¿Por qué disminuye el punto de congelación al agregar impurezas?

Question

Es un hecho bien conocido que el punto de congelación disminuye al agregar impurezas. Yo siento que debería aumentar al agregar impurezas.

Razón: He visto este video sobre agua sobreenfriada. Dice que cuando se forma hielo, necesita algunos puntos de nucleación. Si el agua es pura y se deja sin perturbaciones, entonces no habría puntos de nucleación y el agua no se congelaría incluso por debajo de $0^o$C.

Así que, mi razonamiento es que cuando se añaden impurezas, proporcionan puntos de nucleación adicionales donde los cristales de agua pueden reunirse. Esto haría que el agua se congele más rápido.

Pero no sucede. ¿Por qué?

Answer 1

No, pero buena pregunta. La congelación es un proceso termodinámico. La nucleación es un proceso cinético.

Explicación cinética: En el punto de congelación del agua, el agua quiere convertirse en hielo (impulsado termodinámicamente). Para que se inicie la congelación y se forme hielo, un número mínimo de moléculas de agua dependiente de la temperatura deben organizarse en un cristal, de lo contrario la partícula se disolverá y no ocurrirá la congelación. Las impurezas o los recipientes con superficies rugosas pueden ayudar a organizar y retener las moléculas, lo que permite que la congelación ocurra con un menor número de moléculas.

Explicación termodinámica: La congelación es un proceso termodinámico dictado por $\Delta G_f = 0 = \Delta H_f -T\Delta S_f$. Cuando el agua se congela, debe expulsar las impurezas para formar un cristal de hielo (mezcla inversa). Dado que mezclar aumenta la entropía, esto significa que para que el agua se congele el cambio negativo en entropía ($\Delta S_f$) es mayor que el del agua pura. Esto debe compensarse con una temperatura más baja ($T$) sin tener en cuenta y diferencias en la entalpía. La entalpía ($\Delta H_f$) de la mezcla también contribuirá a la temperatura de congelación del agua y debe tenerse en cuenta. En el caso del cloruro de sodio, aunque la entalpía de mezcla es positiva, lo que favorecería un punto de fusión más alto, la contribución de la entropía es grande y magnificada por la temperatura, por lo que la entropía domina y reduce la temperatura de congelación.

Si observas el diagrama de fases del agua y la sal, verás que la mezcla de sal y agua deprime la temperatura de fusión debido al aumento en el cambio de entropía de mezclar agua y sal para hacer salmuera a partir de hielo y sal.

Answer 2

Piense en términos de necesidad de eliminar la sustancia disuelta: el agua que cristaliza es (bastante) pura $\ce{H2O}$, y el resto es una solución concentrada (por ejemplo, salmuera, si el soluto es $\ce{NaCl}$. Se realiza un trabajo para separar el agua de la salmuera, por lo que se necesita más "esfuerzo" para congelarla que para el agua pura.

Hay muchas buenas explicaciones sobre el fenómeno en la web, por ejemplo, Animaciones de Física.

Por cierto, algunas bacterias nuclea la congelación del agua, como Pseudomonas syringae. La proteína de estas bacterias se utiliza en fabricación de nieve artificial. El agua aún tiene que estar por debajo de 0 C para congelarse, pero se enfría menos.