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Solución:
Las moléculas de agua son polares; esto básicamente significa que tienen un “lado positivo” y un “lado negativo”
La sal está compuesta por iones Na $ ^ + $ y Cl $ ^ – $ que se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas (es un compuesto iónico). Cuando la sal se pone en agua, se disocia, es decir, los iones Na $ ^ + $ se separan de los iones Cl $ ^ – $.
Cuando están en el agua, tales iones están rodeados por moléculas de agua que se enfrentan a ellos con el lado que tiene la carga opuesta a la del ion; esto se debe a que de esta manera pueden alcanzar un estado de menor energía, siendo su campo electrostático protegido por el de las moléculas de agua (imagen de abajo [source]).
El agua se evapora cuando la energía térmica de las moléculas es lo suficientemente alta como para romper aproximadamente la mitad de los enlaces de hidrógeno entre ellas. [source]. Para los iones, la evaporación es mucho más difícil, porque su energía térmica tendría que ser suficiente para compensar el efecto de las moléculas de agua que los rodean.
Básicamente, tanto las moléculas de agua como los iones están en lo que se llama un pozo de energía potencial: para “expulsarlos” del pozo, tenemos que proporcionarles una energía tan alta como la profundidad del pozo de energía $ Delta E $ (imagen de abajo).
La profundidad del pozo en el que se encuentran las moléculas de agua (debido a los enlaces de hidrógeno) es mucho menor que la profundidad del pozo donde se encuentran los iones. Entonces, se necesita una energía térmica mucho más alta para sacar un ion del agua. Dado que la energía térmica es proporcional a $ k_B T $, donde $ k_B $ es la constante de Boltzmann, esto significa que se necesita una temperatura mucho más alta.
Actualización: algunos números
Para tener una idea del orden de magnitudes de las energías involucradas, debemos considerar lo siguiente:
- A temperatura ambiente ($ T_r simeq298 $ K), $ k_B T_r = 0.026 $ eV (sin embargo, debemos tener en cuenta que este es solo un orden de magnitud …)
- La energía de un enlace de hidrógeno (entalpía de enlace de hidrógeno) en el agua es de alrededor de $ 23,3 $ kJ / mol = $ 0,24 $ eV = $ 9,3 k_B T_r $, y para que el volumen de agua se evapore, aproximadamente la mitad de todos los enlaces de hidrógeno en el el volumen debe estar roto:
No existe una definición estándar para la energía del enlace de hidrógeno. En agua líquida, la energía de atracción entre moléculas de agua (entalpía de enlace de hidrógeno) es óptimamente de aproximadamente $ 23,3 $ kJ / mol (Suresh y Naik, 2000) y casi cinco veces la fluctuación de colisión térmica promedio a $ 25 $ ° C. Esta es la energía requerida para romper y separar completamente el enlace, y equivale aproximadamente a la mitad de la entalpía de vaporización ($ 44 $ kJ / mol a $ 25 $ ° C), ya que un promedio de poco menos de dos enlaces de hidrógeno por molécula se rompen cuando el agua se evapora . [source]
- La energía obtenida al poner un ion en agua (término técnico “hidratar” el ion) se conoce como energía de hidratación o entalpía de hidratación ($ Delta H_ hyd $). Como estamos interesados en el proceso opuesto (la remoción o deshidratación del ion), tenemos que tomar $ – Delta H_ hyd $. Aquí podemos encontrar algunos números. Podemos ver eso
$$ Delta H_ hyd ( text Na ^ +) = -406 text kJ / mol = -4.2 text eV = -162 k_B T_r $$
$$ Delta H_ hyd ( text Cl ^ -) = -363 text kJ / mol = -3.8 text eV = -145 k_B T_r $$
A cualquier temperatura y presión dadas, los líquidos (como el agua) y los sólidos (como la sal) están en equilibrio con sus respectivas formas gaseosas. La presión de vapor describe este fenómeno. A menudo, los sólidos tienen una presión de vapor más baja que los líquidos. Cuanto mayor es la presión de vapor, más volátil es un compuesto. Y en el caso de cloruro de sodio puro / NaCl, esta presión de vapor es mucho más bajo que el del agua. Esto por sí solo contribuye a que el calentamiento del agua de mar y la condensación del vapor produzcan primero agua.
Además, para realizar dicha destilación, también se aplica la ley de Raoult. Básicamente, hay una presión total $ p $ en el sistema observado que es la suma de las presiones parciales individuales de los dos componentes (agua y sal). La presión parcial tiene en cuenta la presión de vapor. Lo puro El componente posee (a esta temperatura y presión) multiplicado por la concentración de este componente. en la mezcla (expresado como fracción molar):
$ p ( mbox total) = p ( mbox agua) * x ( mbox agua) + p ( mbox NaCl) * x ( mbox NaCl) $
donde las fracciones molares sumarán uno. Entonces, si simplificamos “agua de mar” como una solución de NaCl en agua:
$ x ( mbox agua) + x ( mbox NaCl) = 1 $
La contribución de la presión total $ p $ por NaCl se reduce aún más, ya que en condiciones ambientales, el agua puede disolver solo 359 g de NaCl por litro de agua (referencia), por lo que se excluye una solución de mayor concentración de NaCl que aproximadamente el 36% en masa.
Esta es una vista simplificada, dejando de lado cualquier idea de “moléculas” o “iones”. La ley de Raoult también es una idealización (de ahí, por ejemplo, azeótropos como el etanol / agua). Por supuesto, el agua de mar contiene más que NaCl; y para eliminar lo último de lo primero, la ósmosis inversa es una técnica energéticamente más favorable. Eventualmente, para destilar NaCl, se necesitan condiciones de muy alta temperatura y muy baja presión, muy alejadas de las que destilan el agua.
El alcohol se evaporará primero
El punto de ebullición es 78,37 ° C
Habrá algo de agua, pero la proporción de alcohol en la fase de vapor será mayor que la del líquido. El agua y el alcohol son azeótropos, por lo que las cosas bajan a un 70% de alcohol.
El tamaño no es un factor importante: el hexano es volátil. wiki
La sal de mesa (NA CL) no es mucho más volátil que una roca
punto de fusión 801 ° C (1,474 ° F)
punto de ebullición 1.413 ° C (2.575 ° F)
wiki
La presión de vapor más baja que pude encontrar es 759.88 ° K = 486.73 ° C
1.88322997019E-006 kPa
Presión de vapor de cloruro de sodio
La presión de vapor del agua es 101,32 kPa a 100 ° C
El agua es 53,801,182 veces más volátil a 100 ° C que la sal a 486,73 ° C
La sal se disuelve en agua pero eso no hace que la sal sea más volátil.
Básicamente, la sal no se evapora. Con una ebullición muy rápida, puede obtener algo de arrastre. La fase de vapor esencialmente no tendrá sales ni minerales, ya que son sólidos a 100 ° C.
Tome un litro de agua y agregue una taza de sal. Ponlo al fuego y deja que hierva toda el agua. Tendrás una taza de sal.
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