¿Por qué el agua evaporada del océano no es salada?

Question

Estoy pensando en esto. Cuando el agua salada en el océano se evapora, obtenemos agua destilada limpia. ¿Por qué es eso? Estaba tratando de pensar en esto y quizás el tamaño/masa comparativo de las moléculas de agua en comparación con el tamaño de las diferentes moléculas de sales juega un papel aquí, pero no es probable. El tamaño/masa de las moléculas de alcohol, por ejemplo, es mucho mayor, pero aún así se evaporan bastante bien. ¿Podrías explicarlo intuitivamente?

Answer 1

Las moléculas de agua son polares; esto básicamente significa que tienen un "lado positivo" y un "lado negativo"

La sal está compuesta por iones Na$^+$ y Cl$^-$ unidos por fuerzas electrostáticas (es un compuesto iónico). Cuando la sal se disuelve en agua, se disocia, es decir, los iones Na$^+$ se separan de los iones Cl$^-$.

Cuando están en el agua, dichos iones están rodeados por moléculas de agua que les muestran el lado opuesto a la carga del ion; esto se debe a que de esta forma pueden alcanzar un estado de energía más bajo, ya que su campo electrostático se ve amortiguado por el de las moléculas de agua (imagen abajo [fuente]).

El agua se evapora cuando la energía térmica de las moléculas es lo suficientemente alta como para romper aproximadamente la mitad de los enlaces de hidrógeno entre ellas [fuente]. Para los iones, es mucho más difícil evaporarse, ya que su energía térmica tendría que ser suficiente para compensar el efecto de las moléculas de agua que los rodean.

Básicamente, tanto las moléculas de agua como los iones están en lo que se llama un pozo de energía potencial: para "sacarlos" del pozo, debemos proporcionarles una energía tan alta como la profundidad del pozo de energía $\Delta E$ (imagen abajo).

La profundidad del pozo en el que se encuentran las moléculas de agua (debido a la formación de enlaces de hidrógeno) es mucho menor que la profundidad del pozo en el que se encuentran los iones. Por lo tanto, se necesita una energía térmica mucho mayor para sacar un ion del agua. Dado que la energía térmica es proporcional a $k_B T$, donde $k_B$ es la constante de Boltzmann, esto significa que se necesita una temperatura mucho más alta.

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Actualización: Algunos números

Para tener una idea del orden de magnitud de las energías involucradas, debemos considerar lo siguiente:

• A temperatura ambiente ($T_r\simeq298$K), $k_B T_r = 0.026$ eV (sin embargo, debemos tener en cuenta que esto es solo un orden de magnitud...)
• La energía de un enlace de hidrógeno (entalpía de enlace de hidrógeno) en agua es de alrededor de $23.3$ kJ/mol = $0.24$ eV = $9.3 \ k_B T_r$, y para que un volumen de agua se evapore, aproximadamente la mitad de todos los enlaces de hidrógeno en el volumen deben romperse:

No hay una  definición estándar  para la energía del enlace de hidrógeno. En el agua líquida, la energía  de atracción entre las moléculas de agua  (entalpía de enlace de hidrógeno) es aproximadamente $23.3$ kJ/mol  (Suresh y Naik, 2000) y  casi cinco veces la fluctuación promedio de  las colisiones térmicas a  $25$°C. Esta  es la energía necesaria  para romper y separar completamente el enlace,  y equivale a aproximadamente la mitad de la entalpía  de vaporización  ($44$ kJ/mol  a $25$°C),  ya que se rompe un promedio  de casi dos enlaces de hidrógeno por  molécula al evaporarse el agua. [fuente]

• La energía obtenida al colocar un ión en agua (término técnico "hidratar" al ión) se conoce como la energía de hidratación o entalpía de hidratación ($\Delta H_{hyd}$). Dado que estamos interesados en el proceso contrario (la remoción o deshidratación del ión), debemos considerar $-\Delta H_{hyd}$. Aquí podemos encontrar algunos números. Podemos ver que

$$\Delta H_{hyd}(\text{Na}^+) = -406 \ \text{kJ/mol} = -4.2 \ \text{eV} = -162\ k_B T_r$$

$$\Delta H_{hyd}(\text{Cl}^-) = -363 \ \text{kJ/mol} = -3.8 \ \text{eV} = -145 \ k_B T_r$$

Answer 2

En cualquier temperatura y presión dadas, los líquidos (como el agua) y los sólidos (como la sal) están en equilibrio con su forma gaseosa respectiva. La presión de vapor describe este fenómeno. A menudo, los sólidos tienen una presión de vapor más baja que los líquidos. Cuanto más alta sea la presión de vapor, más volátil es un compuesto. Y en el caso del cloruro de sodio / NaCl puro, esta presión de vapor es mucho más baja que la del agua. Esto contribuye solo por qué calentar agua de mar y condensar el vapor, primero producirá agua.

Además, para realizar una destilación de este tipo, también se aplica la ley de Raoult. Básicamente, hay una presión total $p$ en el sistema que es la suma de las presiones parciales de los dos componentes (agua y sal). La presión parcial tiene en cuenta la presión de vapor del componente puro que posee (a esta temperatura y presión) multiplicada por la concentración de este componente en la mezcla (expresada como fracción molar):

$p (\mbox{total}) = p(\mbox{agua}) * x(\mbox{agua}) + p(\mbox{NaCl}) * x(\mbox{NaCl})$

donde las fracciones molares sumarán uno. Por lo tanto, si simplificamos "agua de mar" como una solución de NaCl en agua:

$x(\mbox{agua}) + x({\mbox{NaCl}}) = 1$

La contribución de la presión total $p$ por parte de NaCl se reduce aún más ya que en condiciones ambientales, el agua solo puede disolver 359 g de NaCl por litro de agua (referencia), excluyendo así una solución de concentración de NaCl superior al 36% en masa.

Esta es una visión simplificada, dejando de lado cualquier idea de "moléculas" o "iones". La ley de Raoult también es una idealización (por ejemplo, azeótropos como etanol/agua). Por supuesto, el agua de mar contiene más que NaCl; y para eliminar este último de la primera, la ósmosis inversa es una técnica más favorable energéticamente. Finalmente, para destilar NaCl, se necesitan condiciones de temperatura muy alta y presión muy baja, muy diferentes de las necesarias para destilar agua.

Answer 3

El alcohol se evaporará primero
El punto de ebullición es de 78.37 °C
Habrá algo de agua pero la proporción de alcohol en la fase de vapor será mayor que en la fase líquida. El agua y el alcohol son azeótropos así que las cosas cambian alrededor del 70% de alcohol.
El tamaño no es tanto un factor - el hexano es volátil. wiki

La sal de mesa (NaCl) no es mucho más volátil que un roca

punto de fusión 801 °C (1,474 °F)
punto de ebullición 1,413 °C (2,575 °F)
wiki

La presión de vapor más baja que pude encontrar es a 759.88 °K = 486.73 °C
1.88322997019E-006 kPa
Presión de vapor de cloruro de sodio

La presión de vapor del agua es de 101.32 kPa a 100 °C

El agua es 53,801,182 veces más volátil a 100 °C que la sal a 486.73 °C

La sal se disuelve en agua pero eso no hace que la sal sea más volátil.

Básicamente no se evapora sal. Con una ebullición muy rápida, puede haber algo de arrastre. La fase de vapor no va a tener esencialmente sales ni minerales ya que son sólidos a 100 °C.

Toma un litro de agua y agrega una taza de sal. Ponlo en la estufa y deja que todo el agua se evapore. Te quedará una taza de sal.

Answer 4

Debe haber distinciones claras entre las fuerzas que mantienen unidos átomos (cargados o neutros) y las moléculas (por ejemplo, agua, H$_2$O; Sal, NaCl) juntas. Es el enlace iónico o covalente lo que mantiene unidos a los átomos.

Enlace covalente: Dos procesos para la formación de la molécula de agua. 1) Dos átomos de hidrógeno forman la molécula H2, es decir,

H + H = H$_2$;

2) 2 moléculas de hidrógeno y 1 molécula de oxígeno forman 2 moléculas de agua, es decir,

2H$_{2}$ + O2 = 2H$_{2}$O)

Enlace iónico:

La sal, NaCl, se forma a partir de 1 ion sodio, Na$^+$, y 1 ion cloro, Cl$^-$, es decir,

Na$^+$ + Cl$^-$ = NaCl

Una fuerza atractiva o repulsiva une a las moléculas (por ejemplo, más de una molécula de H$_{2}$O). Esta fuerza es diferente de los enlaces iónicos o covalentes porque une a moléculas o átomos neutros y se llama fuerza de Van der Waals (wiki). Esta fuerza deja de existir cuando las moléculas están más separadas. Durante condiciones neutrales y de equilibrio, las moléculas de agua y la sal disuelta se unen por la fuerza de Van der Waals. La energía térmica adicional crearía vibración y debilitaría esta fuerza entre las moléculas. Una vez que esta fuerza se debilita, el H$_{2}$O (masa molar, ~ 18g) es mucho más ligero que el NaCl (masa molar, ~ 59g). Compárelo con la masa molar del aire seco (Nitrógeno, Oxígeno y otros gases traza), ~29g. Por lo tanto, el agua es más ligera que el aire y por lo tanto se eleva en el aire dejando atrás el NaCl más pesado.

En conclusión, no es el enlace covalente o iónico lo que provoca un cambio de fase. Más bien es la fuerza de Van der Waals (la fuerza que une a las moléculas) que se debilita cuando las moléculas no están lo suficientemente cerca al aplicar energía térmica adicional (por ejemplo, el agua comienza a vaporizarse a 100 $^o$C y por lo tanto las moléculas de H2O vuelan fácilmente al aire debido a su peso más ligero que el aire).