Jak sůl ovlivňuje skupenské přeměny vody?

Kdybychom to shrnuli, mohli bychom říct, že prostě sůl ovlivňuje přechody vody mezi pevným a kapalným skupenstvím. A protože jde o docela zajímavé chemické a fyzikální jevy, nabízíme vám v tomto článku bližší pohled na ně. Ale bude tu ještě něco navíc – zjišťovali jste někdy, jestli přítomnost soli ve vodě ovlivňuje i její var, tedy přechod do skupenství plynného? My ano a o výsledky svého bádání se s vámi rádi podělíme. 

Napřed tedy k tomu, jak sůl ovlivňuje tuhnutí vody. Tuhnutí znamená přeměnu kapaliny na pevnou látku, v tomto případě krystalickou. A když jsou u toho částice rozpuštěné soli, tak při tom prostě překážejí a tuhnutí znesnadňují. Záleží pochopitelně na jejich množství čili na koncentraci příměsi. Kdybychom měli nasycený roztok kuchyňské soli, začal by tuhnout až při -21 °C. Pokud by koncentrace byla menší (jako v případě mořské vody), tak by bod tuhnutí nebyl tak hluboko pod nulou. Sůl ale nejen brání tuhnutí – způsobuje dokonce i to, že voda už ztuhlá v led může zpátky tát. 

Vytáhli jsme z mrazáku kousky ledu o teplotě asi -6 °C. 

Jakmile jsme je osolili, začaly tát: 

Další obrázek ukazuje, jak vypadaly pod termokamerou. Mimochodem, vlevo nahoře je vidět neosolený kousek ledu: 

Došlo tedy k dramatickému poklesu teploty. Jak to? 

Když se sůl rozpouští ve vodě, dochází k rozdělení (disociaci) molekuly NaCl na kladný iont Na⁺ a záporný iont Cl^-. Molekula by ale raději byla pohromadě (plus a minus se elektricky přitahují), a proto se při rozpouštění soli spotřebovává energie, což se projevuje právě poklesem teploty. My jsme ale nesolili vodu, nýbrž led! Jak se vůbec sůl mohla začít rozpouštět? Povrch ledu je vždycky trochu mokrý. Hlavně proto, že na něm kondenzuje vodní pára obsažená ve vzduchu. A tato nepatrná vrstvička vody stačila k tomu, aby se rozpustilo trošku soli. Při tom došlo k poklesu teploty (z předchozího výkladu víme proč) a zároveň ke snížení bodu tuhnutí vody pod 0°C (i to je nám jasné). Je tu tedy vedle sebe voda (se solí) a led. A téměř vždycky, když voda a led spolu sousedí, se jedno mění v druhé: při teplotě nad bodem tuhnutí led taje, naopak při teplotě pod bodem tuhnutí voda mrzne. Rovnováha může nastat jen přesně na bodu tuhnutí. 

A nastala rovnováha v tomto případě? Došlo k poklesu teploty a zároveň ke snížení bodu tuhnutí na přesně tutéž hodnotu? Nikoli. Teplota neklesla tak hluboko, zůstává nad aktuálním bodem tuhnutí. A proto led taje, kvůli soli. I když je teplota pod 0 °C a za normálních okolností by netál. A přesně to samé se děje, když osolíme zledovatělý chodník. Ostatně kvůli tomu to děláme. :-) 

A teď k druhému problému, na který jsme se chtěli zaměřit. K tomu, jak přítomnost soli ve vodě ovlivňuje její var. Při varu se voda intenzivně vypařuje, a to nejen z volného povrchu, ale i zevnitř (proto bublá). To znamená, že když určitá molekula vody dostane tolik energie, že se dokáže odtrhnout od ostatních, tak odletí pryč. A z těchto „osvobozených“ molekul se skládá pára. 

Částice rozpuštěné soli při tom opět překážejí. Jak už víme, jde o ionty Na⁺ a Cl^-, tedy o elektricky nabité částice. A ty se elektrickými silami drží molekul vody. (Molekula vody je sice elektricky neutrální, ale na její kyslíkové části převládá záporný náboj a na vodíkové části kladný.) Přítomnost soli tedy znesnadňuje molekulám vody, aby při varu unikaly pryč. A proto, aby var nastal, vyžaduje to víc energie a voda musí být teplejší než bez soli. To znamená, že bod varu slané vody je vyšší než u vody čisté. A samo sebou opět závisí na koncentraci rozpuštěné soli. 

Obrázek ukazuje výsledek našeho experimentu s nasyceným roztokem NaCl. Na digitálním teploměru je vidět hodnota 106,4 °C: 

Mimochodem čistá voda nám vřela při teplotě 98,2 °C. Takže přítomnost soli (v maximálním množství, protože šlo o nasycený roztok) zvýšila bod varu o 8,2 °C. 

Zdánlivě „obyčejná“ kuchyňská sůl tedy poměrně podstatně mění chování vody: snižuje bod jejího tuhnutí až na -21 °C, způsobuje dramatické ochlazování ledu a zároveň jeho tání a zvyšuje teplotu varu vody až o 8 °C.