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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NOTA: Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Químicaalojado en el recomendable blog El zombi de SchrödingerNOTA: Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Químicaalojado en el recomendable blog El zombi de SchrödingerNOTA: Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Químicaalojado en el recomendable blog El zombi de Schrödinger
