Замораживание

Замораживание

Кроме известной структуры льда, замерзшая вода она может иметь семь других форм, которые отличаются деталями кристаллических структур. Они стабильны лишь при высоких давлениях.

В обычном льде молекулы воды соединяются в слои гексагональных структур, похожие на слои проволочной сетки.

Возможность замораживать продукты, сырые и вареные, произвела революцию в способе хранения, распространения и готовки продуктов. Замораживание сохраняет пищу, замедляя большинство (но не все) биологических и химических реакций, которые вызывают порчу. Однако среди поваров замораживание часто имеет плохую репутацию, так как может нарушить текстуру, вкус и внешний вид пищи. Большинство этих повреждений происходят из-за кристаллов льда и зависят от того когда, где, каким образом и как быстро они были сформированы. Поэтому полезно внимательно посмотреть на процесс образования льда при замораживании продуктов.

В повседневных условиях молекулярная структура кристаллов льда гексагональная. Молекулы воды зафиксированы в местах стыков слоев примыкающих шестиугольников, как в проволочной сетке. При этом многие такие слои накладываются друг на друга, образуя трехмерный кристалл.

Это высоко структурированное твердое тело начинает расти в жидкой воде только в определенных местах, называемых центрами кристаллизации. Это микроскопические области, в которых существует вероятность того, что гексагональные структуры, объединяющие несколько молекул воды, остаются стабильными достаточно долго,...

аются стабильными достаточно долго, чтобы другие молекулы воды могли к ним присоединиться.

В пище крошечный пузырек газа или пылинка могут служить центром кристаллизации, образуя поверхности, на которой упорядоченные кластеры молекул воды могут оставаться стабильными в течение короткого промежутка времени. Кристаллизующаяся структура становится более энергетически выгодной для окружающих молекул воды, которые попадают в эту же упорядоченную структуру. Следовательно, центр кристаллизации – это место, где начинаются фазовые превращения не только из жидкого состояния в твердое, но и из пара в жидкость, а также при конденсации водяного пара в туман. Очень чистые жидкости, например отфильтрованная дистиллированная вода не имеют потенциальных центров кристаллизации и по этой причине они сопротивляются замораживанию так сильно, что их можно переохладить: такие жидкости могут оставаться жидкими даже при охлаждении ниже точки замерзания.

Взвешенные частички провоцируют образование центров кристаллизации, но как ни странно, на самом деле растворенные вещества препятствуют образованию льда. Например, когда соль растворяется в воде, хлорид натрия распадается на ионы. Когда сахар растворяется в воде, он не распадается на ионы. Вместо этого отдельные молекулы сахарозы растворяются.

Растворенные ионы и молекулы мешают молекулам воды заморозиться в лед. Поскольку воде становится труднее замерзнуть, температура замерзания раствора падает ниже температуры замерзания чистой воды. Это явление, называемое понижением температуры замерзания, объясняет, почему у соленой воды точка замерзания намного ниже, чем у обычной воды.

Чем больше молекул или ионов растворенного вещества (любого) присутствует в воде, тем больше они мешают, и тем ниже становится точка замерзания. Заметим, что эффект зависит от количества молекул или ионов, а не от их массы. Вещества, такие как соль, которая при растворении распадается на легкие ионы, имеют гораздо больше ионов при данной массе, чем такие вещества, как сахар, молекулы которого гораздо тяжелее. При одинаковой массе соль в десять раз сильнее, чем сахар, снижает точку замерзания. Основная причина того, что мороженое не замерзает в том, что оно содержит много растворенного сахара. На практике могут применяться другие условия, например какое количество вещества нужно растворить в жидкости, прежде чем оно достигнет своего предела растворимости.

Рыба не замерзает в полярных океанах, так как препятствующие замерзанию белки растворяются в крови, тем самым снижая точку замерзания крови, тканей и органов. Много насекомых, растений и бактерий имеют такие белки. Белки с антифризными свойствами также известны как соединения, реструктурирующие лед, поскольку они прикрепляются к поверхностями мелких кристаллов льда, предотвращая рост кристаллов. Белки, реструктурирующие лед, полученные из угревидной бельдюги, северной рыбы Атлантического океана, используются в мороженом для предотвращения роста кристаллов льда во время хранения.

Еще статьи