Posizionare una tazza contenente acqua pura accanto a una contenente acqua salata e abbassare gradualmente la temperatura ambiente. A circa 0 gradi Celsius (32 gradi Fahrenheit) l'acqua pura si ghiaccierà e si congelerà gradualmente mentre l'acqua salata rimane liquida. Ad una certa temperatura inferiore a quella alla quale l'acqua dolce si è congelata, anche l'acqua salata si congelerà. La differenza di temperatura effettiva dipende dalla concentrazione di sale. Il motivo per cui ciò accade ha a che fare con la presenza di ioni di sale nell'acqua. Interferiscono fisicamente con la tendenza delle molecole d'acqua ad allinearsi in una struttura cristallina.
TL; DR (troppo lungo; non letto)
L'acqua salata ha un punto di congelamento inferiore rispetto all'acqua pura. L'acqua sulla superficie del ghiaccio salato è più fredda, quindi il ghiaccio sembra più freddo del ghiaccio d'acqua puro.
Cosa succede quando l'acqua si congela?
Ogni molecola d'acqua è una combinazione di un ossigeno e due atomi di idrogeno disposti in un triangolo. Questa disposizione asimmetrica conferisce alla molecola una polarità: un lato ha una carica netta positiva mentre l'altro lato è negativo. A causa di questa polarità, le molecole sono attratte l'una dall'altra. Le molecole sono in costante movimento, tuttavia, vibrano e si muovono l'una intorno all'altra senza sosta. Quando abbassi la temperatura, le molecole rallentano e, poiché hanno meno energia, iniziano ad attaccarsi l'una all'altra. Al punto di congelamento, l'energia del movimento è così bassa che le molecole si fondono in una struttura solida.
Aggiungi un po' di sale
Il cloruro di sodio (NaCl), o salgemma, è costituito da uno ione sodio caricato positivamente e uno ione cloro negativo legati insieme dall'attrazione elettrostatica in una struttura reticolare. Quando metti il sale nell'acqua, le molecole d'acqua polare rompono la struttura e circondano i singoli ioni, che si disperdono in soluzione. Quando la temperatura scende, gli ioni interferiscono con la capacità delle molecole d'acqua di formare un cristallo struttura e la miscela non si trasformerà in un solido fino a quando non abbasserai la temperatura al di sotto del punto di congelamento di puro acqua. Il nuovo punto di congelamento dipende dalla concentrazione di sale, ma il minimo che può raggiungere è -21,1 C (-5,98 F). Ciò si verifica alla saturazione, quando non si scioglie più il sale.
Il ghiaccio con un punto di congelamento più basso sembra più freddo
Se raccogli un cubetto di acqua salata congelato, potrebbe sembrare più freddo di un cubo di acqua pura. Ci sono un paio di ragioni per questo. Uno è che, per essere congelato, un cubetto di ghiaccio di acqua salata deve essere a una temperatura inferiore rispetto a un cubetto di ghiaccio di acqua pura.
L'altro motivo è che anche lo strato superficiale d'acqua sul cubo è a una temperatura inferiore. Sulla superficie di ogni cubetto di ghiaccio avviene un processo di scambio tra l'acqua allo stato liquido e quella solida. La presenza di sale nell'acqua abbassa il punto di equilibrio di questo scambio abbassando il punto di congelamento dell'acqua liquida. Di conseguenza, l'acqua che senti sulla superficie di un cubo di acqua salata è più fredda di quella su un cubo di acqua pura. Questa dinamica impedisce anche il congelamento dell'acqua che viene a contatto con il ghiaccio, motivo per cui il sale sembra sciogliere il ghiaccio.