Que se passe-t-il lorsque vous congelez de l'eau dans un récipient si fort que l'eau ne peut pas pénétrer dans la glace?

Que se passe-t-il lorsque vous congelez de l'eau dans un récipient si fort que l'eau ne peut pas pénétrer dans la glace?

Certains lecteurs se souviendront peut-être d'un cours de sciences au cours duquel un enseignant enthousiaste se dirigea vers l'avant de la classe pour montrer un petit conteneur en acier fissuré, apparemment endommagé par une force incroyablement puissante, mais infime; seulement pour que ledit enseignant révèle que les dégâts avaient été causés par rien de plus que de l'eau. Cependant, que se passerait-il si vous mettiez de l'eau dans un récipient avec lequel elle ne pourrait pas s'échapper et la figer?

La réponse courte est que l'eau se transforme toujours en glace; Cependant, s’il ne peut vraiment pas briser les liens du conteneur dans lequel il est coincé, il se transforme en un type de glace très différent de celui que nous avons l'habitude de voir.

Nous connaissons actuellement 15 «phases solides» différentes de l'eau, appelées glace, chaque type étant distinct en raison de la densité et de la structure interne différentes. La forme que vous connaissez le mieux est probablement la glace hexagonale, qui se produit lorsque l’eau gèle normalement dans des conditions normales. Si vous continuez à baisser la température de la glace hexagonale, elle finira par devenir de la glace cubique; ajustez encore la température et la pression pour créer Ice II, Ice III jusqu’à Ice XV.

En raison de la difficulté inhérente à la production de pressions et de températures aussi basses que élevées, il a fallu la science jusqu'à 2009 pour documenter de manière exhaustive toutes les formes de glace connues. La plupart des formes finales de ice ont été découvertes en partie par un groupe de chercheurs du département de chimie de l’université d’Oxford qui ont pu créer Ice XII, XIV et XV pour la première fois.

Dans le cas d’Ice XV, sa création a consisté à prendre Ice VI et à abaisser la température à -143 degrés Celsius avant de l’exposer à une pression 10 000 fois supérieure à celle de la Terre. Cette dernière forme de glace, et par extension sous forme d’eau, parvenait encore à surprendre même les esprits d’Oxford lorsque, contre toutes leurs attentes, elle se révéla totalement antiferroélectrique, étant incapable de tenir une charge.

Mais dans le sens le plus simple, les différentes formes de glace sont créées par une combinaison variable de pression et de température, dont les combinaisons exactes peuvent être trouvées en consultant rapidement le diagramme de phase de l'eau. Cependant, les scientifiques peuvent artificiellement faire pencher la balance en leur faveur par divers moyens. Par exemple, lors de la création de Ice XIII et XIV, le Dr Christoph Salzmann et son équipe à Oxford ont utilisé des mesures méticuleuses d’acide chlorhydrique pour modifier la température nécessaire à la création de la glace.

Si ce qui précède semble assez simple dans l’ordre des choses, c’est parce qu’il l’a été et que d’autres scientifiques, tels que le professeur John Finney (qui faisait partie de l’équipe qui a découvert et créé Ice XII en 1996), ont souligné ce fait quand ils ont été interrogés à ce sujet. l'équipe de Salzmann avait fait en quelques années ce que d'autres chercheurs n'ont pas pu faire en 40.

Pour revenir à la question qui nous occupe, la glace ordinaire, ou du moins la version que vous connaissiez avant de vous parler des 14 autres types, est capable d’appliquer une force considérable lorsqu’elle gèle et se dilate. Cela est dû à un trait très particulier de l’eau, principalement le fait qu’elle est moins dense sous forme solide que sous forme liquide. Cette disparité de densité est due à la manière dont les molécules d’eau réagissent lors de la congélation; Les molécules d’eau se rejoignent dans une structure hexagonale rigide qui laisse un petit espace, mais néanmoins important, entre les atomes qui n’était pas là quand l’eau était liquide. Pour les curieux, l’eau atteint son point le plus dense à 4 degrés Celsius; plus froid ou plus chaud et il commence à se développer.

Alors, combien de force la glace est-elle capable d’exercer? Eh bien, les gens essaient de résoudre ce problème depuis longtemps. En 1784 et 1785, un major, Edward Williams, profite de la météo au Québec et tente à plusieurs reprises de ne pas trouver une méthode pour contenir la glace. Williams a d'abord tenté de sceller l'eau à l'intérieur d'obus d'artillerie, dont les bouchons en fonte ont été lancés à une vitesse étonnante de 20 pieds par seconde lorsque la pression devient trop forte. Imperturbable, Williams a ensuite ancré les chevilles en place à l’aide de crochets, uniquement pour que les coquilles se fendent en deux.

Dans une autre expérience, on a essayé de remplir d'eau des canons en fonte d'un pouce d'épaisseur, uniquement pour les fendre quand ils étaient gelés. Les universitaires de Florence ont par la suite essayé de remplir une boule de laiton d'un pouce d'épaisseur avec de l'eau uniquement pour que celle-ci se fissure également lorsqu'elle était gelée. Ils ont ensuite déterminé que la force requise pour le faire était d'environ 27 720 livres.

Pour une réponse plus précise, vous devez encore une fois revenir au diagramme de phase de l’eau, qui indique que la glace se transformera en glace II lorsque la pression atteint 300 méga Pascals, ce qui correspond exactement à 43 511,31 livres de force par pouce carré. En d’autres termes, c’est la pression d’un conteneur qui devrait pouvoir survivre pour empêcher l’eau de se transformer en glace ordinaire, ce qui la ferait se transformer en glace II.

Donc, pour répondre à la question initiale, si vous geliez de l’eau à l’intérieur d’un conteneur si puissant qu’il ne pouvait pas se transformer en glace, il se transformerait toujours en glace, juste un type de glace légèrement différent en termes de classification scientifique et de sa structure interne. Science!

Fait Bonus:

  • Il est théorisé que, sous des pressions situées entre 1,55 et 5,62 terapascals, la glace deviendra métallique.

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