Perché il sale scioglie il ghiaccio?

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	equilibrio miscela eutettica pressione del punto di congelamento fusione punto di fusione diagramma di fase soluto

(Nota: Se hai già familiarità con i potenziali chimici, potresti essere interessato a questa spiegazione termodinamica alternativa.)

Sono due le cose che accadono quando il ghiaccio e l’acqua vengono messi a contatto:

• Le molecole sulla superficie del ghiaccio sfuggono nell’acqua (scioglimento), e
• le molecole d’acqua vengono catturate sulla superficie del ghiaccio (congelamento).

Quando il tasso di congelamento è uguale al tasso di fusione, la quantità di ghiaccio e la quantità di acqua non cambiano in media (anche se ci sono fluttuazioni a breve termine sulla superficie del ghiaccio). L’equilibrio tra congelamento e fusione può essere mantenuto a 0°C, il punto di fusione dell’acqua, a meno che le condizioni non cambino in modo da favorire uno dei processi rispetto all’altro.

Se non vedi l’animazione sopra, è disponibile una versione non animata; oppure puoi scaricare il plugin Flash gratuito da Macromedia.
L’equilibrio tra i processi di congelamento e fusione può essere facilmente sconvolto. Se la miscela ghiaccio/acqua viene raffreddata, le molecole si muovono più lentamente. Le molecole che si muovono più lentamente sono catturate più facilmente dal ghiaccio, e il congelamento avviene ad una velocità maggiore della fusione. Potete vedere una dimostrazione di questo cliccando sulla temperatura nell’animazione e impostandola su un valore più basso (diciamo -10).

Conversamente, il riscaldamento della miscela fa muovere le molecole più velocemente in media, e la fusione è favorita. Resettate l’animazione e poi inserite un valore più alto per la temperatura (diciamo 10) e guardate cosa succede.

Anche l’aggiunta di sale al sistema interromperà l’equilibrio. Considerate di sostituire alcune delle molecole d’acqua con molecole di qualche altra sostanza. Le molecole estranee si dissolvono nell’acqua, ma non si impacchettano facilmente nella serie di molecole del solido. Notate che ci sono meno molecole d’acqua sul lato liquido perché parte dell’acqua è stata sostituita dal sale. Il numero totale di acqua catturata dal ghiaccio al secondo scende, quindi il tasso di congelamento scende. Il tasso di fusione è invariato dalla presenza del materiale estraneo, quindi la fusione avviene più velocemente del congelamento.

Ecco perché il sale scioglie il ghiaccio.

Per ristabilire l’equilibrio, è necessario raffreddare la miscela ghiaccio-acqua salata al di sotto del punto di fusione abituale dell’acqua. Per esempio, il punto di congelamento di una soluzione di NaCl 1 M è circa -3,4°C. Le soluzioni avranno sempre una tale depressione del punto di congelamento: più alta è la concentrazione di sale, maggiore è la depressione del punto di congelamento.

Ma qualsiasi sostanza estranea non causerà una depressione del punto di congelamento, secondo questo modello? Sì! Per ogni mole di particelle estranee dissolte in un chilogrammo di acqua, il punto di congelamento scende di circa 1,7-1,9°C. Anche lo zucchero, l’alcool o altri sali abbassano il punto di congelamento e sciolgono il ghiaccio. Il sale è usato sulle strade e sui marciapiedi perché è poco costoso e facilmente disponibile.

È importante capire che la depressione del punto di congelamento avviene perché la concentrazione delle molecole d’acqua in una soluzione è inferiore a quella dell’acqua pura. La natura del soluto non ha importanza. Ci si potrebbe aspettare dal diagramma sopra che i soluti con grandi molecole siano migliori nel bloccare le molecole d’acqua che viaggiano verso la superficie del ghiaccio. L’ipotesi che i soluti con grandi molecole causino una maggiore depressione del punto di congelamento rispetto a quelli con molecole più piccole non è in accordo con i dati sperimentali! L’equivoco nasce dal fatto che il diagramma non può essere disegnato in scala; la dimensione delle molecole è molto piccola rispetto alla distanza tra loro.

Mappa di fase per l’acqua salata. Disegnata da un diagramma di R. E. Dickerson (Nota 3)

Come il ghiaccio comincia a congelare dall’acqua salata, la frazione di acqua nella soluzione diventa più bassa e il punto di congelamento scende ulteriormente. Questo non continua all’infinito, perché alla fine la soluzione diventerà satura di sale.La temperatura più bassa possibile per una soluzione salina liquida è -21.1°C. A questa temperatura, il sale comincia a cristallizzare fuori dalla soluzione (come NaCl-2 H2O), insieme al ghiaccio, fino a quando la soluzione non si congela completamente. La soluzione congelata è una miscela di cristalli di NaCl-2H2O separati e cristalli di ghiaccio, non una miscela omogenea di sale e acqua. Questa miscela eterogenea è chiamata miscela eutettica.

Riferimenti e note

1. Nota che quando la fusione è completa, può volerci un po’ di tempo perché il ghiaccio ricominci a formarsi, anche se la temperatura è piuttosto bassa. Un “cristallo seme” di ghiaccio deve formarsi per collisioni casuali prima che la crescita del cristallo cominci veramente. I liquidi reali possono esistere per qualche tempo al di sotto dei loro normali punti di fusione.
2. Per una spiegazione termodinamica della depressione del punto di congelamento, vedi Come si può spiegare la depressione del punto di congelamento in termini di energie libere?
3. Il diagramma di fase dell’acqua salata è basato sulla Figura 6-59, p. 376 di Molecular Thermodynamics di R. E. Dickerson (Pasadena, California), 1969.

Autore: Fred Senese [email protected]