¿Acelera la sal la transición del agua de hielo a vapor?

Question

En un entorno seco que esté algo por debajo del punto de congelación, el hielo de agua se sublimará, con el tiempo, en vapor. Si se esparce sal por el hielo, parte del hielo se derretirá y el agua derretida se evaporará.

¿Añadir la sal acelera la transición de hielo a vapor de agua? En otras palabras, ¿podría considerarse que la sal es un catalizador de la transición de fase sólido-gas?

Editar: originalmente me refería a "cloruro de sodio" cuando dije "sal", pero la verdad es que me interesaría cualquier sal que actúe como catalizador de fase.

Answer 1

Del libro Liofilización por Georg-Wilhelm Oetjen:

Oesterle demostró que no sólo el tBA puede acelerar la sublimación del hielo de mezclas amorfas concentradas por congelación, sino que también se pueden conseguir efectos similares con sales de amonio volátiles como el acetato de amonio, el bicarbonato y el formiato.

En otras palabras, un científico demostró mediante experimentos que el tBA (también conocido como hidróxido de tetrabutilamonio, que es un tipo de sal de amonio) y otras sales de amonio pueden acelerar la sublimación del hielo.

Aquí hay más información sobre las sales de amonio, y aquí es algo más de información sobre la tBA.

Así que, sí, ciertas sales pueden acelerar la sublimación del hielo.

Fuentes:

No puedo acceder al documento completo de Oesterle, pero aquí hay un enlace a su resumen (el documento se titulaba La influencia del alcohol butílico terciario y las sales volátiles en la sublimación del hielo de las soluciones de sacarosa congeladas: implicaciones para la liofilización ).

Aquí es un enlace a un pdf del libro Liofilización La cita anterior es de la página 87.

(Supongo que conociste la sublimación ya que en la primera frase de tu pregunta dice "el hielo de agua, con el tiempo, se sublimará a vapor").

Actualización:

Investigando un poco más, he encontrado sales que ralentizan la sublimación del hielo (como el NaCl). Lo que estoy descubriendo es que depende de la sal.

Aunque no estoy seguro, creo que he encontrado una especie de explicación de por qué la sal a veces afecta a la sublimación - según una pregunta de chemistry.SE ( aquí ):

En la madera, la mayoría o la totalidad de los enlaces entre los átomos individuales y las unidades de fibra son covalentes, lo que los hace muy fuertes... En el hielo, en cambio, las unidades del cristal se mantienen unidas con enlaces de hidrógeno comparativamente débiles, lo que significa que no se necesita mucha energía para que una molécula superficial de agua se escape...

En otras palabras, tal vez las sales de diferentes tipos hagan una de las siguientes cosas:

1. No hagas nada
2. Debilitar los enlaces entre los átomos, acelerando así la sublimación
3. Fortalecen los enlaces entre los átomos, por lo que ralentizan la sublimación

Según mis investigaciones, creo que el NaCl es del tercer tipo y las sales de amonio como el acetato de amonio son del segundo tipo.

Tenga en cuenta que esta explicación del fenómeno es principalmente una especulación basándome en lo que he encontrado. Es sobre todo para mostrar hacia dónde me dirijo en mi investigación sobre este tema.

Espero que esto ayude.

Answer 2

Creo que la respuesta es "no" en el caso del NaCL (que es lo que solemos llamar "sal"). Estos son los argumentos:

En primer lugar, la disolución de la sal (NaCl) en el agua es ligeramente endotérmica (5 kJ/mol), pero la disolución de la sal en el hielo es mucho más endotérmica. Esto se explica muy bien en esta respuesta La adición de sal al hielo crea "hielo por encima de su punto de fusión", pero la transición del hielo al agua requiere una energía considerable. A corto plazo, pues, añadir sal enfría el hielo . La temperatura más baja reducirá la tasa de sublimación / evaporación (de acuerdo con la Ley de Clausius-Clapeyron ).

A continuación, la presión de vapor saturada del agua a 0°C es la misma para el agua y el hielo. Debo admitir que me sorprendió un poco, pero esto fue confirmado por varias fuentes (ver por ejemplo esta tabla ).

En tercer lugar, la superficie del agua líquida es probablemente menor que la del hielo: debido a la tensión superficial, el líquido intentará formar la menor superficie posible; normalmente esto puede rellenar algunas grietas / irregularidades en el hielo (aún más en el caso de la nieve), lo que resulta en una superficie menor. Y, por supuesto, la tasa de evaporación/sublimación será proporcional a la superficie.

Cuarto: la presión de vapor saturado del agua salada es menor que la del agua pura. Esto se describe mediante la Ley de Raoult, que establece que la fracción de vapor es proporcional a la fracción molar del líquido. Por lo tanto, si se añade sal y se producen gotas de agua salada en la superficie, esa agua salada contiene una menor concentración de agua, y la presión de vapor se reduce en consecuencia.

Así que tenemos tres factores que favorecen al hielo puro, y un factor que es neutral. Concluyo que la adición de sal inhibe la transición a la fase de vapor.

Nótese que todo esto supone que el flujo de aire por encima de la superficie, y el correspondiente gradiente de presión de vapor cerca de la superficie, no cambian. Si los pajaritos quieren coger los granos de sal, el batir de sus alas generará un flujo de aire adicional que cambiará el análisis. Pero estoy asumiendo "condiciones de laboratorio".

Ten en cuenta que si tu "sal" fuera KOH (hidróxido de potasio), entonces la importante reacción exotérmica que se produce cuando la sal se disuelve en el agua (56 kJ/mol) daría lugar a un calentamiento local y a un aumento de la evaporación. Sin embargo, no creo que ese sea el mecanismo que estabas buscando.

Answer 3

Como mencionó Floris la sublimación es sólo de sólido directamente a vapor. Cuando el agua se convierte en vapor, la sal se queda atrás, por lo que la energía total transferida al agua desde el entorno será la misma que sin la sal. Sin embargo, cuando el sólido se convierte en líquido se extenderá en un charco. Cuando el líquido se extiende, su superficie aumenta. El número de moléculas de agua que entran en el aire aumenta al aumentar la superficie, por lo que el agua completará la transición de sólido a líquido y a vapor más rápidamente que sin la sal.

Answer 4

La sal hace que el hielo se derrita a una temperatura más baja, pero también disminuye la presión de vapor del líquido resultante. Esto daría como resultado una tasa más lenta de agua que se convierte en vapor, no una tasa más alta, porque tanto la sublimación como la evaporación dependen directamente de la presión de vapor de la sustancia que está involucrada, y también de la presión parcial de esa sustancia en el medio ambiente. Suponiendo que la presión parcial del agua en el entorno (por ejemplo, la humedad relativa) se mantiene igual cuando se añade la sal, y que la temperatura y las condiciones ambientales siguen siendo las mismas después de añadir la sal, una menor presión de vapor conduce a una menor tasa de evaporación del hielo derretido, por lo que la respuesta a su pregunta es "NO". Para obtener mucha más información sobre este tema, consulte: https://en.wikipedia.org/wiki/Colligative_properties