ทำไมเกลือสินเธาว์ถึงทำให้น้ำแข็งเย็นลง?

วางถ้วยที่มีน้ำบริสุทธิ์ไว้ข้างๆ ถ้วยที่มีน้ำเค็ม และค่อยๆ ลดอุณหภูมิโดยรอบลง ที่อุณหภูมิประมาณ 0 องศาเซลเซียส (32 องศาฟาเรนไฮต์) น้ำบริสุทธิ์จะกลายเป็นน้ำแข็งและค่อยๆ กลายเป็นน้ำแข็งในขณะที่น้ำเค็มยังคงเป็นของเหลว ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่น้ำจืดเป็นน้ำแข็ง น้ำเกลือก็จะแข็งตัวเช่นกัน ความแตกต่างของอุณหภูมิจริงขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเกลือ สาเหตุที่สิ่งนี้เกิดขึ้นเกี่ยวข้องกับการมีไอออนของเกลืออยู่ในน้ำ พวกมันรบกวนแนวโน้มของโมเลกุลของน้ำที่จะเรียงตัวเป็นโครงสร้างผลึก

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

น้ำเค็มมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่าน้ำบริสุทธิ์ น้ำบนพื้นผิวของน้ำแข็งรสเค็มจะเย็นกว่า น้ำแข็งจึงรู้สึกเย็นกว่าน้ำแข็งบริสุทธิ์

โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลเป็นการรวมกันของออกซิเจนหนึ่งตัวและไฮโดรเจนสองอะตอมที่จัดเรียงเป็นรูปสามเหลี่ยม การจัดเรียงแบบอสมมาตรนี้ทำให้โมเลกุลมีขั้ว – ด้านหนึ่งมีประจุบวกสุทธิในขณะที่อีกด้านหนึ่งเป็นลบ เนื่องจากขั้วนี้ โมเลกุลจึงถูกดึงดูดเข้าหากัน อย่างไรก็ตาม โมเลกุลมีการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง สั่นและเคลื่อนที่ไปมาอย่างไม่หยุดยั้ง เมื่อคุณลดอุณหภูมิลง โมเลกุลจะช้าลง และเนื่องจากพวกมันมีพลังงานน้อยกว่า พวกมันจึงเริ่มเกาะติดกัน ที่จุดเยือกแข็ง พลังงานของการเคลื่อนไหวต่ำมากจนโมเลกุลรวมตัวกันเป็นโครงสร้างแข็ง

โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) หรือเกลือสินเธาว์ประกอบด้วยโซเดียมไอออนที่มีประจุบวกและคลอรีนไอออนลบที่จับกันโดยการดึงดูดด้วยไฟฟ้าสถิตเข้าไปในโครงสร้างขัดแตะ เมื่อคุณใส่เกลือลงในน้ำ โมเลกุลของน้ำที่มีขั้วจะทำลายโครงสร้างและล้อมรอบไอออนแต่ละตัว ซึ่งจะกระจายตัวเป็นสารละลาย เมื่ออุณหภูมิลดลง ไอออนจะขัดขวางความสามารถของโมเลกุลของน้ำในการก่อตัวเป็นผลึก โครงสร้างและส่วนผสมจะไม่กลายเป็นของแข็งจนกว่าคุณจะลดอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของบริสุทธิ์ น้ำ. จุดเยือกแข็งใหม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเกลือ แต่อุณหภูมิต่ำสุดที่ทำได้คือ -21.1 C (-5.98 F) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นที่ความอิ่มตัว เมื่อไม่มีเกลือจะละลายอีกต่อไป

หากคุณหยิบน้ำเกลือก้อนที่แช่แข็งขึ้นมา มันอาจจะรู้สึกเย็นกว่าน้ำบริสุทธิ์ก้อนหนึ่ง มีเหตุผลสองสามประการสำหรับเรื่องนี้ หนึ่งคือการแช่แข็งน้ำแข็งก้อนน้ำเกลือจะต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่าก้อนน้ำแข็งน้ำบริสุทธิ์

อีกเหตุผลหนึ่งก็คือชั้นผิวของน้ำบนลูกบาศก์ก็มีอุณหภูมิต่ำกว่าเช่นกัน บนพื้นผิวของน้ำแข็งทุกก้อน กระบวนการแลกเปลี่ยนจะเกิดขึ้นระหว่างน้ำในสถานะของเหลวและของแข็ง การปรากฏตัวของเกลือในน้ำจะลดจุดสมดุลของการแลกเปลี่ยนนี้โดยการลดจุดเยือกแข็งของน้ำของเหลว ดังนั้น น้ำที่คุณสัมผัสบนพื้นผิวของลูกบาศก์น้ำเกลือจะเย็นกว่าที่อยู่บนลูกบาศก์น้ำบริสุทธิ์ ไดนามิกนี้ยังป้องกันน้ำที่สัมผัสกับน้ำแข็งจากการแช่แข็ง ซึ่งเป็นสาเหตุที่เกลือดูเหมือนจะละลายน้ำแข็ง