Sól rozsypana na oblodzonym chodniku nie ma w sobie ciepła. Nie grzeje lodu i nie wypala w nim dziur. Rozpuszcza się w cienkiej warstwie wody, która pokrywa lód, i obniża temperaturę, w której lód topi się sam. Dlatego kałuża potrafi pojawić się przy minus pięciu stopniach, choć bez soli ten sam chodnik leżałby twardy jeszcze długo.
Ziarno soli czeka na kroplę wody
Suche ziarno soli rzucone na suchy beton przez jakiś czas nie robi nic. Amerykańska Federal Highway Administration opisuje to w podręczniku zimowego utrzymania dróg: kryształek musi najpierw pobrać z otoczenia dość ciepła, żeby na jego powierzchni powstała odrobina solanki, a dopiero ta strużka uruchamia rozpuszczanie reszty [1]. Dlatego sól sypana na sucho bywa mało skuteczna. Część ziaren odbija się od nawierzchni, część zdmuchuje wiatr, zanim zdąży cokolwiek zrobić.
Na lodzie czekanie zwykle nie trwa długo. Powierzchnia lodu nie jest szczelnie zamknięta jak szybka w oknie. Nawet w mrozie pokrywa ją cienka warstwa ciekłej wody, a sól rozpuszcza się właśnie w niej. Łańcuch jest samonapędzający: rozpuszczona sól obniża temperaturę topnienia, lód w jej otoczeniu zamienia się w wodę, ta woda rozpuszcza kolejne ziarna, więc topnienia przybywa [2].
Przeszkadza w zamarzaniu, zamiast dodawać ciepło
Na granicy lodu i wody trwa nieustanna wymiana. Cząsteczki odrywają się od lodu i przechodzą do wody, a inne cząsteczki wody przyklejają się do lodu. W temperaturze topnienia oba strumienie są równe. Sól zmienia tylko jeden z nich. Jony sodu i chloru zajmują miejsce między cząsteczkami wody, więc w tej samej objętości jest ich mniej i rzadziej trafiają na powierzchnię lodu. Przyklejanie zwalnia, odrywanie zostaje bez zmian, a równowaga przesuwa się: lód topi się w temperaturze niższej niż zero.
To jest cała sztuczka. Sól nie dostarcza energii, tylko zmienia warunki, w których lód może istnieć. Woda z solą ma niższą temperaturę zamarzania, więc przy tej samej temperaturze co wcześniej pozostaje płynna. Lód w jej sąsiedztwie przestaje być stabilny i zamienia się w kolejną porcję solanki.
Rozpuszczanie soli zabiera ciepło
Popularne wyjaśnienie mówi, że sól reaguje z wodą i wydziela ciepło, które topi lód. Z tym wyjaśnieniem jest problem: jest odwrotnie. Rozpuszczenie jednego mola chlorku sodu w dużym nadmiarze wody pochłania około 3,9 kilodżula. Proces jest lekko endotermiczny, czyli zabiera ciepło otoczeniu, a roztwór robi się odrobinę chłodniejszy [3]. Łatwo to sprawdzić w szklance: woda z solą jest po wymieszaniu chłodniejsza niż przed nim.
Federal Highway Administration ujmuje to wprost. Rozpuszczanie soli pochłania energię cieplną z otoczenia, a chlorek wapnia, druga z często używanych soli drogowych, robi coś odwrotnego i przy rozpuszczaniu wydziela sporo ciepła. Właśnie dlatego chlorek wapnia bywa mieszany ze zwykłą solą, żeby ruszyła szybciej w mróz.
Skoro sól zabiera ciepło, to jak topi lód? Topi go pośrednio. Lód, który przy danej temperaturze nie jest już stanem stabilnym, topi się, pobierając ciepło z drogi i powietrza. Nawierzchnia pod solą może się przy tym ochłodzić, bo topnienie zużywa energię. Efekt widać w praktyce: posypany chodnik szybciej robi się mokry tam, gdzie grzeje słońce albo jeżdżą koła, niż w cieniu, gdzie nawierzchnia jest zimniejsza.
Granica ma nazwę i konkretną liczbę
Temperatura topnienia solanki spada wraz ze stężeniem, ale tylko do pewnego punktu. Ten sam podręcznik podaje, że przy 23 procentach soli w roztworze, licząc masę, mieszanina pozostaje ciekła do około minus 21 stopni. To punkt eutektyczny. W przeliczeniu na kuchnię oznacza stężenie rzędu 300 gramów soli na litr wody, jakieś osiem razy więcej niż w wodzie morskiej.
Dalej robi się paradoksalnie gorzej. Dosypywanie soli ponad to stężenie nie obniża już temperatury topnienia, a nadmiar kryształków zostaje na nawierzchni, zamiast rozpuszczać lód. Solanka zbyt gęsta krystalizuje, solanka zbyt rozcieńczona zamarza, a skuteczne okno jest między jednym i drugim [4]. Rozsypanie większej kupki soli nie zastępuje więc brakującego ciepła.
Dlaczego drogowcy mówią o minus dziewięciu
Teoretyczne minus 21 stopni nie jest tym samym co temperatura, w której sól jest przydatna na drodze. W praktyce wszystko zwalnia: rozpuszczanie, tworzenie solanki, samo topnienie. Według podręcznika amerykańskiej Federal Highway Administration zabiegów z użyciem soli nie prowadzi się, gdy temperatura nawierzchni spada do około minus 9,5 stopnia, a wiele zarządów dróg uznaje sól za niepraktyczną poniżej minus dziewięciu stopni, bo jej działanie jest wtedy zbyt wolne.
Starsze pomiary pokazują skalę tego spadku. W pracy z 1977 roku, opublikowanej w serii Transportation Research Board, czytamy, że poniżej minus 3,9 stopnia sól topi mniej niż 30 procent tego, co potrafi stopić przy minus 1,1 stopnia, a poniżej minus 6,7 stopnia jej skuteczność jest poważnie ograniczona [5]. To badanie ma swoje ograniczenia. Powstało blisko pół wieku temu, a jego autorzy pracowali dla producenta chlorku wapnia, więc opisywali też zalety własnego produktu. Kierunek zależności zgadza się jednak z tym, co podają późniejsze podręczniki drogowe.
Dlatego w mróz sięga się po inne sole. Chlorek wapnia pozostaje w roztworze do około minus 51 stopni, chlorek magnezu do około minus 33, a chlorek sodu tylko do minus 21. Wszystkie trzy działają podobnie, różnią się głównie tym, jak nisko sięgają.
Kiedy sól leży bezradnie
Drugi problem to rozcieńczanie. Solanka na drodze miesza się z wodą z topniejącego śniegu i deszczu, więc jej stężenie spada, a temperatura zamarzania rośnie. W pewnym momencie roztwór zamarza i zamiast lodu mamy lodową polewę z solą. To dlatego zimowe służby wolą działać przed opadami. Solanka rozlana na suchą nawierzchnię przed śniegiem nie dopuszcza do powstania mocnego związania lodu z asfaltem, a później wystarczy go zepchnąć pługiem.
Z tego samego powodu sól nie jest lekarstwem na wszystko. Przy dużym mrozie leży na śniegu i czeka na cieplejszy dzień, a dosypywanie kolejnych garści nic nie zmienia. Wystarczy cienka warstwa tam, gdzie woda może krążyć, i cierpliwość tam, gdzie zamarzła na kość.
Cała ta historia jest o tym, że lód nie znika pod wpływem siły ani gorąca. Znika, bo sól zmienia temperaturę, w której przestaje być mu wygodnie. Dopóki jest woda, w której sól może się rozpuścić, i ciepło, które lód może zabrać otoczeniu, mechanizm pracuje. Gdy brakuje jednego z tych dwóch elementów, na chodniku zostaje tylko garść kryształków, które wyglądają jak posypka do pieczenia.
Źródła
- Federal Highway Administration, „Manual of Practice for an Effective Anti-Icing Program”, FHWA-RD-95-202, czerwiec 1996, rozdział 5 i dodatek B. https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/safety/95202/005.cfm
- Scientific American, „Why do we put salt on icy sidewalks in the winter?”, 26 grudnia 2005, odpowiedź Arthura Peltona z poprawką redakcji. https://www.scientificamerican.com/article/why-do-we-put-salt-on-icy/
- Chemistry LibreTexts, „Enthalpy Change of Solution”. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Thermodynamics/Energies_and_Potentials/Enthalpy/Enthalpy_Change_of_Solution
- Maine Department of Transportation, Maine Local Roads Center, „Understanding Salt Brine Concentration and the Salt Phase Diagram”, 2023. https://www.maine.gov/dot/sites/maine.gov.dot/files/docs/mlrc/docs/technical/2023/SaltBrine.pdf
- D. R. Larrimore, E. N. Mossner, J. C. Nixon, „Enhancing Ice-Melting Action of Rock Salt by Prewetting with Calcium Chloride”, Transportation Research Record, 1977. https://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/sr/sr185/185-046.pdf
- Zdjęcie: Gogerr, „Road Salt on a Sidewalk in Canada”, Wikimedia Commons, licencja CC BY-SA 4.0, kadr do proporcji 16:9 i zmiana rozmiaru, kadr na tej samej licencji. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Road_Salt_on_a_Sidewalk_in_Canada.jpg https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0
