Por fin después de mucho luchar ya encontramos la solución de este atolladero que tantos lectores de este espacio presentan. Si tienes alguna información que aportar puedes dejar tu información.
Solución:
Realmente estoy improvisando esto porque la última vez que hice un cálculo de equilibrio fue hace 35 años. Pero estoy bastante seguro de un parcial respuesta (ver discusión al final).
La solubilidad de un gas en agua (o líquido en general) casi siempre disminuye al aumentar la temperatura. Este fenómeno se explica de una manera muy parecida a la explicación del aumento en la tasa de evaporación de un líquido con la temperatura. Los gases se disuelven en líquidos porque las moléculas de gas encuentran un estado de menor energía unidas al líquido. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la proporción de moléculas de gas con energía térmica mayor que la energía de enlace para el proceso de disolución. Entonces, una mayor proporción de las moléculas de gas pueden escapar del líquido: el equilibrio químico para la reacción de disolución se desplaza para favorecer las moléculas libres más que las ligadas con el aumento de temperatura.
La ebullición de un líquido reduce la concentración de gases disueltos a través del efecto anterior. Normalmente, el cambio de equilibrio hacia atrás para favorecer los gases disueltos con temperatura decreciente significaría que, al enfriarse, el líquido absorbería tanto gas como se expulsa en el proceso de ebullición. El truco con hielo transparente es que el líquido se congela demasiado rápido para que se complete el proceso de disolución del gas; está congelado irreversiblemente de modo que está muy lejos del equilibrio a medida que se enfría, con el resultado de que hay una expulsión neta de gas del líquido por el proceso de ebullición antes de congelar. Una vez que el líquido está congelado, el gas ya no puede disolverse en él, por lo que tiene hielo transparente.
Tenga en cuenta que esta respuesta es incompleta: no responde por qué el gas disuelto en el líquido forma las burbujas que hace cuando el líquido se congela, como en la imagen de la derecha de su pregunta. Esta respuesta solo explica la ausencia del gas necesario para el proceso de enturbiamiento, por lo que una respuesta completa debe explicar por qué el gas disuelto sale de la solución para formar burbujas cuando el hielo se congela.
La respuesta corta: El hielo turbio es causado por gases (principalmente nitrógeno y oxígeno) disueltos en el agua que salen de la solución cuando el agua se congela. Las pequeñas burbujas atrapadas en el hielo provocan la apariencia blanca. Hervir el agua elimina el aire disuelto en ella, produciendo como resultado hielo transparente. Suponiendo que otras impurezas no produzcan el mismo efecto turbio.
La respuesta larga:
Impurezas presentes en el agua:
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Gases: El agua a 20 ° C normalmente contiene alrededor de 15 ppm de gases disueltos, que es el equivalente a 1 volumen de aire por 50 volúmenes de agua. Estos son los mismos gases presentes en el aire, pero no en las mismas proporciones, ya que algunos son más solubles que otros: es aproximadamente 63% de nitrógeno, 34% de oxígeno, 1,5% de argón y 1,5% de dióxido de carbono.
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Minerales: El agua del grifo contiene minerales disueltos, principalmente Ca y Mg. Pueden estar presentes en forma de bicarbonatos: $ Ca ^ 2 + (HCO_3 ^ -) _ 2 $ y $ Mg ^ 2 + (HCO_3 ^ -) _ 2 $ (estos solo existen en solución, no como sustancias sólidas) y como sulfato de calcio y magnesio. Si el agua pasó a través de un ablandador de agua, es posible que los iones de Ca y Mg hayan sido reemplazados por (el doble) de iones de sodio o potasio.
Los efectos de calentar el agua:
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eliminación de gases disueltos: una temperatura más alta favorece las reacciones endotérmicas (principio de Le Chatelier). Para los gases presentes en el agua, la disolución (a temperatura ambiente) es un proceso exotérmico, por lo que su solubilidad disminuye cuando se calienta el agua. La solubilidad de los gases no llega a cero en el punto de ebullición, ni disminuye necesariamente en todo el rango de temperatura. Para el nitrógeno en el agua, la entalpía de disolución se vuelve positiva alrededor de los 75 ° y su solubilidad aumenta por encima de esa temperatura. A 100 ° C, la solubilidad del aire en su conjunto es $ 0.93 * 10 ^ – 5 $, aproximadamente la mitad de la solubilidad a 10 ° C, $ 1.82 * 10 ^ – 5 $.
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eliminación de minerales disueltos: Calentar el agua promueve la conversión de bicarbonatos solubles de Ca y Mg en carbonatos insolubles ($ 2 HCO_3 ^ – $ → $ CO_3 ^ 2- + H_2O + CO_2 $) que saldrá de la solución (como cal ). Los sulfatos (a veces denominados “dureza permanente”) y los (bi) carbonatos de sodio o potasio permanecen en solución.
El efecto de hervir:
- La solubilidad del gas en el líquido no solo depende de la temperatura, es directamente proporcional a la presión parcial del gas. Al hervir, la fase gaseosa en contacto con el agua ya no es el aire, sino el vapor de agua (en las burbujas y cerca de la superficie). En esas burbujas, la presión parcial de los gases será cercana a cero, por lo que las moléculas de gas seguirán saliendo de la fase líquida (y el área de superficie aumentada y el movimiento del agua acelera el proceso), pero casi ninguna regresará. Con el tiempo suficiente, el vapor de agua eliminará la mayor parte del gas. Hervir es básicamente el equivalente a desgasificar por purga: eliminar un gas (oxígeno generalmente) de un solvente burbujeando un gas inerte a través de él.
¿Cómo hacen los gases que el hielo sea “lechoso / turbio”?
- Durante la congelación, la capa de hielo comienza en todos los lados del cubo y crece hacia adentro. Las moléculas de agua encajan en la red cristalina y se adherirán a ella, otras moléculas no lo harán (pero si el hielo crece más rápido de lo que las moléculas de gas pueden difundirse, quedarán atrapadas). La concentración de gases (y otras impurezas) en el líquido restante aumenta, la solución se vuelve sobresaturada y comienzan a formarse microburbujas. Todos estos quedan atrapados en el hielo, dándole una apariencia lechosa.
Esta respuesta fue pensada como un comentario para @WetSavannahanimal, también conocido como Rad Vance, pero es bastante larga y llegué al límite de caracteres.
La razón del centro opaco debería deberse a la forma en que se congela el volumen de agua. Presumiblemente, la solución no se mezcla y el exterior se congela primero formando una pared cristalina (hielo) a través de la cual el gas no puede escapar. A medida que la pared se espesa, el agua libera gas que se solidifica en la solución central que queda. Esto concentra el gas en el líquido restante en el centro. Cuando la concentración de gas en esta solución alcanza el valor de saturación del líquido en su estado actual, parte de él sale de la solución formando las cavidades, simultáneamente se debe formar algo de hielo, devolviendo la solución a la concentración de saturación. Esto se repite hasta que se congele toda el agua.
La observación de que el hielo transparente se hace para que burbujee gas a través de él mientras se congela, indica que la mezcla de la solución permite que los gases saturados escapen de la superficie del volumen total de agua a medida que se forma el sólido en lugar de formarse en el centro.
Ahora, uno podría preguntarse por qué no hay una sola burbuja. La primera razón, desde el punto de vista de la solución a granel, es que el agua se congela gradualmente formando burbujas a medida que avanza. Realmente está oscilando alrededor del estado de equilibrio de la solución, que es el punto de saturación del gas de la solución de congelación. Las condiciones exactas de este punto variarán ligeramente a medida que el líquido se congele. La presión a la que se congeló el hielo en el centro es probablemente mayor que la presión a la que se congeló la superficie del hielo, por ejemplo, de manera similar, la temperatura a la que se congeló también podría variar. Probablemente también haya un efecto de concentración, es decir, a medida que este punto de equilibrio se desplaza alrededor del punto de saturación del gas, este cambio en la concentración también afecta un poco el punto de congelación. Hay alrededor de cuatro efectos (temperatura, presión, volumen y concentración de gas) en juego durante la congelación. El segundo efecto, desde un punto de vista de volumen finito, es que localmente alrededor de la cavidad el agua podría experimentar una “ráfaga de gas” que podría congelar localmente una película de agua que encapsula la burbuja, por lo tanto, la compleja disposición final de las cavidades y no la formación. de una sola burbuja.
Ahora podría ser posible ver estas diferencias de punto de congelación usando el truco del polarizador. Solo he visto esto con plásticos transparentes hasta ahora, pero también debería funcionar aquí. La próxima vez que vayas al cine, consigue un par de gafas 3D. saque las dos lentes polarizantes y sosténgalas a cada lado del cubo de hielo girándolas un poco, debería ver la estructura cristalina interna del hielo como un lío de líneas en espiral. Probablemente debería ver más un remolino o una dispersión en el centro cerca de las burbujas, lo que indica los cambios localizados en la estructura del cristal. Deberías comparar esto con el cubo transparente.
Hay otro truco que puedes probar. Si controlara la congelación del hielo hasta cierto punto, podría controlar la formación de burbujas. Por ejemplo, nuestras bandejas de hielo son de plástico y tendemos a tener una capa superior transparente con burbujas que se forman en la parte inferior del cubo. Sospecho que el plástico retiene su calor y retrasa la congelación de la parte inferior y lateral del cubo. Sospecho que si uno calentó o incluso enfrió la bandeja de hielo antes de formar el hielo, podría ver una formación diferente de cavidades (como se muestra en la segunda imagen aquí, por ejemplo). Si usó una bandeja de hielo de metal, debería ver el efecto que ha observado. Si combina una bandeja de hielo de metal y una de plástico, es posible que se acerquen más burbujas al lado de plástico. Incluso es posible que pueda obtener un efecto de lunares / explosión / gota colocando pegamento dentro de una bandeja de metal o sosteniendo una barra de metal dentro del volumen mientras lo congela. Aunque podría estar agregando puntos para que el gas se forme y escape dando como resultado cubos transparentes. Alternativamente, puede obtener un carrat (sombrero). Este Fellow parece haber hecho mucho trabajo por ti. Beneficiosamente, parece disfrutar bebiendo sus experimentos después (YMMV).
Si está realmente interesado, debería ver si la NASA hizo algún experimento de congelación en el espacio, podría mostrar otros métodos mediante los cuales se podría controlar la formación de burbujas. De manera similar, puede encontrar imágenes de congelación de cámaras de alta velocidad durante las cuales debería ver algunos efectos interesantes a medida que se forman las burbujas (aunque es un uso un poco contradictorio de estas cámaras y dudo que las personas que las poseen hayan pensado en usarlas para este propósito ).
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