил коллеге опасность. Колбы при замерзании тритиевой воды треснут. Мы потеряем воду, необходимую для экспериментов, и получим радиоактивное заражение лаборатории. Я сказал, что воду срочно нужно перенести в отапливаемую лабораторию. Коллега ответил:

- Потом перенесу... Согласно прогнозу погоды должно быть потепление.

К тому, что коллега редко спешит делать работу, я привык, поэтому занялся своими делами - продолжил эксперименты с переохлажденной водой.

После выходных началось потепление - с задержкой на два дня по сравнению с прогнозом. Однако, согласно новому прогнозу погоды, через день должно было начаться новое похолодание. Позже выяснилось, что этот прогноз оправдался - морозы были самыми сильными за лет 15. Пошел к коллеге - его еще не было на работе.

Тогда я пошел прямо в его неотапливаемую лабораторию, чтобы проверить состояние колб. Зашел в лабораторию - температура была -1°С. Я направился к колбам. Мое сердце сразу же ушло в пятки - под одной из колб было белое пятно! Это был лед - колба треснула, тритиевая вода вытекла. Две остальные колбы и банка содержали жидкую воду, следовательно, были целыми.

Решил немедленно забрать две уцелевшие колбы и банку в свою лабораторию, а потом уже устранять последствия аварии (треснувшая колба).

Однако, была "небольшая" проблема - вода в сосудах была переохлажденной. Когда во время недавних экспериментов я встряхивал бутылки с переохлажденной водой - вода сразу же замерзала. Бутылки были пластиковыми и не разрушались при переходе воды в твердое состояние. Сейчас передо мной находились две колбы и банка с переохлажденной тритиевой водой. Если я возьму любой из сосудов в руки, это может инициировать моментальное замерзание воды. Колба или банка с радиоактивной водой треснет прямо у меня в руках.

Ситуация напоминала процедуру разминирования комнаты или обезвреживание неразорвавшегося боеприпаса, когда одно неосторожное движение может привести к взрыву. Десять лет назад я служил сапером на войне, но там было проще - существовал стандартный порядок действий, выработанный поколениями: как следует обращаться с минами и другими боеприпасами.

В случае колб с водой возникла нестандартная ситуация. Нужно было хорошо подумать, что делать.

Колба - не мина. Контакт воды с кожей не был бы смертелен. Внешнее облучение организма тритием сравнительно безопасно, поскольку энергия его бета-частиц низкая. С другой стороны, тритий быстро проникает в организм, например, через кожу и легкие. Внутреннее облучение тканей бета-частицами гораздо серьезнее. Кроме того, тритий замещает легкий изотоп водорода в биологических молекулах, в том числе в ДНК. При распаде такого атома трития он превращаются в гелий-3, а биологическая молекула становится свободным радикалом. Поэтому до утечки тритиевой воды лучше было не доводить.

Размышляя что делать, я осмотрел колбы с близкого состояния и обнаружил, что третья колба с водой также была неповрежденной. Вода внутри колбы осталась жидкой. С большего расстояния я принял полиэтиленовый кулек, в котором находилась третья колба, за лужу замерзшей воды.

Кстати, саперы тоже сначала внимательно осматривают опасные или подозрительные предметы перед тем, как решить, с чем они имеют дело, а затем выработать план обезвреживания.

Я решил, что каждую колбу следует осторожно взять в руку и поставить в большое ведро, затем отнести в отапливаемую лабораторию. Даже, если вода начнет замерзать, я успею поставить колбу в ведро до того, как стекло треснет.

Взял первую колбу, осторожно поставил в ведро, отнес в свою лабораторию. Вода осталась жидкой. Потом повторил эту процедуру еще три раза - забрал два другие колбы и банку. Во всех сосудах вода осталась жидкой.

Через несколько часов ко мне пришел коллега. Я попросил его заглянуть в вытяжной шкаф, где теперь находились сосуды с тритиевой водой, спросив, не видит ли он там чего-то необычного? Коллега посмотрел и не смог понять, что я имел в виду. Только через минуту он обратил внимание на свои колбы и банку.

Еще через пару дней коллега принес пластиковый стакан, который также находился холодной лаборатории. Это был его летний эксперимент. Внутри находилась полностью замерзшая смесь тритиевой и дейтериевой воды и глина. Хорошо, что стакан был пластиковым и не треснул при замерзании воды.

Позже я провел еще несколько экспериментов с переохлажденной дистиллированной (протиевой) водой и осознал важную деталь. Моментальное замерзание переохлажденной воды не обязательно означает полное замерзание воды. При переходе жидкости в твердое состояние выделяется скрытая теплота кристаллизации, за счет которой температура переохлажденной воды поднимается до 0°С, вода перестает быть переохлажденной и ее замерзание резко замедляется. Обычно переохлажденная вода превращается не в твердый лед, а в пластичную "ледяную кашу". Эта каша постепенно переходит в твердый монолитный лед, если сосуд оставить в холодном помещении.

Если колбу с образовавшейся "ледяной кашей" внутри сразу же забрать в теплую комнату, то стеклянные стенки, скорее всего, останутся целыми. Другими словами, я даром опасался, что колбы с переохлажденной водой лопнут у меня в руках. Замерзание воды не привело бы к моментальному образованию твердого льда, который разрушает сосуды.

[ Experiments with Ice and Dry Ice. Supercooled Liquids ]
[ Life of Chemists ]

Supercooled and superheated liquids - Discussion on the forum
Adventures of Chemists / Life of Chemists - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]