¿Cuándo se puede sobreenfriar el agua?

Cualitativamente entiendo que se puede sobreenfriar el agua cuando:

• Es relativamente puro.
• Está en un recipiente relativamente liso de defectos.
• ...

Sí, pero en realidad es muy complicado...

Vea aquí un cuadro enorme de tipos de hielo : este sitio parece estar inactivo, con la última captura completa de Wayback el 9 de octubre de 2020 ); algunas capturas posteriores están incompletas, faltan algunas de las imágenes y enlaces a otras páginas web.

 Phase Diagram

¿Es posible cuantificar de alguna manera, ya sea en general o al menos para una impureza específica, exactamente cuál es la cantidad crítica para evitar el sobreenfriamiento? ... Aún mejor, ¿existe alguna desigualdad energética o termodinámica general que describa qué condiciones se necesitan para un sobreenfriamiento exitoso?

Se explica de manera relativamente simple en la página web Supercooling de Wikipedia ; y en gran detalle, pero todavía relativamente simple, en las páginas web " Amorphous Ice and Glassy Water " y " Explanation of the Phase Anomalies of Water (P1-P13) " (es decir, 14 páginas web, más de lo que probablemente quería saber).

Condiciones tales como: velocidad de enfriamiento, impurezas, presión, recipiente, ondas de choque , todas tienen un efecto en los resultados que obtiene, a veces un poco de suerte está involucrada (algo que no tiene en cuenta, error experimental).

Puedes hacer jarabe si lo haces correctamente.

Wikipedia brinda una explicación simplificada de la nucleación heterogénea que en el agua generalmente ocurre cuando se agrega un cristal de agua helada al agua sobreenfriada.

Algunos resultados experimentales se publicaron en el artículo de Journal of Physics " Hielo amorfo de alta densidad: nucleación de hielo amorfo de baja densidad nanométrico ", el artículo de Journal of the American Chemical Society " Nucleación heterogénea de hielo en superficies de carbono " y en las Actas del artículo de la Academia Nacional de Ciencias " Observando la formación de hielo y cristales orgánicos en sitios activos ".

Espero poder profundizar un poco más en esto y desarrollar la respuesta, pero por ahora aquí hay algunos recursos y citas relevantes:

"Efecto de los solutos en la temperatura de nucleación heterogénea del agua sobreenfriada: una determinación experimental" Física Química Física Química (2009):

Nucleación homogénea La nucleación
homogénea ocurre solo en agua no influenciada por superficies y desprovista de partículas o sustancias extrañas. Solo las moléculas de agua están involucradas en el evento de congelación y en alguna temperatura de nucleación homogénea,$T_{hom}$, estimado en$\approx -41^\circ$$C^5$forman un núcleo, o cúmulo, similar al hielo, lo suficientemente grande como para causar una congelación espontánea. Los aspectos prácticos de la determinación experimental de esta temperatura son difíciles y generalmente involucran una técnica de emulsión y un promedio de la temperatura medida.$T_{hom}$valores en un intento de suavizar la naturaleza estocástica inherente de la nucleación.$^6$

Nucleación heterogénea La nucleación
del hielo también puede ocurrir en la superficie de los llamados "núcleos de hielo" por nucleación heterogénea.7 Los núcleos pueden ser suciedad, moléculas grandes, bacterias o simplemente la pared del recipiente. En cada caso, una superficie de nucleación específica permite escalar la barrera de energía libre (en la teoría clásica) y hace que se produzca el evento de congelación. El estudio de la nucleación heterogénea tiene mucha más importancia práctica que la nucleación homogénea porque la mayoría de los eventos de nucleación en la naturaleza son heterogéneos.

Efectos de los solutos en$T_{hom}$y$T_{het}$

Está bien establecido que para la nucleación homogénea en soluciones acuosas, la reducción de$T_{hom}$está relacionado linealmente con la concentración de soluto y es independiente del soluto, al menos para moléculas pequeñas, es decir

$\Delta T_{hom} = \lambda \Delta T_m$

$^{8,9}$El factor multiplicador$\lambda$generalmente se cita como 2.0$^{10,11}$aunque existe cierto debate, se citan valores tan bajos como 1,7.$^{12}$No conocemos una explicación molecular de este factor. También se ha informado que los solutos de alto peso molecular tienen un efecto mayor que las moléculas más pequeñas y que l puede alcanzar valores tan altos como cinco para las moléculas grandes.$^{13,14}$Está claro que los efectos del soluto sobre la temperatura de nucleación heterogénea,$T_{het}$, tienen amplias consecuencias en áreas tan diversas como la formación de nubes,15 helados y otros alimentos16 y en organismos tolerantes a la congelación.17 Por ejemplo, si se agrega azúcar al helado antes de fabricarlo, el punto de congelación se reduce en B1.86 1C por mol, pero la temperatura de nucleación se reduce en B3.7 1C, lo que permite un sobreenfriamiento más profundo y, por lo tanto, genera más núcleos, pero más pequeños, en el momento de la nucleación y, por lo tanto, un helado más suave. Determinación precisa de$\lambda$es de importancia para todos estos campos de estudio.

"Mediciones de la concentración y composición de núcleos para la formación de cirros" Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2003):

se notifican las mediciones de la concentración y composición de las partículas de aerosoles troposféricos capaces de iniciar el hielo en las nubes frías (cirros)

Cuando el agua pura se enfría por debajo del punto de congelación, puede permanecer en un estado súper enfriado. El súper enfriamiento es un estado en el que los líquidos no se solidifican ni siquiera por debajo de su punto de congelación normal. Este concepto se puede aplicar en por qué el agua en la nube no se congela.