Kan water kouder zijn dan nul graden Celsius?

In de winter strooien we zout op de weg, zodat de sneeuw of het ijs smelt. Toch wordt het gesmolten water kouder en is zelfs beneden het vriespunt vloeibaar. Geloof je dat?

Je hebt nodig: 

• IJsblokjes
• Strooizout of keukenzout
• Drinkglas
• Thermometer

Welke thermometer?
Een digitale aquariumthermometer met een sensor aan een draadje voor het meten van de buitentemperatuur is zeer geschikt. Gewone buitenthermometers met een buisje en een reservoir kunnen ook prima. Pas op met houten en metalen thermometers als je deze in een zoutoplossing stopt.

Let op: digitale meters zonder een sensor aan een draadje zijn ongeschikt. Ze gaan zelfs stuk als je ze onderdompelt.

Wat moet je doen?

• Sla de ijsblokjes in wat kleinere stukjes, dat werkt het best (zeker als de ijsblokjes wat groot zijn). Doe dit door bijvoorbeeld de ijsblokjes in een droge theedoek te wikkelen en er op te slaan met een hamer (leg er een stuk golfkarton of kranten onder om deuken in de tafel of vloer te voorkomen). Maak het niet te dol.
• Zet de thermometer of de sensor in een drinkglas. Doe de stukjes ijs erbij. Heb je een grote thermometer, gebruik dan meer ijs. Het reservoir of de sensor van de thermometer moet omringd zijn door ijs. Doe er een beetje water bij. Roer met een lepel het ijs en water door elkaar.
• Laat alles een paar minuutjes staan zodat er een temperatuurevenwicht is. Lees de temperatuur af.
• Strooi twee of drie theelepels zout op het ijs en probeer door wat te roeren het zout en het ijs goed met elkaar in contact te brengen.
• Houd de thermometer in de gaten.
• Beantwoord de volgende vragen:
  - Wat zie je met de temperatuur gebeuren?
  - Is het water ijs geworden?
  - Wat gebeurt er aan de buitenkant van het drinkglas?
• Probeer een zo laag mogelijke temperatuur te bereiken door wat te spelen met de hoeveelheid zout en ijs.

Zou suiker hetzelfde effect geven?

Wist je dat?
Daniël Fahrenheit, een Pools-Amsterdamse instrumentmaker, gebruikte deze manier om de 0 °F van zijn thermometers te bepalen.

Wat gebeurt er?

Vloeibaar water bestaat uit waterdeeltjes (deze deeltjes noem je moleculen) die met een bepaalde gemiddelde snelheid langs elkaar bewegen en met elkaar botsen. Daarnaast trekken de watermoleculen elkaar een beetje aan. In vloeibaar water zijn de watermoleculen heel beweeglijk en bewegen ze willekeurig langs elkaar heen.

IJs bestaat echter uit watermoleculen die heel langzaam bewegen. Omdat ze best dicht bij elkaar in de buurt zitten oefenen ze een sterke aantrekkingskracht op elkaar uit. Doordat ze langzaam bewegen, heeft de aantrekkingskracht veel effect op de moleculen. Hierdoor blijven ze op hun plaats en zitten in een geordend rooster – een kristalrooster. Het water is “hard”: ijs.

Maar dat wordt anders als de temperatuur van het ijs omhooggaat. Dan gaan de watermoleculen weer harder bewegen en wat heviger botsen met hun buurdeeltjes. De aantrekkingskracht heeft daardoor minder effect op de moleculen. Bereikt het ijs 0 °C dan bewegen de watermoleculen zo snel dat ze weer goed langs elkaar heen kunnen bewegen. De aantrekkingskracht is te klein geworden om ze op hun plek te houden. Het ijs wordt vloeibaar: water.

Maar ja, dat is niet wat er gebeurt als je zout op het ijs strooit. Het ijs wordt niet warmer en toch smelt het. Dat kun je aan het experiment zien.

Wat is hier aan de hand? Wanneer het zout op het ijs komt dringen de zoutdeeltjes zich tussen de watermoleculen. Daardoor zal de aantrekkingskracht tussen de watermoleculen veel minder sterk worden.

Om zich tussen de watermoleculen te wringen moeten de zoutdeeltjes wel wat energie hebben. Dat halen ze uit de botsingen met de watermoleculen. De watermoleculen gaan daardoor minder hard bewegen en het ijs wordt dus kouder! Maar omdat de afstand tussen de watermoleculen groter is geworden door het binnendringen van de zoutdeeltjes, krijg je vloeibaar water dat toch heel koud wordt. Het vriespunt van zout water ligt dan ook lager dan 0 °C. Voor op de winterse weg geldt het belangrijkste: zolang het maar geen ijs is!