DESCENSO DEL PUNTO DE CONGELACIÓN

- Estuve viendo Órbita Laika - me comenta un amigo - e hicieron un pequeño experimento con hielo y sal para fabricar helado. ¿Por qué ocurre esto?

Bueno, esta pregunta me la hicieron el otro día a raíz de la sección "Ciencia en la Cocina" del programa Órbita Laika emitido en la2 de TVE. En el siguiente vídeo vemos el experimento al que se refería este amigo y que no lograba entender lo que pasaba.

En el vídeo podemos ver cómo un cocinero y un científico peparan un helado de vainilla, que debe estar buenísimo, utilizando como fuente de refrigeración una "Mezcla Frigorífica". Esta mezcla simplemente contiene hielo y sal. Como vemos, si añadimos sal al hielo picado, su temperatura baja.

Esto lo podemos explicar a groso modo de la siguiente manera: Cuando añadimos sal al hielo, ésta se disuelve en el agua que recubre el hielo, pues el hielo a 0ºC, como está al principio del vídeo, se encuentra en pleno cambio de fase (de sólido a líquido). La sal disuelta en el agua, hace que la concentración en sal de la misma aumente (evidentemente). Entonces existe un desequilibrio entre la concentración del agua líquida y el agua sólida. Como todo en la naturaleza, este desequilibrio tiende a compensarse. El agua concentrada requerirá más agua para diluir la sal y rebajar su concentración. Este agua tendrá que salir del hielo, es decir, el hielo deberá fundirse un poco para proporcionar agua líquida. Pero, ¿qué tiene que pasar para que el hielo se funda? Exacto, debe absorber calor.

Esta energía deberá absorberla de aquello que esté en contacto con él, esto es, la misma disolución de sal y agua. De este modo, bajará la temperatura de la mezcla. Pasado un tiempo, se alcanzará un nuevo equilibrio térmico y la concentración de sal en el agua será lo suficientemente baja como para no necesitar más hielo fundido. En el nuevo equilibrio térmico la temperatura de ambos elementos (agua sólida y disolución de agua y sal) será la misma y, además, estará por debajo de los 0ºC iniciales. De este modo, tenemos coexistencia de agua líquida y sólida por debajo de los 0º C.

¿Qué pasaría si añadiésemos más sal? Pues que se produciría el mismo efecto de nuevo y bajaría aún más la temperatura. ¿Podemos añadir sal y bajar la tempertatura todo lo que queramos? Pues no, como explican en el vídeo, la temperatura mínima alcanzable mediante este método son -21ºC y la tendremos cuando la disolución sea de un 23% de sal en el agua.

Ahora es cuando alguien lee esto y dice "este está flipao". Bueno, es cierto que estoy bastante "flipao", pero existe una interpretación microscópica de lo que ocurre. Para entenderla debemos saber algo de composición molecular tanto del agua como de la sal.

Empezaremos con el agua. El agua está compuesta por dos àtomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Lo que nos importa de esta molécula es, sobretodo, que está polarizada. Es decir, que sus cargas positivas se encuentran concentradas en los átomos de hidrógeno y sus cargas negativas en el átomo de oxígeno. Vamos, que podemos encontrar un polo positivo (H) y otro negativo (O).

Cuando el agua se encuentra en estado sólido (esto es hielo, si no me equivoco) sus moléculas se encuentran organizadas en redes cristalinas que se sujetan a causa de las fuerzas atractivas conocidas como "puentes de hidrógeno".

Por su parte, la sal común está formada por cloro (Cl) y sodio (Na). En esta asociación, el sodio tiene un electrón que le sobra y se lo presta al cloro que, justamente, necesita un electrón de más para ser más estable.

El agua, tiene la capacidad de disociar esta pareja de elementos. Es decir, es capaz de separarlos en iones cloro (negativos) e iones sodio (positivos), envolviendo los iones de sodio con su polo negativo (su oxígeno) y los iones de cloro con sus hidrógenos. De este modo se produce la disolución de la sal. En una disolución no podemos identificar los componentes que la forman. Si nos dan un vaso de agua pura y otro de agua con sal diluida, no podremos diferenciarlos a simple vista.

Por si el Cloruro Sódico se enfada, también podemos interpretar este hecho como que es el sodio el que se entromete entre los oxígenos que forman el agua, rodeándose de ellos.

Cuando las moléculas de la sal se disocian y sus iones se interponen entre las de agua, estos puentes de hidrógeno se debilitan, de este modo, se necesita menos energía para romperlos,  haciendo que la temperatura de fusión/congelación sea menor.  Es como evaporar agua a una tempreatura menor que los 100 ºC. Si tenemos agua líquida y reducimos la presión que se somete sobre ella, las partículas necesitarán menos energía para moverse libres. Entonces, si aumentamos su temperatura cambiará su estado con menos energía que si la presión es alta.

Es por eso que el arroz hervido o la paella, no tadan lo mismo ni necesitan la misma cantidad de agua en una localidad cercana al mar que en otra que esté en las montañas. Eso es porque la presión atmosférica es menor conforme aumentamos la altura sobre el nivel del mar.

Con el caso del hielo y la sal pasa lo mismo, sólo que aquí no variamos la presión, sinó que interponemos partículas de sal entre las de agua. De este modo baja su punto de congelación.

Ambas explicaciones dicen lo mismo, sólo que la primera lo explica a nivel macroscópico y la segunda a nivel microscópico.

Sea como sea, por eso hechamos sal para hacer desaparecer la nieve. No es que la sal derrita la nieve, no. Es que la sal hace disminuir la temperatura que debe tener la nieve para conservarse en estado sólido. Por eso se licua.

Espero ayudaros a comprender este fenómeno. Para cualquier duda, estáis invitados a comentar.

Dicho esto, la pregunta que me viene a la cabeza es ¿En qué se diferencian un cocinero de un científico? ¿Es la cocina un laboratorio doméstico?