ทำไมน้ำตาลละลายน้ำแข็ง?

•••Modfos/iStock/GettyImages

เป็นเรื่องปกติที่จะกระจายน้ำแข็งบนถนนเพื่อละลายน้ำแข็งในฤดูหนาว แต่หากไม่มีน้ำแข็ง คุณก็สามารถใช้น้ำตาลได้เช่นกัน อันที่จริง คุณสามารถใช้สารใดๆ ที่ละลายในน้ำได้ น้ำตาลใช้ไม่ได้ผลเท่าเกลือ และยังมีปัญหาเรื่องน้ำเหนียวๆ ที่ทำให้โคลนข้างถนนกลายเป็นทอฟฟี่ แต่เนื่องจากมันลดจุดเยือกแข็งของน้ำ น้ำแข็งจะละลาย ตราบใดที่อุณหภูมิภายนอกไม่เย็นเกินไป สาเหตุที่ทำให้เกิดเหตุการณ์นี้ก็คือตัวละลายที่ละลายในน้ำจะขัดขวางความสามารถของโมเลกุลของน้ำในการรวมตัวกันเป็นของแข็ง

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

น้ำตาลลดจุดเยือกแข็งของน้ำโดยจับกับโมเลกุลของน้ำ และสร้างช่องว่างระหว่างกันมากขึ้น วิธีนี้ช่วยให้พวกเขาเอาชนะแรงไฟฟ้าสถิตที่ผูกไว้กับโครงสร้างที่เป็นของแข็ง เช่นเดียวกับสารใดๆ ที่ละลายในน้ำ

•••ภาพถ่ายโดย Jonathan Percy บน Unsplash

เมื่อน้ำอยู่ในสถานะของแข็งของน้ำแข็ง โมเลกุลจะจับตัวกันเป็นโครงสร้างผลึกซึ่งไม่มีโมเลกุลใดมีพลังงานที่จะหลบหนีได้ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลจะได้รับพลังงานสั่นสะเทือนและอิสระในการเคลื่อนไหว ที่จุดวิกฤต พวกมันสามารถหลุดพ้นจากแรงไฟฟ้าสถิตที่ผูกมัดพวกมันให้กลายเป็นโครงสร้างผลึกและเคลื่อนที่ไปมาอย่างอิสระมากขึ้นในสถานะของเหลว คุณทราบจุดวิกฤตนี้ดีเพราะเป็นจุดหลอมเหลวที่ 32 องศาฟาเรนไฮต์ (0 องศาเซลเซียส)

เมื่อน้ำอยู่ในสถานะของเหลว และคุณลดอุณหภูมิลง โมเลกุลจะสูญเสียพลังงานและในที่สุดก็รวมตัวกันเป็นโครงสร้างผลึก ที่อุณหภูมิวิกฤต จุดเยือกแข็ง โมเลกุลไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะหลบหนีจากพันธะไฟฟ้าสถิต พวกเขาออกแรงซึ่งกันและกันจึงเข้าสู่สภาวะ "อยู่เฉยๆ" เหมือนกลุ่มแมวที่เบียดเสียดกันเพื่อหนีฤดูหนาว ทำใจให้สบาย อีกครั้ง แรงดึงดูดจากไฟฟ้าสถิตที่พวกมันทำต่อกันซึ่งทำให้เกิดสิ่งนี้ขึ้น

•••Wavebreakmedia Ltd / Wavebreak Media / Getty Images

ตัวถูกละลายใดๆ ที่จะละลายในน้ำจะลดจุดเยือกแข็งด้วยเหตุผลที่ค่อนข้างง่าย เมื่อสารละลาย โมเลกุลของน้ำจะล้อมรอบสารนั้นและจับกับไฟฟ้าสถิต ตัวถูกละลายจะให้ช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำและลดแรงดึงดูดที่พวกมันกระทำต่อกัน เป็นผลให้พวกเขาต้องการพลังงานน้อยลงเพื่อรักษาอิสระในการเคลื่อนไหวและจะอยู่ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า

สิ่งนี้เกิดขึ้นไม่ว่าอนุภาคที่ถูกละลายเป็นไอออนเดี่ยวๆ เช่น โซเดียมและคลอไรด์ไอออนในเกลือ หรือโมเลกุลที่ซับซ้อนขนาดใหญ่ เช่น ซูโครส (น้ำตาลตาราง) ซึ่งมีสูตรทางเคมี C₁₂โฮ₂₂โอ₁₁. ด้วย 45 อะตอมต่อโมเลกุล น้ำตาลไม่สามารถแยกโมเลกุลของน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับไอออนที่มีประจุที่แรงกว่าและมีขนาดเล็กกว่า ซึ่งเป็นสาเหตุที่น้ำตาลไม่ได้ลดจุดหลอมเหลวอย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับเกลือ เหตุผลที่เกี่ยวข้องอีกประการหนึ่งก็คือ ผลกระทบต่อจุดเยือกแข็งนั้นขึ้นอยู่กับปริมาตรของตัวถูกละลาย เนื่องจากโมเลกุลของน้ำตาลมีขนาดใหญ่กว่าเกลือไอออนมาก โมเลกุลของน้ำตาลจะพอดีกับน้ำในปริมาณที่กำหนด

•••รูปภาพ Vlad Turchenko / iStock / Getty

มันไม่ถูกต้องเล็กน้อยที่จะบอกว่าน้ำตาลละลายน้ำแข็ง สิ่งที่เกิดขึ้นจริงคือมันลดจุดเยือกแข็งลง ดังนั้นน้ำจึงสามารถคงสภาพของเหลวไว้ในอุณหภูมิที่เย็นกว่าได้ โดยให้ช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำและลดแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน หากคุณโยนน้ำตาลลงบนน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 30 องศาฟาเรนไฮต์ (-1.1 องศาเซลเซียส) น้ำแข็งจะละลาย แต่ถ้าอุณหภูมิลดลง น้ำก็จะแข็งตัวในที่สุด จุดเยือกแข็งใหม่นั้นต่ำกว่าน้ำบริสุทธิ์ แต่สูงกว่าที่ควรจะเป็นถ้าคุณโยนเกลือลงบนน้ำแข็ง