Osmosis

La mezcla frigorífica (o criogénica): El papel de la sal
La mezcla frigorífica, como se ha dicho, está formada por hielo y sal gruesa. Vamos a tratar de explicar cómo actúa de dos formas diferentes. La primera, centrándonos en el mecanismo de interacción entre las moléculas e iones presentes en el sistema, un modo bastante intuitivo y no por ello menos riguroso (Walker, 1984). La segundaexplicación que vamos a dar, más rigurosa, está basada en la termodinámica.
El funcionamiento de la mezcla frigorífica
Supongamos que se parte de agua pura que se enfría, no importa ahora por qué mecanismo. El enfriar significa extraer energía de líquido, concretamente, energía cinética de sus moléculas. Cuando se alcanza los 0 ºC, a 1 atm, empiezan a producirse cristales de hielo. Si se continuaextrayendo calor las moléculas de agua que se van ralentizando chocan con el hielo y se incorporan al cristal (no se olvide que la temperatura representa una medida promedio de la energía cinética molecular). Sin embargo, en estas condiciones, algunas de las moléculas del cristal de hielo se liberan y vuelven al líquido.
Existe pues un estado de equilibrio y la temperatura permanece constante. Enalgunos casos, por ejemplo si se enfría muy lentamente, es posible bajar del punto de congelación sin que se forme hielo, es el subenfriado (se trata de un estado metaestable), existe un equilibrio entre sólido y liquido. Cuando prácticamente toda el agua se ha solidificado continúa el descenso de la temperatura, pero ahora el calor específico ha cambiado de valor, ha pasado, aproximadamente, de 1cal/ºC g (el del agua)   a 0,5 cal/ºC g (el del hielo).
Si en el seno del líquido hay una sal soluble, por ejemplo cloruro de sodio, que es el componente mayoritario de la sal común, parte de ésta se disuelve en el líquido que rodea el hielo formando una disolución saturada que ya no está en equilibrio con el hielo debido a su menor presión de vapor (debido a que algunas moléculas de agua estánatraídas por los iones que provienen de la sal). Para alcanzar el equilibrio la disolución tiende a diluirse y el hielo a enfriarse, lo que se logra por fusión parcial de hielo que extrae el calor necesario enfriando el sistema, sobre todo debido al calor latente de fusión (y también en mucho menor grado, al de disolución), como el sistema esta abierto en contacto por una parte con la masa a helar ypor otra parte con el medio, se produce una extracción de calor de ambos. Como las paredes de la heladera son malas conductoras del calor, la mayor parte se extrae de la mezcla a helar, a través de las paredes metálicas del recipiente.
Evidentemente, como la sal está en exceso, continua disolviéndose en el agua de fusión con lo que el proceso no se estabiliza hasta que se alcanza el equilibrioentre la disolución saturada , el hielo, y la sustancia soluble en exceso.
El papel de la sal puede explicarse del siguiente modo. En ausencia de la sal hay un equilibrio entre las moléculas de agua líquida y las el hielo, de modo que ambas velocidades, de congelación y fusión se igualan. La presencia de iones Na+ y Cl- hace que algunas moléculas de agua, debido a su carácter dipolar se unan aellos formando una agregado. Se dice entonces que los iones están solvatados. Estos racimos también chocan con el hielo, pero no se quedan en él, en suma, la velocidad de congelación es menor y el equilibrio se destruye. En consecuencia, debido a que la velocidad de fusión no cambia, el hielo en términos netos funde, lo que trae como consecuencia, por una parte un descenso de la temperatura, porotro una disminución de la concentración de la disolución. Si se agota el soluto libre se alcanzará un nuevo equilibrio pero a una temperatura inferior a cero, si no la temperatura seguirá descendiendo hasta el punto eutéctico.
En cualquier caso, el sistema no está aislado y habrá un paso de calor, principalmente del helado, en consecuencia el hielo continuará fundiendo para compensar el efecto....