یکایک به برف اندرون ماندند
(شاهنامه‌ی فردوسی، نبرد بزرگ کیخسرو با افراسیاب)
منبع تصویر: روزنامه شرق
کم‌کم فصل زمستان از راه می‌رسد. یک صبح سرد، بعد از شبی که برف زیادی باریده است از خانه بیرون می‌آییم و می‌بینیم همه جا یخ زده است. دم در خانه لیز شده و هر کسی از در خارج شود روی یخ‌ها سُر می‌خورد. صدای لیز خوردن خودروها روی برف می‌آید. چه می‌کنیم تا سر نخوریم؟ برای آب کردن برف و یخ‌ها راهی به‌نسبت ارزان و ساده وجود دارد که سریع عمل می‌کند: پاشیدن نمک؛ روی یخ‌ها نمک می‌پاشیم و کمی بعد یخ‌ها آب می‌شوند. اما چطور در هوای صفر درجه که آب منجمد می‌شود نمک یخ را آب می‌کند؟
برای پاسخ به این سؤال نخست ببینیم چه می‌شود که بعضی مواد در دمای اتاق جامدند و بعضی دیگر مایع یا گاز؟ اینکه ماده‌ای در کدام حالت جامد یا مایع یا گاز است به پیوند بین اتم‌ها و مولکول‌های آن ماده بستگی دارد. برای بعضی اتم‌ها مانند کربن این نیرو قوی است و برای بعضی اتم‌ها مانند نئون نیرویی ضعیف وجود دارد. وقتی به ماده‌ای گرما می‌دهیم حرکت بین مولکول‌ها بیشتر می‌شود و شکل پیوند بین آن‌ها تغییر می‌کند و بسته به میزان گرمای وارده ماده از جامد به مایع یا از مایع به گاز تغییر حالت می‌دهد. اینکه هر ماده‌ای به چه میزان گرما برای تغییر حالت نیاز دارد از ماده‌ای به ماده‌ی دیگر متفاوت است و به همین دلیل دمای ذوب یا انجماد مواد مختلف با هم متفاوت است. مثلاً موادی که پیوند قوی دارند در دمای بیش از هزار درجه‌ی سلسیوس ذوب می‌شوند (مانند آهن) و در دمای کمتر از آن جامدند اما برای موادی که پیوند ضعیفی دارند (مانند گاز نیتروژن) وضعیت متفاوت است. مثلاً نیتروژن در دمای معمولی به‌صورت گاز است. وقتی آن را سرد کنیم در دماهای خیلی کمتر از صفر درجه‌ی سلسیوس ابتدا مایع می‌شود و بعد در دماهای پایین‌تر منجمد می‌شود.
منبع تصویر: livingindryden.org
حالا فرایند یخ زدن آب را بررسی کنیم. بین مولکول‌های آب پیوند هیدروژنی وجود دارد. وقتی دما را کم می‌کنیم در شرایط معمولی آب در دمای صفر درجه‌ی سلسیوس یخ می‌زند. وقتی دما صفر درجه‌ی سلسیوس است لایهای از آب روی یخ وجود دارد. در واقع تعادلی بین آب و یخ وجود دارد. به این ترتیب که لایهای از آب در کنار یخ سرد می‌شود و مولکول‌های آن به یخ می‌چسبند، یعنی یخ می‌زنند. از سویی دیگر مولکول‌های سطح یخ در کنار آب از آن گرما می‌گیرند و از یخ کنده می‌شوند و حرکت میکنند؛ یعنی یخ آب می‌شود. چنین تعادلی بین آب و یخ وجود دارد تا اینکه یا دمای محیط آنقدر کاهش پیدا کند که دیگر همه‌ی آب کامل یخ بزند و یخ ذوب نشود یا اینکه دما بالاتر از صفر درجه برود و دیگر آب یخ نزند و یخ‌ها آب شوند.
حال اگر ماده‌ای مانند شکر یا نمک را در آب حل کنیم این تعادل در دمای صفر درجه به هم می‌خورد. وقتی نمک طعام (سدیم‌کلرید) در آب حل می‌شود یون‌های نمک بین مولکول‌های آب می‌روند و پیوند بین آن‌ها را ضعیف میکنند. هرچه این پیوندها ضعیف‌تر شوند محلول در دمای کمتری منجمد می‌شود یعنی هر چه میزان نمک حل‌شده بیشتر باشد دمای انجماد پایین‌تر می‌آید. می‌توانید این پدیده را به‌سادگی آزمایش کنید. سه قالب یخ بردارید. در یکی آب خالص، در دومی آب‌نمک (آب به علاوه‌ی یک قاشق چایخوریِ سرخالی نمک) و در دیگری آب‌نمکِ غلیظ‌تر (همان میزان آب به علاوه‌ی یک قاشق غذاخوری نمک) می‌ریزیم. حالا هر سه قالب را هم‌زمان در جایخیِ یخچال یا یخ‌بند (فریزر) بگذارید و هر نیم ساعت به قالب‌ها نگاه کنید و ببینید چه وضعی دارند و کدام زودتر یخ می‌زند؟ البته توجه کنید که هر میزانی بخواهید نمی‌توانید دمای انجماد آب را پایین بیاورید چون اگر دائم به آب، نمک اضافه کنید کم کم به جایی می‌رسید که اگر باز هم نمک اضافه کنید دیگر در آب حل نمی‌شود و میزان نمک محلول در آب به حد اشباع می‌رسد. بنابراین دمای انجماد را نمی‌توانید باز هم پایین‌تر ببرید.
سُر نخورید!
حالا ببینیم چطور با ریختن نمک یخ‌های پیاده‌رو و خیابان را آب می‌کنیم؟ وقتی نمک روی یخ می‌پاشیم در واقع نمک را به لایه‌ی آبِ روی یخ اضافه می‌کنیم. همانطور که بالا گفتیم یون‌های نمک بین مولکول‌های آب می‌روند و این محلول آب و نمک که روی یخ قرار دارد دیگر در صفر درجه یخ نمی‌زند. اما یخ در کنار این آب و نمک ذوب می‌شود. با این اتفاق تعادل آب شدن و یخ زدن به هم می‌خورد و آنچه مشاهده می کنیم این است که در اثر اضافه شدن نمک، یخ آب می‌شود. در واقع نمک یخ را آب نمی‌کند بلکه دمای آب شدن یخ را به دماهای کمتر از صفر درجه می‌برد و در نتیجه در صفر درجه یخ‌ها ذوب می‌شوند ولی آب منجمد نمی‌شود. البته توجه کنید که وجود لایهای از آب روی یخ برای اینکه نمک یخ را ذوب کند مهم است. اما نگران نباشید چون در خیابان‌ها همواره این لایه وجود دارد. وقتی شما با کفش روی یخ فشار می‌دهید لایهای از آب روی یخ به وجود می‌آید یا اینکه وقتی خودرویی روی یخ فشار می‌آورد هم این اتفاق می‌افتد. به همین دلیل در بعضی شهرها برای آب شدن یخ‌ها روی آن‌ها آب‌نمک می‌پاشند.
سدیم کلرید تنها نمکی نیست که برای آب کردن یخ‌ها از آن استفاده می‌شود. مثلاً کلسیم‌کلرید نمک دیگری است که بیشتر از نمک خوراکی به آب شدن یخ کمک می‌کند. وقتی کلسیم کلرید در آب حل می‌شود سه یون آزاد می‌کند و پیوند بین مولکول‌های آب را ضعیف‌تر از وقتی می‌کند که سدیم کلرید در آن حل می‌شود. احتمالاً در زمستان‌ها کیسه‌های مخلوط نمک با شن را در کنار بزرگراه‌ها دیده‌اید. شهرداری‌ها برای آب کردن یخ‌های معابر شهری از این نمک‌ها استفاده میکنند. البته نمک پاشیدن به یخ‌های خیابان روش مناسبی برای محیط‌زیست نیست و کلر آزادشده ممکن است موجودات آبزی را بکشد. هم‌چنین ترکیب خاک را به هم می‌زند و به گیاهان هم آسیب می‌زند. در صنعت مواد دیگری ساخته شده‌اند که برای آب کردن یخ‌ها مناسب‌ترند و به طبیعت آسیب نمی‌زنند ولی گران‌‌تر از نمک‌اند و به همین دلیل همچنان شهرداری‌های از نمک‌پاشی برای آب کردن یخ‌ها استفاده میکنند.
ضدیخ‌های خودروها هم به همین روش مانع یخ زدن آب رادیاتورها در فصل‌های سرد زمستان می‌شوند. برای اینکه آب درون رادیاتورِ خودروها یخ نزند باید از ماده‌ای استفاده کرد که هم رسوب ندهد و هم به رادیاتور آسیب نزند و به همین دلیل آب‌نمک ترکیب مناسبی برای این کار نیست و عموماً از ترکیبات «اتیلن گلیکول» استفاده می‌شود که با حل شدن در آب دمای انجماد آب را پایین مي‌برد. دما باید به پایین‌تر از حدود چهل و پنج درجه‌ی سلسیوس زیر صفر برسد تا محلول آب و درصد قابل توجهی ضدیخ منجمد شود.
نمک و بستنی
گفتیم با کمک نمک کاری میکنند که یخ‌های خیابان‌ها آب شوند اما شاید جالب باشد بدانید که در بستنی‌سازی با استفاده از نمک کاری میکنند که مایه‌ی بستنی در دمای پایین‌تر از صفر درجه یخ بزند. آیا این دو پدیده با هم در تضاد نیستند؟ خیر! نمک در خیابان کمک می‌کند یخ آب شود و سر نخوریم و در بستنی‌سازی کمک می‌کند مخلوط آب نمک با دمای کمتر از صفر درجه داشته باشیم تا بستنی یخ بزند. چطور؟
برای درست کردن بستنی باید کاری کنیم که مایه‌ی بستنی یخ بزند. خب می‌شود اطراف مایه یخ ریخت تا گرمای خود را به یخ بدهد و دمایش پایین برود. ولی مایه‌ی بستنی ترکیبی از شکر و خامه (چربی) و شیر است و دمای انجماد آن کمتر از صفر درجه است. پس اگر کنار یخ باشد گرمای خود را به یخ می‌دهد و آن را ذوب می‌کند ولی خودش همچنان مایع می‌ماند و یخ نمی‌زند و بستنی نمی‌شود. اینجاست که نمک به کار می‌آید تا دمای مایه‌ی بستنی را پایین‌تر از صفر درجه ببرد. چطور؟ ابتدا آزمایشی بکنید: همانطور که در مطلب «بستنی: همنشینی خوشمزه‌ی جامد، مایع و گاز» گفته شد با دو کیسه‌ی درون هم بستنی درست کنید. اما یک بار در کیسه‌ی بیرونی فقط یخ بریزید و یک بار یخ و نمک، بعد از آنکه کیسه‌ها را حسابی تکان دادید می‌بینید که دمای کیسه‌ی یخ و نمک با وجودی که یخ‌هایش آب شده است پایین‌تر از دمای کیسه‌ی یخ است. چه می‌شود که دمای یخ و نمک پایین می‌آید؟
منبع تصویر: cookipedia.co.uk
برای درک این پدیده لازم است با جزییات بیشتری انجماد آب را بررسی کنیم. برای اینکه دمای یک گرم آب یک درجه کم شود مقدار کمی گرما باید از آن بگیریم ولی برای اینکه تغییر حالت پیدا کند و یخ بزند باید هشتاد برابر آن مقدار گرما از آب بگیریم تا یک گرم آب یخ بزند. این مقدار گرما را گرمای نهان ذوب آب می‌نامند. در نتیجه در شرایط معمولی آب و یخ تا مدت زیادی در دمای صفر درجه‌ی سلسیوس در تعادل می‌مانند تا آب این مقدار گرما را از دست بدهد و کامل یخ بزند. وقتی نمک به آب اضافه می‌کنیم دمایی که در آن آب‌نمک یخ می‌زند پایین‌تر از صفر درجه است. در نتیجه اگر به یخی که از یخ بند خارج شده و دمایی پایین‌تر از صفر درجه دارد نمک اضافه کنیم و کیسه را تکان بدهیم در کنار یخ، مخلوطی از آب و نمک وجود دارد که دمای انجماد آن پایین‌تر از صفر درجه است و باز مخلوط آب‌نمک و یخ مدت زیادی این بار در این دما در تعادل می‌ماند و طول می‌کشد تا آب شود. در این مدت مایه‌ی بستنی گرمای خود را به این مخلوط آب‌نمک و یخ می‌دهد و به‌تدریج سرد و سردتر می‌شود. در نتیجه وجود مخلوط یخ و آب‌نمک که دمایی پایین‌تر از صفر دارد برای بستن مایه‌ی بستنی مناسب است.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگو شرکت کنید؟نظری بدهید!