Почему соль понижает точку замерзания воды: наука о таянии льда

Зимой дорожные службы посыпают солью дороги для таяния льда. Домашний пример: соль в смеси для мороженого, чтобы понизить температуру замерзания.

Почему мы это делаем? Почему соль понижает точку замерзания воды? Как это работает?

Механизм понижения точки замерзания

Для замерзания мороженого температура вокруг смеси должна быть ниже 0 °C (32 °F). Соль + лед → раствор (рассол) с температурой ниже 0 °C. Добавление соли в ледяную воду понижает температуру плавления льда до ~ -18 °C (0 °F). Рассол настолько холоден, что легко замораживает смесь мороженого.

В Антарктиде, Гренландии, Канаде пресная вода замерзает в снег, накапливаясь в ледники. Нормальная точка замерзания пресной воды — 0 °C. Водяные молекулы (H₂O) образуют кристаллическую решетку льда. Молекулы движутся так медленно, что не могут преодолеть межмолекулярные силы → формируется решетка, вода становится льдом.

При фазовом переходе молекулы воды входят и покидают твердую фазу с одинаковой скоростью. Соль нарушает это равновесие, просто присутствуя. С солью на границе жидкость-твердое меньше водяных молекул. Частицы соли блокируют водяные молекулы от возвращения в твердую фазу → больше молекул уходит, меньше приходит.

При дальнейшем понижении температуры скорость ухода молекул из твердой фазы замедляется и в конечном счете сравнивается со скоростью входа в присутствии соли. Устанавливается новая (ниже) точка замерзания.

Средняя соленость мирового океана ~3,5% (35 г/л, 0,600 М). Каждый кг морской воды содержит ~35 г растворенных солей (преимущественно Na⁺ и Cl⁻). Из-за солей морская вода плотнее пресной. Точка замерзания снижается с ростом концентрации соли.

Хотя соленость варьируется, точка замерзания океана ~ -1,8 °C (28,8 °F). Океаническая вода замерзает.

Другой фактор — океанические течения (термальная конвекция → крупномасштабные потоки). Постоянное движение мешает молекулам замерзать в стационарные кристаллы. Поэтому только в очень холодных районах (Северный/Южный полюс) океан замерзает. Важно: течения постоянно переносят теплую воду с экватора в холодные области.

© WOC Article
Контакт автора: articles@worldofchemicals.com