Una pregunta sobre la sal y la nieve

No he titulado esta entrada "cómo la sal derrite la nieve” porque la mera cuestión ya me produce demasiadas dudas.

En todo caso, lo que parece (a la luz de lo revisado) es que efectivamente la sal (cloruro sódico, NaCl) se diluye en el agua líquida, dando lugar a agua salada, con un punto de solidificación más bajo que el agua pura a la misma presión. Es decir, el agua salada tiene propiedades coligativas diferentes que el agua pura. En concreto, solidifica a una temperatura inferior a 0 ºC.

La duda la encuentro en si la sal también se diluye en agua ¡sólida! ¿Conozco otro par de sólidos que lleguen, por así decirlo, a reaccionar? La pregunta tiene trampa: la palabra clave es “reacción”. Cuando el cristal iónico de la sal se rompe en sus respectivos iones, y estos son “atrapados” por las moléculas polares del agua líquida, ¿nos encontramos con una reacción? Si una reacción química consiste en la transformación de unos compuestos, reactivos, a otros, productos, ¿es una disolución un tipo de reacción?

A mi juicio, no merece la pena detenerse en esta precisión conceptual, ya que la Naturaleza sigue funcionando lo llamemos como lo llamemos. Sin embargo, es necesario que reflexionemos sobre lo que ocurre cuando dos sólidos entran en contacto. Este contacto sí merece una precisión. Depende del tamaño que observemos: a nivel macroscópico parece claro que dos objetos están en contacto si no hay nada entre ellos, pero, si nos acercamos hasta el nivel atómico, ¿a qué estamos llamando "nada"? Si imaginamos el átomo como un núcleo en torno al cual hay unas zonas más probables donde encontrar sus electrones, parece probable que también en esas zonas no haya electrones moviéndose. Pero, entonces, ¿qué hay cuando no hay electrones? Debe de haber “huecos” que permitan pasar energía, suficiente como para que no se conozca ningún material absolutamente opaco (es cuestión de grosor, de la cantidad de energía y de poco más). Quizá esos huecos son huecos de probabilidades. No sé si esto ya pertenece a un campo por ahora inaccesible para mí, como es la física cuántica, pero sirve para reconsiderar la cuestión: dos sólidos en contacto.

Se me ocurre que hay fenómenos en que un metal “penetra” en otro, fenómenos de difusión, pero me pregunto si ambos metales están en estado sólido. En cualquier caso el fenómeno no es espontáneo, sino que se dan unas condiciones de presión y temperatura en que esto es posible, lo que, en suma, conlleva la intervención de algún tipo de energía. Entonces, ¿sucede que los cristales de sal y agua (en forma de nieve) experimentan difusión en determinadas circunstancias de presión y temperatura? Y, lo que nos interesa para fines prácticos, ¿si ocurre esa difusión, ésta provoca que el agua pase a de sólida a líquida?

Hasta ahora sólo me he planteado algunas preguntas muy generales, pero propongo que nos adentremos en lo que ocurre en la superficie de contacto entre un cristal de sal y uno de nieve. En realidad, un copo de nieve está compuesto de numerosos cristales más pequeños de hielo con diferente orientación. Para nuestros fines, planteémonos el siguiente modelo: un cristal de NaCl con sus iones dispuestos en planos paralelos y un cristal de hielo con sus moléculas dispuestas también en planos (la consideración de este modelo geométrico puede ser errónea, pero lo hago para simplificar la exposición del razonamiento):

El dibujo representa las superficies vistas en sección. Trataré de explicar este modelo: los iones Na⁺ y Cl^- están “unidos” en la sal por la electronegatividad del cloro y la afinidad electrónica del sodio. Entre ambos tipos de iones hay unas fuerzas de cohesión, lo que se traduce en que es necesario la aplicación de otras fuerzas o energías (ya sean de calor, mecánicas o eléctricas) para vencerlas y, así, liberar los iones de la red. Las moléculas del agua, hielo, están dispuestas en una red cristalina de forma que el átomo de oxígeno, con polaridad negativa, atrae a los átomos de hidrógeno con polaridad positiva.

Para seguir con este modelo debo suponer que ambas sustancias se encuentran a igual temperatura, de modo que no interviene energía en forma de calor, sino que lo voy a restringir a la energía eléctrica (potencial) que existe por la diferencia de cargas.

Así pues, imaginemos que entran en contacto las capas número 1, a₁ del agua y s₁ de la sal. A nivel molecular o iónico, debe haberse creado un campo eléctrico entre las cargas de las moléculas y las cargas de los iones. La proximidad se traduce en una energía potencial (eléctrica). Si esta energía es mayor que la definida por las fuerzas de cohesión de ambas redes, un ion Na⁺ se une con una molécula de agua por la zona del oxígeno y un ion Cl^- se une con una molécula de agua por la zona de los hidrógenos. Algo así:

Estos “productos” tienen carga neutra y caen libres, es agua salada (¿o vapor salado si los puentes de hidrógeno u otra fuerza de cohesión no existen?).

Esto explicaría lo que comentábamos más arriba sobre las condiciones de presión y temperatura: a presiones más altas, más difícil vencer las fuerzas de cohesión; a temperaturas más bajas, más difícil vencer las fuerzas de cohesión.

Este proceso se iría sucediendo con las demás capas hasta que no quedara materia en contacto. ¿Cuánta sal sería necesaria por cantidad de nieve? Además, ha de tenerse en cuenta que toda la nieve habría de tocar la sal, ya que, si no es así, seguirá habiendo nieve “sin derretir”:

El suelo habría absorbido el agua salada y la nieve habría acabado fijándose al suelo. Pero claro, las superficies no son siempre horizontales, y sabemos que los líquidos también sucumben a la Gravedad. Por eso, el agua salada fluiría de las zonas más altas a las más bajas, cambiando su energía potencial por energía cinética y ésta por algo de calor. Con lo que se fundiría algo más de nieve mientras se produjera este arrastre:

Pero no toda, o, por lo menos, no tiene por qué ser toda la nieve la que se derrite.

De todas formas, esta simple argumentación sólo es válida si las premisas son válidas. Es decir si en efecto la energía potencial entre la zona polar del oxígeno y el ion Na⁺ ,y la energía potencial entre la zona polar de los hidrógenos y el ion Cl^- son mayores que las energías de cohesión en los cristales. Si esto es así, ¿por qué en algunas capitales europeas, como Viena, se esparce otra sustancia aparentemente menos soluble que la sal común? La razón ecológica parece clara: si no se filtra NaCl a la tierra, las plantas vivirán algo más. La sustancia vienesa parece sílice o, si no, de naturaleza calcárea. Entonces, la explicación parecería más restringida a aspectos mecánicos.

No obstante, en el modelo que he descrito no conviene olvidar que la nieve se ha aproximado a la sal habiendo consumido energía potencial y que ya cuenta con energía cinética en su caída, y que, al chocar contra el suelo (o la sal), pierde en forma de calor como mínimo. Pero obviamente he despreciado ese fenómeno para los copos que llegan más o menos íntegros (que en su fricción con las partículas del aire ya han perdido energía en forma de calor, por otra parte)

Por cierto, las moléculas del alcohol (supongo etanol) no son polares o, al menos no tienen la polaridad tan acentuada como las del agua. Al no ser dipolos, no “generan” atracción con los iones de la sal. Teóricamente la sal no modificaría sensiblemente el punto de fusión del etanol. Otra cosa es que fuera azúcar (sacarosa, e.g.). Pero eso es otro cantar.

Sin embargo, el azúcar en el agua (líquida) sí es soluble y, precisamente por no ser un soluto iónico, en concentraciones bajas se cumple la ley de Raoult, que explica el descenso crioscópico del agua. Por algo el agua es “el disolvente universal”.

Otras explicaciones

1) Si se echa sal sobre la nieve (o el hielo), se funde la nieve porque la sal está a temperatura más alta, le cede energía en forma de calor hasta alcanzar el equilibrio térmico. Esta explicación es trivial y por eso no la había mencionado antes. La anterior explicación supone que la sal yace en el suelo y ambos están a la misma temperatura que la nieve.

2) Ahora bien, ¿por qué habría de estar a la misma temperatura? Por equilibrio térmico con el ambiente, ¿verdad? Bueno, también lo está un invernadero, ¿o no?

Esto me sugiere dos vías explicativas, ambas diletantes –he de admitirlo-.

Por una parte, lo que alguna vez denominé erróneamente “efecto lupa” y que debería denominar “efecto invernadero”. ¿Qué pasaría si los cristales de sal dejaran pasar radiación solar hasta el suelo, que luego no dejaran escapar y produjera un aumento de la energía interna de las superficies en contacto sal-suelo? Si esto fuera así, podríamos pensar que cierta cantidad de energía en forma de calor fuera conduciéndose por el cristal de sal y por la zona de suelo más cercana, aumentado su temperatura:

El cristal (en azul) produce efecto invernadero entre él y el suelo. Aire caliente que, pese a circular, no evita que también se caliente el suelo y el cristal de sal por conducción y radiación. Si la temperatura es mayor que la de la nieve, el microsistema cede energía a la nieve. Si la energía es igual o superior al calor necesario para fundir la nieve, logrará fundirla.

Al fin y al cabo, ¿por qué habría de hacerlo la superficie de plástico de una central eólico-solar y no un cristal de sal?

Bien, la otra explicación también coadyuvaría a explicar por qué se esparce otro mineral distinto a la sal común por las calles de Viena. El efecto sería, en cierta forma, similar al anterior, pero más parecido al comportamiento de un acumulador: parte de la energía de las ondas electromagnéticas solares es atrapada en mayor cantidad en los cristales minerales más prominentes. Esto no es magia, sino que la especial estructura del cristal, permite más el tránsito de energía en una dirección que en otra.

Lo cierto es que esto ya suena a ciencia ficción, y sería mucho más fácil suponer que estos minúsculos cristales, apenas ligados al suelo, están expuestos a mayor fricción con las partículas del aire. Esta movilidad se traduce en mayor energía cinética, que finalmente deviene en aumento de su energía interna y transformación de energía en forma de calor entre estos minerales y el suelo.

Menudo lío. ¿Tendrá esto algo que ver con modas científicas? O, más bien, pseudocientíficas.

En fin, dadas estas dudas, ¿alguien puede aportar explicaciones satisfactorias sobre esta cuestión?

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog el zombi de Schrödinger.

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