מדוע מלח נמס קרח מהר יותר מסוכר?

כאשר הכבישים מכוסים בשמיכת קרח מה שגורם לרכב רגיל לנסוע לסכנה פוטנציאלית, השימוש במלח נפוץ לכיסוי דרכים ממיס את הקרח. אבל למה זה עובד? והאם הסוכר, גם הוא תרכובת גבישית לבנה, שקשה להבדיל ממלח בלי לטעום, היה עובד גם כן?

מניחים שלושה בקבוקים במקפיא ביתי, אחד המכיל מי ברז, שני עם תמיסת מלח רווי, ושלישי עם תמיסת סוכר רווי. תמצאו את מי הברז קופאים כצפוי. מי הסוכר הופכים לרפש עם טלאים קפואים, אך מי המלח כלל לא יקפאו. תופעה זו מדגימה דיכאון בנקודת הקפאה.

דיכאון בנקודת הקפאה מתייחס לתצפית שלחומר טהור (כלומר מים) נקודת התכה / הקפאה מוגדרת (0'C), אך התוספת של טומאה (כלומר מלח, סוכר), כמו גם הורדת טמפרטורה זו, גם מפיצה אותה כך שיש התכה / הקפאה פחות מוגדרת ומפוזרת נְקוּדָה. ככל שכמות הטומאה גדולה יותר, נקודת ההיתוך / הקפאה נמוכה יותר. במילים אחרות, דיכאון בנקודת הקפאה הוא מאפיין קולגיטיבי. וכשמדובר בתכונות קולגטיביות של פתרונות, זה מספר המולקולות של המומס שחשוב, לא סוג המומס, בהשוואה בין שתי תמיסות, שכל אחת מהן מכילה אותה כמות של מלח או סוכר, תמיסת המלח תנמיך את נקודת הקפאה נוסף. הסיבה לכך היא כי גרם אחד של מלח מכיל יותר מולקולות של מלח מאשר גרם אחד של סוכר מכיל מולקולות של סוכר.

כימאים משתמשים בשומות, יחידה השווה במספר למשקל המולקולרי (הנמדד בדלתונים) של חומר, אך בגרמים, כדי להכין תמיסה עם מספר מוגדר של מולקולות מומסות. לשומה של חומר אחד יש אותו מספר מולקולות בדיוק כמו לשומה של כל חומר אחר. לסוכר השולחן (סוכרוז), C12H22O11, משקל מולקולרי של 342 דלטונים. כדי להשיג שומה אחת של סוכרוז, שקול 342 גרם. מלח שולחן, NaCl, משקל מולקולרי הוא 58 דלטון. כדי להשיג שומה אחת של מלח, שקול 58 גרם. שים לב שאתה זקוק כמעט פי שש לסוכרוז כדי להשיג את אותו מספר מולקולות בשומה אחת של מלח.

בתנאים רגילים, מים מוצקים נמצאים בשיווי משקל עם מים נוזליים בהקפאתם הסטנדרטית טמפרטורה של 0 ° C, כלומר מים יתקיימו בשביעות רצון כנוזל או כמוצק, ויתחילו להתמוסס או להקפיא. מסיבה זו, קרח מכוסה בשכבה דקה של מים. מולקולות בשלב המוצק נסחרות כל הזמן עם מולקולות בשלב הנוזל. התנהגות זו של מים מאפשרת להשתמש במלח להמיסת קרח.

מלח המוזרק בכבישים מכוסים קרח מתמוסס בסרט המים המצפה את הקרח, ויוצר פיתרון שכבר לא נמצא בנקודת הקפאה שלו. מולקולות מוצקות עוברות לשלב הנוזלי, אך אינן חוזרות יותר למוצק. מקצה איזון לקראת שלב הנוזל, יותר ויותר מולקולות מוצאות את עצמן בתמיסה ובכך ממיסות את הקרח.