Golfo come antigelo? No se pol! - Abbassamento crioscopico

trieste, abbassamento crioscopico con acqua di mareC'è uno sport in cui il TM, triestino medio, potrebbe essere campione olimpionico, se solo tale specialità fosse ammessa dal CIO: il lamento. Di ogni cosa, ogni situazione, ogni lavoro, ogni proposta, ogni progetto, ogni buco per strada, ogni giunta... E gli ultimi inverni, decisamente più generosi in fatto di precipitazioni nevose, hanno dato un'ulteriore occasione per l'esercizio di tale attività: le strade ghiacciate. Così dopo essersi ricordato degli anni visuti il TM schiarisce la voce e comincia a recitare un ritornello che andrà in vacanza solo quando la temperatura salirà sopra i 10°C, pronto a ritornare l'anno successivo...

"perché butemo i soldi col sal e no tiremo l'acqua del golfo come una volta?"...

Un motivo pure ci sarà, e chi passerà le vacanze di natale studiando per l'esame di chimica potrebbe anche verificarlo per esercizio...

Qualche pennellata di chimica: proprietà colligative e abbassamento crioscopico

Il motivo per cui il sale ostacola la formazione di ghiaccio è chimico, ed è dovuto a quelle che a scuola si studiano come "proprietà colligative", ossia proprietà delle soluzioni che dipendono solo dal numero di particelle in soluzione, e non dalla loro natura. Una di queste è l'abbassamento crioscopico, che esprime la differenza fra la temperatura di fusione di un solvente puro e quella di una sua soluzione. Tale variazione è esprimibile tramite la relazione:

Δt = Kcr·m

dove Kcr è la costante crioscopica, che dipende solo dal solvente (e per l'acqua vale 1.86°C/Kg·mol) e m la molalità (moli per unità di massa, mol/Kg). Nel caso dei sali si deve aggiungere un coefficiente i, detto di Van't Hoff, che tiene conto della dissociazione di queste molecole in soluzione:

Δt = Kcr·m·i

Acqua di mare, sale antighiaccio, e cloruri

Salinità annuale media della superficie oceanica (World Ocean Atlas, 2001).

Salinità annuale media della superficie oceanica (World Ocean Atlas, 2001).

Salve, mi chiamo acqua di mare e contengo circa 37g/L di sali vari: principalmente NaCl (cloruro di sodio, massa molare 58,443g/mol) e MgCl2 (cloruro di magnesio, massa molare 95,211g/mol) presenti rispettivamente in concentrazione di 27g/L e 8g/L, con leggere variazioni da zona a zona. Questi sali in soluzione si scindono in ioni Na+ e Cl- (quindi i = 2 per NaCl) e Mg+ e 2Cl- (quindi i = 3 per MgCl2). Noti questi dati è possibile calcolare la temperatura di fusione dell'acqua di mare: le moli di NaCl e MgCl2 contenute in un litro di H2O si ottengono dividendo la concentrazione del sale nella soluzione per la massa molare dello stesso. Dividendo la concentrazione molare del sale (mol/L, diversa da quella molaLe) per la densità dell'acqua marina (1.03Kg/mol) si ottiene la molalità:

M(NaCl) = 0.462mol/L → m(NaCl)  = 0.448mol/kg

M(MgCl2) = 0.084mol/L → m(MgCl2) = 0.082mol/kg

L'abbassamento crioscopico dovuto alla presenza dei sali è dato dal contributo sia del NaCl che del MgCl2, e vale:

Δt = 1.86·(0.448·2 + 0.082·3) = 2.12°C

Quindi la temperatura di fusione dell'acqua di mare è di circa -2.12°C. E diventa abbastanza ovvio (speriamo) il motivo per cui d'inverno non si irrorano più le strade con l'acqua del golfo: se la temperatura della miscela scendesse al di sotto di -2.12°C si potrebbe osservare la formazione di una pista di pattinaggio aperta gratuitamente a veicoli e pedoni, con un'estensione di qualche decina di km² (e forse a qualcuno riaffiorano  i ricordi di quando anche il golfo ghiacciò...); una volta si ricorreva a tale misura perché le esigenze erano diverse: ad esempio non c'erano migliaia di veicoli che pretendevano di muoversi anche con la neve e le temperature abbondantemente sotto lo zero...

Salinità e salamoie

Potrebbe sorgere spontanea la domanda: ma il problema dipende più dal sale o cloruro di calciodall'acqua di mare? Proviamo a spiegarlo considerando il più noto sale antighiaccio: il cloruro di calcio, CaCl2:  massa molare di 110.99g/mol, che in soluzione si scinde in Ca+ e 2 ioni Cl- , (quindi i = 3). A parità di molaLità (mol/kg) della soluzione con l'acqua di mare si avrebbe un maggiore abbassamento crioscopico,  ma non a parità di molaRità, in quanto la massa molare è doppia rispetto a Nacl (e quindi ce ne deve stare di meno per ogni Kg di soluzione). Ipotizzando ad esempio una soluzione con concentrazione 37g/L di soli H2O e CaCl2, si avrebbe:

n(CaCl2) = 0.333mol/L → m(CaCl2) = 0.324mol/kg

Δt = 1.86·0.324·3 = 1.81°C

trieste innevataossia un abbassamento crioscopico addirittura inferiore a quello dell'acqua di mare! Ciò è dovuto all'elevata massa della molecola di cloruro di calcio che riduce la molalità della miscela (visto che avevamo posta fissa la concentrazione di 37g/L). Quindi dopo aver dimostrato perché non è il caso di utilizzare l'acqua del golfo, si comprende anche che ciò non è dovuto al fatto che contenga NaCl (ed in misura minore MgCl2), quanto alla scarsa (per tale utilizzo) concentrazione di sali. Per questo motivo i mezzi spargisale versano il sale allo stato umido (non secco per evitare che tenda a rotolare via) o al massimo sotto forma di salamoia, soluzione quasi satura di sale, che ha il vantaggio di distribuirsi in modo maggiormente uniforme ed entrare prima in azione; A tal proposito va precisato che anche la salamoia comporta dei rischi dovuti proprio alla presenza di acqua residua che potrebbe ghiacciare in condizioni particolari (il passaggio delle lame spazzaneve potrebbe rimuovere l'eccesso di sale, ed in caso di temperature particolarmente basse l'acqua residua potrebbe non essere abbastanza salata per evitare il congelamento).

Sali antigelo

In generale, le sostanze più utilizzate per prevenire e combattere la formazione di ghiaccio sono:

Cloruro di sodio: forse il più utilizzato, è indicato per temperature superiori a -6°C, al massimo -8.5°C. E' il più economico ma anche il più lento ad agire (quindi non adatto a interventi d'urgenza). Ha un limite di solubilità in acqua di 350g/L da cui si calcola subito che il massimo abbassamento crioscopico è circa di -22.9°C.

Cloruro di calcio: più costoso ma  maggiormente solubile ed adatto fino a temperature di -30°C. E' il più rapido ad agire ed ha un limite di solubilità in acqua di 740g/L, da cui un abbassamento crioscopico massimo di circa -37.2°C.

Cloruro di magnesio: è simile a quello di calcio, ma costa ancora di più, quindi viene utilizzato praticamente solo nelle zone in cui si estrae. Ha un limite di solubilità di 543g/L, con una massa molare di 95.211g/mol, da cui un abbassamento crioscopico massimo di -27.9°C

Materiale inerte (ghiaietto o sabbia): utilizzato in combinazione con i sali perché aggiunge un effetto disgregante.

Un ultimo appunto: visto che una salamoia è per definizione una soluzione prossima alla saturazione, consideriamo di utilizzare una salamoia di Nacl con concentrazione di 330g/L; se volessimo spargere la medesima quantità di sale sfruttando l'acqua del golfo, quanti viaggi dovremmo fare in più?

330g/L : 37g/L = 8.91

In pratica il numero di viaggi sarebbe 10 volte maggiore rispetto a quello attuale, con (tra l'altro!) un certo incremento dei costi del servizio.