4.40. Зачем посыпать солью лед на тротуаре?

Почему, когда зимой тротуары и мостовые покрываются льдом, их посыпают солью? Почему иногда эффективнее использовать хлорид кальция (крупную каменную соль), а не хлорид натрия (поваренную соль)? Или вопрос только в цене?

ОТВЕТ • Предположим сначала, что на поверхности льда имеется слой воды и что температура и воды, и льда равна 0°C, то есть соответствует обычной температуре замерзания воды. На границе раздела между двумя состояниями воды наблюдается повышенная активность на молекулярном уровне: молекулы воды непрерывно переходят изо льда в жидкую воду и обратно. Однако если число молекул, ушедших изо льда, равно числу молекул, перешедших в лед из воды, количество льда не меняется.

Если воду посыпать солью, происходит диссоциация (распад) молекул соли на положительные и отрицательные ионы. Молекулы воды группируются вокруг ионов каждого из типов — происходит гидратация ионов. Гидратация связывает молекулы воды, они не могут перейти в лед. Теперь в лед переходит меньше молекул воды, но покидает лед то же самое их количество, и, следовательно, общее количество льда уменьшается. Это означает, что лед начинает таять. Если талая вода в достаточной степени разбавляет соляной раствор, ситуация возвращается к исходной: количество покидающих лед молекул воды становится равным количеству приходящих в него молекул. Следовательно, таяние льда прекращается.

Внутренняя энергия молекул воды в жидком состоянии больше, чем когда молекулы закреплены на своих местах в жесткой кристаллической структуре. Когда молекула переходит в лед, она отдает часть своей энергии; когда молекула переходит изо льда в воду, она получает такое же количество энергии. Если количество покидающих лед и поступающих в него молекул равно, баланс энергий поддерживает оба процесса. Но что происходит, когда соль уменьшает количество молекул, переходящих в лед? Как поставляется энергия тем молекулам, которые все еще покидают лед? Если система «лед — вода» находится не в помещении, поступление энергии происходит благодаря наличию тротуара, мостовой и воздуха. Хотя лед тает, температура всей системы «лед — вода» не меняется и остается равной температуре окружающей среды.

Однако если извне в систему «лед — вода» поступает недостаточно энергии, молекулы воды должны сами «поставлять» энергию, необходимую для таяния льда. При этом сначала понижается температура воды, а затем и льда. В этом случае говорят, что соль понижает точку замерзания воды. Температура падает до тех пор, пока количество молекул, перешедших из воды в лед, опять не сравняется с количеством молекул, перешедших изо льда в воду.

Постепенно охлаждая соленую воду в очень холодном морозильнике, можно наблюдать, как опускается точка замерзания. Однако существует предел, ниже которого точку замерзания опустить нельзя. Для хлорида натрия эта предельная температура составляет около –21°C, а для хлорида кальция — около –55°C. Более низкая предельная температура у хлорида кальция — одна из причин, почему на дорогах используют его: так дорожное покрытие удается очистить ото льда при гораздо более сильных морозах.