¿Por qué es el hielo hecho de agua hervida claro?

Question

Un truco común para hacer hielo de agua clara es hervir agua pura antes de congelarla. ¿Por qué funciona eso y cuáles son las inclusiones blancas en el hielo que se hizo con agua del grifo sin hervir?

Answer 1

Realmente estoy improvisando en este porque la última vez que hice un cálculo de equilibrio fue hace 35 años! Pero estoy bastante seguro de una respuesta parcial (ver discusión al final).

La solubilidad de un gas en agua (o líquido en general) casi siempre disminuye con el aumento de la temperatura. Este fenómeno se explica de una manera muy similar a la explicación del aumento en la tasa de evaporación de un líquido con la temperatura. Los gases se disuelven en líquidos porque las moléculas de gas encuentran un estado de menor energía unidas al líquido. Cuanto más alta sea la temperatura, mayor será la proporción de las moléculas de gas con energía térmica mayor que la energía de unión para el proceso de disolución. Por lo tanto, una mayor proporción de las moléculas de gas pueden escapar del líquido: el equilibrio químico para la reacción de disolución cambia para favorecer a las moléculas libres más que a las unidas con el aumento de la temperatura.

La ebullición de un líquido reduce la concentración de gases disueltos a través del efecto anterior. Normalmente, el cambio de equilibrio para favorecer los gases disueltos con la disminución de la temperatura significaría que, al enfriar, el líquido absorbería tanto gas como se desplaza en el proceso de ebullición. El truco con el hielo transparente es que el líquido se congela demasiado rápido para que el proceso de disolución de gas se complete - se congela irreversiblemente por lo que está muy lejos del equilibrio a medida que se enfría - con el resultado de que hay una expulsión neta de gas del líquido por el proceso de ebullición antes de congelarse. Una vez que el líquido está congelado, el gas ya no puede disolverse en él, por lo que obtienes hielo transparente.

Nota que esta respuesta está incompleta: no explica por qué el gas disuelto en el líquido forma las burbujas que forma cuando el líquido se congela, como en la imagen de la derecha de su pregunta. Esta respuesta solo explica la ausencia del gas necesario para el proceso de nublado, por lo que una respuesta completa debe explicar por qué el gas disuelto sale de la solución para formar burbujas a medida que el hielo se congela.

Answer 2

La respuesta corta: El hielo nublado se produce por los gases (principalmente nitrógeno y oxígeno) disueltos en el agua que salen de la solución cuando el agua se congela. Las pequeñas burbujas atrapadas en el hielo causan la apariencia blanca. Hervir el agua elimina el aire disuelto en ella, produciendo hielo claro como resultado. Asumiendo que otras impurezas no produzcan el mismo efecto nublado.

La respuesta larga:

Impurezas presentes en el agua:

• Gases: El agua a 20°C normalmente contiene alrededor de 15 ppm de gases disueltos, lo cual es equivalente a 1 volumen de aire por cada 50 volúmenes de agua. Estos son los mismos gases presentes en el aire, pero no en las mismas proporciones ya que algunos son más solubles que otros: aproximadamente 63% de nitrógeno, 34% de oxígeno, 1.5% de argón y 1.5% de dióxido de carbono.

• minerales: El agua del grifo contiene minerales disueltos, principalmente Ca y Mg. Pueden estar presentes en forma de bicarbonatos: $Ca^{2+}({HCO_3}^-)_2$ y $Mg^{2+}({HCO_3}^-)_2$ (estos solo existen en solución, no como sustancias sólidas), y como sulfato de calcio y magnesio. Si el agua pasó por un ablandador de agua, los iones de Ca y Mg pueden haber sido reemplazados por (el doble de) iones de sodio o potasio.

Los efectos de calentar el agua:

• eliminación de gases disueltos: una temperatura más alta favorece reacciones endotérmicas (principio de Le Chatelier). Para los gases presentes en el agua, la disolución (a temperatura ambiente) es un proceso exotérmico, por lo tanto su solubilidad disminuye al calentar el agua. La solubilidad de los gases no alcanza cero al punto de ebullición, ni necesariamente disminuye en todo el rango de temperatura. Para el nitrógeno en el agua, la entalpía de disolución se vuelve positiva alrededor de 75°, y su solubilidad aumenta por encima de esa temperatura. A los 100°C, la solubilidad del aire en su totalidad es de $0.93 * 10^{-5}$, cerca de la mitad de la solubilidad a 10°C, $1.82 * 10^{-5}$.

• eliminación de minerales disueltos: Calentar el agua promueve la conversión de bicarbonatos de Ca y Mg solubles a carbonatos insolubles ($2 {HCO_3}^-$ → $CO_3^{2-} + H_2O + CO_2$) que saldrán de la solución (como sarro). Los sulfatos (a veces referidos como "dureza permanente"), y los (bi)carbonatos de sodio o potasio permanecen en solución.

El efecto de la ebullición:

• La solubilidad de un gas en un líquido no solo depende de la temperatura, sino que es directamente proporcional a la presión parcial del gas. Al hervir, la fase gaseosa en contacto con el agua ya no es el aire, sino el vapor de agua (en las burbujas y cerca de la superficie). En esas burbujas, la presión parcial de los gases estará cerca de cero, por lo tanto las moléculas de gas todavía abandonarán la fase líquida (y el incremento del área superficial y el movimiento del agua aceleran el proceso), pero casi ninguna regresará. Dado suficiente tiempo, el vapor de agua eliminará la mayoría del gas. Hervir es básicamente equivalente a desgasificar por purgado: eliminar un gas (usualmente oxígeno) de un solvente haciendo burbujear un gas inerte a través de él.

¿Cómo hacen los gases que el hielo sea "lechoso/nublado"?

Answer 3

Esta respuesta estaba destinada como comentario para @WetSavannahanimal aka Rad Vance pero es bastante larga y llegué al límite de caracteres.

La razón por la opacidad en el centro debe ser debido a la forma en la que el volumen de agua se está congelando. Presumiblemente, la solución no está mezclada y el exterior se congela primero formando una pared cristalina (hielo) a través de la cual el gas no puede escapar. A medida que la pared se espese, el gas es liberado del agua que se solidifica en la solución central que queda. Esto concentra el gas en el líquido restante en el centro. Cuando la concentración de gas en esta solución alcanza el valor de saturación para el líquido en su estado actual, parte de este sale de la solución formando las cavidades, simultáneamente debería formarse algo de hielo, devolviendo la solución a la concentración de saturación. Esto se repite hasta que todo el agua está congelada.

La observación de que el hielo claro se hace burbujeando gas a través de él mientras se congela, indica que la mezcla de la solución permite que los gases saturados escapen de la superficie del volumen total de agua a medida que se forma el sólido en lugar de formarse en el centro.

Ahora uno podría preguntarse por qué no hay solamente una sola burbuja. La primera razón, desde el punto de vista de la solución a granel, es que el agua se está congelando incrementalmente formando burbujas a medida que avanza. Realmente está oscilando en torno al estado de equilibrio de la solución, que es el punto de saturación de gas de la solución congelante. Las condiciones exactas de este punto variarán ligeramente a medida que el líquido se congela. Es probable que la presión a la que se congeló el hielo en el centro sea mayor que la presión a la que se congeló el hielo de la superficie, por ejemplo, de manera similar, la temperatura a la que se congeló puede variar. Probablemente también hay un efecto de concentración, es decir, a medida que este punto de equilibrio se desplaza, el punto de saturación del gas también se desplazará, este cambio en la concentración también afecta un poco al punto de congelación. Hay alrededor de cuatro efectos (Temperatura, Presión, Volumen y Concentración de Gas) en juego durante la congelación. El segundo efecto, desde el punto de vista de un volumen finito, es que localmente alrededor de la cavidad, el agua podría experimentar una "ráfaga de gas" que podría congelar localmente una película de agua encapsulando la burbuja, de ahí el arreglo final complejo de cavidades y no la formación de una sola burbuja.

Es posible que se puedan ver estas diferencias en el punto de congelación utilizando el truco del polarizador. Solo lo he visto con plásticos transparentes hasta ahora pero debería funcionar aquí también. La próxima vez que vayas al cine, consigue un par de gafas 3D. Saca las dos lentes polarizadas y sujétalas a cada lado del cubito de hielo girándolas un poco, deberías ver la estructura cristalina interna del hielo como un enredo de líneas onduladas. Probablemente verás más un remolino o una dispersión en el centro cerca de las burbujas, lo que indica los cambios localizados en la estructura cristalina. Deberías comparar esto con el cubo transparente.

Hay otro truco que puedes probar. Si controlas la congelación del hielo hasta cierto punto podrías controlar la formación de las burbujas. Por ejemplo, nuestras bandejas de hielo son de plástico y tendemos a tener una capa superior clara con burbujas formándose en la parte inferior del cubo. Sospecho que el plástico retiene su calor y retrasa la congelación del fondo y del lado del cubo. Sospecho que si uno calentara o incluso enfriara la bandeja de hielo antes de formar el hielo se podría ver una formación diferente de cavidades (como se muestra en la segunda imagen aquí por ejemplo). Si usas una bandeja de hielo de metal deberías ver el efecto que has observado. Si combinas una bandeja de hielo de metal y una de plástico juntas podrías obtener más burbujas más cerca del lado de plástico. Incluso podrías obtener un efecto de lunares/explosión/combinación pintando pegamento en el interior de una bandeja de metal, o sostener una varilla de metal dentro del volumen mientras lo congelas. Aunque podrías estar agregando puntos para que se forme gas y escape, resultando en cubos transparentes. Alternativamente, podrías simplemente obtener un carrat (sombrero). Este Compañero parece haber hecho mucho trabajo duro por ti. Beneficiosamente parece disfrutar bebiendo sus experimentos después (Tu resultado podría variar).

Si estás realmente interesado deberías verificar si la NASA realizó experimentos de congelación en el espacio, podría mostrar otros métodos mediante los cuales se podría controlar la formación de burbujas. De manera similar, podrías encontrar imágenes de cámara rápida de congelación durante las cuales deberías ver algunos efectos interesantes mientras se forman las burbujas (Aunque es un uso un poco contradictorio de estas cámaras y dudo que las personas que las poseen hayan pensado en usarlas con este propósito).