เคมีอธิบายว่าน้ำบีททำให้น้ำแข็งและหิมะละลายได้อย่างไร

ใน Great White North พายุหิมะเป็นเรื่องของชีวิตและความตาย หรืออย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่ดูเหมือนว่าในทุกวันนี้เนื่องจากวิธีการล้างหิมะแบบใหม่ทำให้ถนนบางสายดูเหมือนกับที่ตั้งของการสังหารหมู่นองเลือด สัปดาห์นี้ในเมืองคาลการีรัฐอัลเบอร์ตาเจ้าหน้าที่เมืองพากันไปตามถนนหิมะที่มีส่วนผสมของเกลือและน้ำบีทรูทซึ่งพวกเขากล่าวว่าเป็นวิธีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและประหยัดค่าใช้จ่ายมากกว่าถนนน้ำแข็ง

CBC รายงานเมื่อวันอังคารที่ว่าคัลการีกำลังขยายการใช้น้ำบีทรูทหลังจากการทดลองครั้งก่อนหน้านี้ประสบความสำเร็จ เมืองที่มีหิมะปกคลุมอยู่ตามรอยเท้าของเมืองต่าง ๆ เช่นลาวาลและโคแวนสวิลล์ทั้งในควิเบกและโตรอนโต - ทุกเมืองที่เคยใช้ส่วนผสมน้ำบีทรูทที่คล้ายกันบนถนนเพื่อเตรียมพายุ ในคาลการีส่วนผสมของน้ำบีทรูทและเกลือถูกฉีดลงบนถนนโดยตรงจากรถบรรทุกสองตันที่สามารถบรรจุน้ำบีทรูทได้ 40,000 ลิตร

เมืองที่ได้รับผลกระทบจากพายุฤดูหนาวได้พยายามหาทางเลือกเกลือมานานหลายปีแล้วเนื่องจากโซเดียมคลอไรด์ในปริมาณที่มากเกินไปไม่เพียง แต่เป็นอันตรายต่อรถยนต์ถนนและทรัพย์สินส่วนบุคคล แต่ยังส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย ในปี 2559 หน่วยงานอนุรักษ์โตรอนโตและภูมิภาคระบุว่าการลดลงของประชากรปลาและแมลงน่าจะเชื่อมโยงกับการพึ่งพาเกลือของเมืองในช่วงฤดูหนาว

เหตุผลที่เกลือเป็นสิ่งที่มีประสิทธิภาพในตอนแรกคือมันลดจุดเยือกแข็งของน้ำรอบ ๆ น้ำแข็งทั้งหมดมีฟิล์มของเหลวบาง ๆ บนพื้นผิวของมันและเมื่อก้อนน้ำแข็งผสมกับของเหลวนั้นมันจะลดจุดเยือกแข็งซึ่งทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งจะทำให้น้ำแข็งรอบ ๆ ละลายและอื่น ๆ กระบวนการนี้จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อความเข้มข้นของเกลือเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่นสารละลายเกลือ 10 เปอร์เซ็นต์แช่แข็งที่ 20 องศาฟาเรนไฮต์ (-6 องศาเซลเซียส) และสารละลาย 20 เปอร์เซ็นต์ค้างที่ 2 องศา F (-16 องศา C)

ในระดับโมเลกุลสิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะโมเลกุลของเกลือนั้นสลับกับโมเลกุลของน้ำทำให้มันยากขึ้นสำหรับหลังที่จะมารวมกันในผลึกโมเลกุลซึ่งถือเป็นน้ำแข็ง นี่คือวิธีที่นักฟิสิกส์ของ University of Illinois at Urbana-Champaign อธิบาย:

สมมติว่าคุณมีน้ำบริสุทธิ์หนึ่งถ้วยและน้ำที่มีรสเค็มเล็กน้อย ในขณะที่คุณลดอุณหภูมิน้ำบริสุทธิ์บางชนิดก็เริ่มก่อตัวเป็นผลึกน้ำแข็ง เหตุผลก็คือแม้ว่าโมเลกุลของน้ำที่แช่แข็งซึ่งเรียงตัวกันเป็นผลึกมีวิธีการเคลื่อนที่น้อยลง (เอนโทรปีต่ำกว่าโมเลกุลของเหลว) พวกมันปล่อยความร้อนเมื่อมันแข็งตัวและยกเอนโทรปีของสภาพแวดล้อมมากขึ้น ดังนั้นเอนโทรปีของสุทธิจึงเพิ่มขึ้นเมื่อน้ำค้างเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นระหว่างทางไปสู่สถานะสมดุลใด ๆ

แล้วในน้ำเค็มล่ะ? มีหนึ่งคำศัพท์พิเศษในการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี เกลือไม่พอดีกับผลึกน้ำแข็ง ดังนั้นเมื่อพวกเขาก่อตัวเกลือที่เหลือจะถูกปล่อยทิ้งไว้โดยไม่มีที่ว่างให้เดินเตร่ไปมาและทำให้เอนโทรปีน้อยลง ดังนั้นคุณต้องรับน้ำเกลือให้เย็นก่อนที่จะได้รับเอนโทรปีสุทธิจากการแช่แข็ง

แต่โซเดียมคลอไรด์ไม่ได้เป็นโมเลกุลเดียวที่สามารถทำลายผลึกน้ำ โมเลกุลน้ำตาลจากน้ำบีทรูทมีผลคล้ายกันซึ่งหมายความว่าหากเติมน้ำตาลบีทในสารละลายเกลือร้อยละ 20 และฉีดลงบนน้ำแข็งจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งจะต่ำกว่า 15 องศา F. เมืองแคนาดาส่วนใหญ่จะเป็นเมืองใด ได้ลองผสมกากน้ำตาลบีทน้ำตาลซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำตาลบีทรวมกับสารละลายเกลือที่มีอยู่เพื่อลดความเข้มข้นของเกลือที่จำเป็นในการผลิตน้ำแข็งละลายเหมือนกัน ความหนืดของกากน้ำตาลนอกจากนี้ยังช่วยยึดเกาะกับพื้นผิวถนนซึ่งมันสามารถเพิ่มผลกระทบได้สูงสุด

ข้อเสียเพียงอย่างเดียวของการแฮ็คน้ำบีทรูท เนชั่นแนลจีโอกราฟฟิก รายงานในปี 2014 คือบางครั้งมันสามารถรั่วไหลลงสู่ลำธารที่น้ำตาลดึงดูดแบคทีเรียที่ดูดออกซิเจนทั้งหมดในน้ำที่สัตว์ไว้วางใจ

แน่นอนว่ามีปัญหาเรื่องน้ำบีทรูทที่เปลี่ยนถนนให้กลายเป็นระเบียบสีน้ำตาลแดงราวกับว่ามันเป็นอ๊อกซิไดซ์ที่เหลืออยู่จากการสู้รบแบบนองเลือด บางเมืองเช่นลาวาลใช้น้ำจากหัวบีตสีขาวเพื่อหลีกเลี่ยงรอยเปื้อน แต่คนอื่น ๆ ก็เรียนรู้ที่จะยอมรับความดีด้วยความดี อย่างน้อยที่สุดการทำขนมหวานนั้นได้รับการกล่าวขานว่ามีกลิ่นเหมือน Tootsie Roll

หากคุณชอบบทความนี้ลองดูวิดีโอนี้เกี่ยวกับถังขยะ“ สัตว์ประหลาด” ที่สามารถกินขยะลอยได้