Sto davvero volando questo perché l'ultima volta che ho fatto un calcolo di equilibrio è stato 35 anni fa! Ma sono abbastanza sicuro di una risposta parziale (vedi la discussione alla fine).

La solubilità di un gas in acqua (o in un liquido in genere) diminuisce quasi sempre con l'aumentare della temperatura. Questo fenomeno è spiegato in un modo molto simile alla spiegazione dell'aumento della velocità di evaporazione di un liquido con la temperatura. I gas si dissolvono nei liquidi perché le molecole di gas trovano uno stato energetico inferiore legato al liquido. Maggiore è la temperatura, maggiore è la proporzione delle molecole di gas con energia termica maggiore dell'energia di legame per il processo di dissoluzione. Quindi una percentuale maggiore di molecole di gas può fuoriuscire dal liquido: l'equilibrio chimico per la reazione di dissoluzione si sposta per favorire le molecole libere più di quelle legate con l'aumentare della temperatura.

L'ebollizione di un liquido abbassa la concentrazione dei gas disciolti attraverso l'effetto di cui sopra. Normalmente lo spostamento di nuovo di equilibrio per favorire i gas disciolti con temperatura decrescente significherebbe che, al raffreddamento, il liquido assorbirebbe tanto gas quanto viene espulso nel processo di ebollizione. Il trucco con il ghiaccio trasparente è che il liquido viene congelato troppo rapidamente perché il processo di dissoluzione del gas venga completato: viene congelato irreversibilmente in modo che sia molto lontano dall'equilibrio mentre si raffredda - con il risultato che è un'espulsione netta del gas dal liquido mediante il processo di ebollizione prima del congelamento. Una volta che il liquido è congelato, il gas non può più dissolversi al suo interno, quindi hai del ghiaccio trasparente.

Nota che questa risposta è incompleta: non risponde al motivo per cui il gas disciolto nel liquido forma le bolle che formano quando il liquido si congela, come nell'immagine a destra della tua domanda. Questa risposta spiega solo l'assenza del gas necessario per il processo di annebbiamento, quindi una risposta completa deve spiegare perché il gas disciolto esce dalla soluzione per formare bolle quando il ghiaccio si congela.

Tla risposta breve: Il ghiaccio nuvoloso è causato dai gas (principalmente azoto e ossigeno) disciolti nell'acqua che escono dalla soluzione quando l'acqua si congela. Le piccole bolle intrappolate nel ghiaccio provocano l'aspetto bianco. L'ebollizione dell'acqua rimuove l'aria in essa disciolta, producendo come risultato ghiaccio trasparente. Supponendo che altre impurità non producano lo stesso effetto torbido.

Tla risposta lunga:

Impurità presenti nell'acqua:

• Gas: l'acqua a 20 ° C normalmente contiene circa 15 ppm di gas disciolti, che è l'equivalente di 1 volume di aria per 50 volumi di acqua. Sono gli stessi gas presenti nell'aria, ma non nelle stesse proporzioni poiché alcuni sono più solubili di altri: si tratta di circa il 63% di azoto, 34% di ossigeno, 1,5% di argon e 1,5% di anidride carbonica.

• minerali: l'acqua del rubinetto contiene minerali disciolti, principalmente Ca e Mg. Possono essere presenti sotto forma di bicarbonati: $ Ca ^ {2 +} ({HCO_3} ^ -) _ 2 $ e $ Mg ^ {2 +} ({HCO_3} ^ -) _ 2 $ (esistono solo in soluzione, non come sostanze solide) e come solfato di calcio e magnesio. Se l'acqua è passata attraverso un addolcitore, gli ioni Ca e Mg potrebbero essere stati sostituiti da ioni di sodio o potassio (il doppio).

Gli effetti del riscaldamento dell'acqua:

• rimozione dei gas disciolti: una temperatura più alta favorisce le reazioni endotermiche ( principio di Le Chatelier). Per i gas presenti nell'acqua, la dissoluzione (a temperatura ambiente) è un processo esotermico, quindi la loro solubilità diminuisce quando l'acqua viene riscaldata. La solubilità dei gas non raggiunge lo zero al punto di ebollizione, né diminuisce necessariamente nell'intero intervallo di temperatura. Per l'azoto nell'acqua, l ' entalpia di dissoluzione diventa positiva intorno a 75 ° e la sua solubilità aumenta al di sopra di tale temperatura. A 100 ° C, la solubilità dell'aria nel suo complesso è $ 0,93 * 10 ^ {- 5} $, circa la metà della solubilità a 10 ° C, $ 1,82 * 10 ^ {- 5} $.

• rimozione dei minerali disciolti: il riscaldamento dell'acqua promuove la conversione dei bicarbonati solubili di Ca e Mg in carbonati insolubili ($ 2 {HCO_3} ^ - $ → $ CO_3 ^ {2-} + H_2O + CO_2 $) che verrà fuori soluzione (come calcare). I solfati (a volte indicati come "durezza permanente") e i (bi) carbonati di sodio o di potassio rimangono in soluzione.

L'effetto dell'ebollizione:

• La solubilità del gas nel liquido non dipende solo dalla temperatura, ma è direttamente proporzionale alla pressione parziale del gas. Durante l'ebollizione, la fase gassosa a contatto con l'acqua non è più l'aria, ma il vapore acqueo (nelle bolle e vicino alla superficie). In quelle bolle la pressione parziale dei gas sarà prossima allo zero, quindi le molecole di gas lasceranno ancora la fase liquida (e l'aumento della superficie e il movimento dell'acqua accelerano il processo), ma difficilmente torneranno. Dato un tempo sufficiente, il vapore acqueo rimuoverà la maggior parte del gas. L'ebollizione è fondamentalmente l'equivalente del degasaggio mediante spurgo: rimuovere un gas (ossigeno di solito) da un solvente facendo gorgogliare un gas inerte attraverso di esso.

In che modo i gas rendono il ghiaccio "lattiginoso / torbido"?

• Durante il congelamento, lo strato di ghiaccio inizia su tutti i lati del cubo e cresce verso l'interno. Le molecole d'acqua si adattano al reticolo cristallino e aderiranno ad esso, altre molecole no (ma se il ghiaccio cresce più velocemente di quanto le molecole di gas possano diffondersi, rimarranno intrappolate). La concentrazione di gas (e altre impurità) nel liquido rimanente aumenta, la soluzione diventa sovrasatura, iniziano a formarsi microbolle. Tutti questi rimangono intrappolati nel ghiaccio, conferendogli un aspetto lattiginoso.

Questa risposta voleva essere un commento a @WetSavannahanimal aka Rad Vance ma è piuttosto lunga e ho raggiunto il limite di caratteri.

Il motivo per il centro opaco dovrebbe essere dovuto al modo in cui il volume dell'acqua si sta congelando. Presumibilmente la soluzione non è miscelata e l'esterno si congela prima formando una parete cristallina (ghiaccio) attraverso la quale il gas non può fuoriuscire. Man mano che il muro si ispessisce, il gas viene rilasciato dall'acqua che si solidifica nella soluzione centrale che rimane. Questo concentra il gas nel liquido rimanente al centro. Quando la concentrazione di gas in questa soluzione raggiunge il valore di saturazione del liquido allo stato attuale, parte di esso esce dalla soluzione formando le cavità, contemporaneamente dovrebbe formarsi del ghiaccio, riportando la soluzione alla concentrazione di saturazione. Questo viene ripetuto finché tutta l'acqua è congelata.

L'osservazione che il ghiaccio limpido è fatto acquistare gas gorgogliante attraverso di esso mentre si congela, indica che la miscelazione della soluzione consente ai gas saturi di fuoriuscire dalla superficie del volume totale dell'acqua poiché il solido si forma anziché formarsi al centro.

Ora ci si potrebbe chiedere perché non c'è solo una singola bolla. La prima ragione, dal punto di vista della soluzione in massa, è che l'acqua si congela gradualmente formando bolle mentre va. Oscilla realmente attorno allo stato di equilibrio della soluzione, cioè il punto di saturazione del gas della soluzione congelante. Le condizioni esatte di questo punto varieranno leggermente mentre il liquido si congela. La pressione alla quale il ghiaccio al centro si è congelato è probabilmente maggiore della pressione alla quale il ghiaccio superficiale si è congelato, ad esempio, allo stesso modo c'è una temperatura alla quale potrebbe anche variare. Probabilmente c'è anche un effetto di concentrazione, cioè poiché questo punto di equilibrio si sposta attorno al punto di saturazione del gas si sposterà, questo cambiamento di concentrazione influisce anche un po 'sul punto di congelamento. Ci sono circa quattro effetti (temperatura, pressione, volume e concentrazione di gas) in gioco durante il congelamento. Il secondo effetto, da un punto di vista del volume finito, è che localmente intorno alla cavità l'acqua potrebbe subire un "flusso di gas" che potrebbe congelare localmente un film d'acqua che incapsula la bolla, quindi la complessa disposizione finale delle cavità e non la formazione di una singola bolla.

Ora potrebbe essere possibile vedere queste differenze del punto di congelamento usando il trucco del polarizzatore. Finora l'ho visto solo con plastica trasparente, ma dovrebbe funzionare anche qui. La prossima volta che vai a vedere un film prendi un paio di occhiali 3D. estraete le due lenti polarizzanti e tenetele ai lati del cubetto di ghiaccio ruotandole un po 'dovreste vedere la struttura cristallina interna del ghiaccio come un pasticcio di linee vorticose. Probabilmente dovresti vedere più un vortice o una dispersione al centro vicino alle bolle che indicano i cambiamenti localizzati nella struttura cristallina. Dovresti confrontarlo con il cubo trasparente.

C'è un altro trucco che puoi provare. Se hai controllato il congelamento del ghiaccio in una certa misura, potresti controllare la formazione delle bolle. Ad esempio, i nostri vassoi del ghiaccio sono di plastica e tendiamo ad avere uno strato superiore trasparente con bolle che si formano nella parte inferiore del cubo. Ho il sospetto che la plastica trattiene il calore e ritarda il congelamento del fondo e del lato del cubo. Ho il sospetto che se si riscaldasse o addirittura si raffreddasse la vaschetta del ghiaccio prima di formare il ghiaccio si potrebbe vedere una diversa formazione di cavità (come mostrato nella seconda immagine qui per esempio). Se hai usato una vaschetta del ghiaccio in metallo dovresti vedere l'effetto che hai osservato. Se hai combinato una vaschetta del ghiaccio di metallo e una di plastica, potresti ottenere più bolle più vicine al lato di plastica. Potresti anche essere in grado di ottenere un effetto pois / esplosione / blobbing punteggiando la colla all'interno di un vassoio di metallo o tenendo un'asta di metallo all'interno del volume mentre lo congeli. Anche se potresti semplicemente aggiungere punti affinché il gas si formi e fuoriesca, ottenendo cubi trasparenti. In alternativa potresti semplicemente ottenere un carrat (cappello). Questo Fellow sembra aver fatto molto per te. Beneficialmente, sembra divertirsi a bere i suoi esperimenti dopo (YMMV).

Se sei veramente interessato dovresti vedere se la NASA ha fatto esperimenti di congelamento nello spazio potrebbe mostrare altri metodi con cui si potrebbe controllare la formazione di bolle. Allo stesso modo potresti trovare filmati ad alta velocità di congelamento durante i quali dovresti vedere alcuni effetti interessanti mentre si formano le bolle (sebbene sia un uso un po 'contraddittorio di queste telecamere e dubito che le persone che le possiedono abbiano pensato di usarli per questo scopo).