La sal no funde el hielo

Despues del parentesis navideño volvamos a la física pura y dura, como el hielo de estos últimos dias. Aprovechando que gran parte de Europa se encuentra helada, la manera de evitar que las carreteras se hielen es echar sal. La mayoría de la gente cree que de esta manera el hielo se funde. No es cierto.

Para entender el por qué se tira sal en las carreteras para evitar que se forme hielo se ha de entender la diferencia entre derretir y disolver. La única manera de derretir una substancia es aplicando calor. Un cubito de hielo sacado del congelador se derrite por que la temperatura ambiente es mayor que 0ºC. El agua pura se convierte en hielo por debajo de los 0ºC, por encima es líquida. Esta es la clave, substancia pura. La temperatura a la que una sustancia líquida se congela está referida a esta sustancia pura. Si esta sustancia líquida se mezcla con otra, tenemos una disolución. La temperatura de congelación de la disolución será diferente del punto de congelación de la sustancia pura.

La mezcla sal i agua es una disolución de una sustancia sólida (la sal) con otra líquida (agua). Veamos que sucede, para ello hay que recurrir al comportamiento molecular de cada sustancia. La sal es un compuesto molecular formado por Sodio (Na) y Cloro (Cl), la formula molecular de la sal es pues NaCl, denominado Cloruro Sódico.

Podemos fundir el hielo aplicando calor, pero esto no es lo que hace la sal con el hielo, la sal disuelve el hielo. El efecto final es parecido a aplicar calor, pues observamos que el hielo se funde, pero no es del todo cierto. Lo que realmente se funde es la disolución agua-sal. La sal no disminuye el punto de congelación del agua, la mezcla sal-agua forma una disolución que tiene su punto de congelación inferior al del agua pura. Para una disolución óptima entre sal y agua (23% de sal y 77% de agua) el punto de fusión seria de -21ºC. De manera que teóricamente se puede impedir la formación de hielo hasta los -21ºC echando sal al agua, aunque en la práctica será una temperatura mayor pues no se puede dosificar la cantidad de sal adecuada a cada situación. ¿Cómo es posible esta transformación?.

Intento explicarlo desde el punto de vista molecular. Los átomos que interviene son: cloro (Cl), sodio (Na), oxigeno (O) y hidrogeno (H). En la siguiente figura pongo sus iones, es decir los átomos que han perdido o ganado electrones.

iones que forman la sal y el agua

Los átomos de cloro (Cl) tienen tendencia a coger un electrón y los átomos de sodio (Na) tienen tendencia a dar un electrón. De esta manera cuando se encuentran el cloro y el sodio, el cloro coge el electrón que el sodio quiere quitarse de encima, los dos contentos y se unen para siempre formando una molécula, el Cloruro Sodico (NaCl).

 

molecula de sal

 

Pero no es tan sencillo, la molécula de cloruro sódico no se encuentra sola, existen más moléculas iguales a su alrededor, y se unen todas para formar una  estructura cristalina como se observa en la siguiente figura.

estructura cristalina de la sal

Veamos ahora como está formada la molécula de agua. El Oxigeno (O) tiene tendencia a coger dos electrones y el hidrogeno (H) a dar un electrón. En este caso el Oxigeno se pone de acuerdo con dos hidrógenos, de esta manera el oxigeno obtiene los dos electrones, uno de cada hidrogeno y los dos hidrógenos pueden desprenderse del electrón que le sobra. El resultado es la molécula de agua H2O, o hidróxido de hidrogeno entre otros nombres.

molecula de agua

¿Pero que ocurre cuando se juntan muchas moléculas de agua?, fíjense en la figura anterior, la molécula de agua es polar, esto significa que su carga eléctrica no está distribuida simétricamente. En la parte de abajo dominan los dos hidrógenos y puesto que han cedido cada uno un electrón se quedan cargados positivamente. La parte de abajo es positiva y la parte de arriba predomina el oxigeno que se ha quedado con los dos electrones que le han dado los hidrógenos, por tanto el oxigeno se queda con carga negativa. Cuando coinciden muchas moléculas estas cargas eléctricas actúan de forma que el oxigeno negativo atrae el hidrogeno positivo de otra molécula de agua. Se forma una unión especial entre las moléculas de agua denominado enlaces de puentes de hidrogeno, como puede ver en la siguiente figura, formando un estado sólido peculiar.

 

Esta versatilidad entre las uniones entre moléculas de agua es la responsable que no haya dos copos de nieve iguales. Además de proporcionar una característica especial al agua, una de las pocas sustancias que en estado sólido es menos denso que en su estado líquido, por eso el hielo flota sobre el agua.  

Cuando el cristal de sal se une con el hielo, los átomos de cloro y de sodio atraen algunas de las moléculas de agua, rompiendo los enlaces de puentes de hidrogeno. Los iones de sodio al ser más pequeños que los de cloro pueden penetrar dentro de la estructura del agua. Su carga positiva atrae a la carga negativa del oxigeno, rompiendo el puente de hidrogeno. Finalmente se disuelven los iones de cloro y sodio entre las moléculas de agua que han roto todos los puentes de hidrogeno y por tanto la disolución se ha vuelto líquida.

El resultado final es la configuración de la siguiente imagen

disolución de sal en agua

Los iones de cloro y sodio se interponen entre las moleculas de agua y evitan que ser produzcan los enlaces por puentes de hidrogeno, la disolución se mantiene líquida por debajo del punto de fusión del hielo puro, que son 0ºC.