Vì sao rắc muối lại làm băng tan: hiện tượng hạ điểm nóng chảy

Rắc muối làm băng tan vì muối hoà vào lớp nước mỏng trên mặt băng tạo thành nước muối, mà nước muối đông ở nhiệt độ thấp hơn 0 °C. Hiện tượng này gọi là hạ điểm đông đặc (hay hạ điểm nóng chảy của băng): chất tan càng nhiều, điểm đông càng thấp. Với muối ăn, nước muối đậm nhất chỉ đông ở khoảng −21 °C, nên muối làm tan được băng khi trời lạnh vừa phải, còn rét sâu hơn mức đó thì gần như vô dụng.

Vì sao nước muối lại đông ở nhiệt độ thấp hơn nước ngọt?

Tại 0 °C, nước đá và nước tinh khiết ở trạng thái cân bằng: mỗi giây có bao nhiêu phân tử nước rời mặt băng để vào nước lỏng thì cũng có chừng ấy phân tử từ nước lỏng bám lên mặt băng.

Khi có muối, các ion natri và clo xen giữa các phân tử nước trong phần lỏng. Chúng không chui vào mạng tinh thể nước đá được, nhưng chúng "chiếm chỗ" và giữ nước lại. Số phân tử nước lỏng có mặt sát bề mặt băng để bám vào ít đi, trong khi nước đá vẫn tan với tốc độ cũ. Cân bằng bị phá: băng tan nhiều hơn đông. Muốn cân bằng trở lại, phải hạ nhiệt độ xuống để làm chậm việc tan. Điểm cân bằng mới, tức điểm đông của nước muối, thấp hơn 0 °C.

Điều thú vị là mức hạ này hầu như chỉ phụ thuộc số hạt chất tan, không phụ thuộc chất tan là gì. Hoá học gọi đây là tính chất tập hợp (tính chất chỉ phụ thuộc số hạt), cùng nhóm với tăng điểm sôi và áp suất thẩm thấu.

Có công thức tính điểm đông của nước muối không?

Với dung dịch loãng, mức hạ điểm đông tính gần đúng bằng:

ΔT = i × Kf × m

• Kf là hằng số nghiệm lạnh của dung môi; với nước là khoảng 1,86 °C·kg/mol.
• m là nồng độ molan: số mol chất tan trong 1 kg nước.
• i là số hạt mà mỗi phân tử chất tan tách ra khi tan. Đường không phân li nên i = 1; muối ăn tách thành hai ion nên lý tưởng i = 2; canxi clorua tách thành ba ion nên lý tưởng i = 3.

Ví dụ: hoà 58,5 g muối ăn (1 mol) vào 1 kg nước. Lý tưởng, ΔT = 2 × 1,86 × 1 ≈ 3,7 °C, tức nước muối đông ở khoảng −3,7 °C. Thực tế lệch một chút vì các ion tương tác với nhau, nhưng bậc độ lớn đúng. Cũng lượng đường như vậy theo số mol (342 g) chỉ hạ khoảng 1,9 °C: cùng số phân tử, nhưng muối tách đôi nên hiệu quả gấp đôi.

Muối làm tan băng được tới mấy độ âm?

Không phải muốn hạ bao nhiêu cũng được. Mỗi loại muối có một điểm cùng tinh: nồng độ mà nước muối đông ở nhiệt độ thấp nhất có thể. Lạnh hơn mốc đó, nước muối nào cũng đông thành hỗn hợp đá và muối rắn.

Ở đường phố xứ lạnh, dù lý thuyết muối ăn hạ tới −21 °C, trong thực tế khi trời lạnh hơn khoảng −10 °C, muối tan rất chậm vào băng và hiệu quả giảm mạnh. Đó là lúc người ta chuyển sang canxi clorua hoặc rải cát, sỏi để tăng ma sát.

Làm kem bằng đá và muối hoạt động thế nào?

Trước khi có tủ đông, kem được làm bằng cách đặt một ống đựng hỗn hợp sữa, đường vào thùng đá vụn trộn muối, rồi quay đều. Hỗn hợp đá muối lạnh xuống tới khoảng −10 °C đến dưới −15 °C tuỳ tỷ lệ, lạnh hơn hẳn đá thường.

Lý do là sự kết hợp của hai hiện tượng đã nói ở các bài khác: muối làm điểm đông hạ xuống, nên đá bắt đầu tan dù đang dưới 0 °C; và đá tan thì hút ẩn nhiệt nóng chảy từ xung quanh, khoảng 334 kJ cho mỗi kg đá. Nhiệt bị rút khỏi chính hỗn hợp và khỏi ống kem, kéo nhiệt độ xuống cho tới khi đạt cân bằng mới ở điểm đông thấp hơn. Quay đều ống giúp hỗn hợp kem đông thành tinh thể nhỏ, mịn thay vì cục đá to.

Cần lưu ý nước đá muối lạnh sâu có thể gây tê buốt, tổn thương da nếu áp trực tiếp lâu; mạng xã hội từng lan truyền những thử thách áp muối và đá lên da gây bỏng lạnh, đó là việc không nên làm.

Vì sao nước biển khó đông hơn nước ngọt?

Nước biển trung bình chứa khoảng 3,5% muối hoà tan, chủ yếu natri clorua. Mức đó làm điểm đông hạ xuống khoảng −1,9 °C. Vì vậy ở vùng cực, sông hồ nước ngọt đóng băng sớm hơn biển.

Khi nước biển đông thành băng biển, tinh thể nước đá gần như không nhận muối vào mạng. Muối bị đẩy ra thành những túi nước muối đậm đặc giữa các tinh thể, dần dần rỉ xuống biển bên dưới. Băng biển nhiều năm tuổi vì thế nhạt hơn nhiều so với nước biển, và nước biển ngay dưới lớp băng mới hình thành lại mặn và đặc hơn, chìm xuống. Dòng nước lạnh mặn chìm xuống ở vùng cực là một mắt xích quan trọng của hệ hoàn lưu đại dương toàn cầu.

Cùng nguyên lý ấy xuất hiện ở đâu trong kim loại?

Hạ điểm nóng chảy do chất tan không chỉ là chuyện của nước. Thêm nguyên tố thứ hai vào kim loại cũng thường làm nó chảy thấp hơn, và ở đúng tỷ lệ cùng tinh, hợp kim chảy thấp hơn cả hai kim loại thành phần:

• Thiếc chảy ở 232 °C, chì ở 327 °C, nhưng hợp kim thiếc – chì 63/37 chảy ở khoảng 183 °C. Đó là lý do nó từng là dây hàn mạch điện tiêu chuẩn trước khi các quy định hạn chế chì ra đời.
• Sắt chảy ở 1.538 °C, nhưng thêm khoảng 4,3% cacbon thì hỗn hợp cùng tinh chảy ở khoảng 1.147 °C. Gang dễ đúc hơn thép chính vì chảy thấp hơn hàng trăm độ.
• Trong lò luyện, người ta thêm chất trợ dung (như đá vôi) để kết hợp với tạp chất đất đá thành xỉ có điểm chảy thấp, dễ tách khỏi kim loại.

Muối trên đường băng, hợp kim hàn trên mạch điện và gang trong lò cao, rốt cuộc là một quy luật.

Góc nhìn hôm nay: cái giá của muối rải đường

Ở những nước có mùa đông băng giá, mỗi năm hàng triệu tấn muối được rải lên đường. Muối giúp giảm tai nạn, nhưng ion clorua theo nước ngấm vào bê tông, tới cốt thép bên trong và làm thép gỉ nhanh hơn; gỉ nở ra làm bê tông nứt vỡ. Thân xe, gầm xe cũng bị ăn mòn nhanh hơn. Muối trôi xuống đất và sông suối còn gây hại cây cối, sinh vật nước ngọt. Vì thế nhiều thành phố chuyển sang rải ít hơn, phun nước muối trước khi tuyết rơi để băng khó bám, hoặc dùng các chất thay thế.

Ở Việt Nam, băng tuyết chỉ thỉnh thoảng xuất hiện trên vài đỉnh núi cao phía Bắc như Mẫu Sơn (Lạng Sơn), Fansipan (Lào Cai) trong những đợt rét đậm. Nhưng nguyên lý hạ điểm đông thì có mặt hằng ngày: trong thùng đá ướp cá, trong nước làm mát động cơ xe, trong ly kem. Một ý nên mang về: cùng một lượng theo số hạt, chất phân li thành nhiều ion thì hạ điểm đông mạnh hơn. Phần dung dịch và tính chất tập hợp trong sách Hoá học là nơi đọc tiếp.