"Hielo caliente" se refiere a una demostración química popular en la que una solución de acetato de sodio disuelto en agua y colocada en un congelador se solidifica instantáneamente cuando se vierte de su recipiente o cuando se vierte un solo cristal de acetato de sodio sólido en la solución. El proceso de solidificación libera calor y por lo tanto da la apariencia de la formación de hielo caliente. Los instructores de química usan esto para demostrar el fenómeno de la sobresaturación, o la capacidad de algunas soluciones para contener más material disuelto de lo que normalmente deberían.
Compuestos iónicos
En química, el término "compuesto" se refiere a un material compuesto por más de un elemento químico. Por ejemplo, la sal de mesa, también conocida como cloruro de sodio, contiene átomos de sodio y cloro. Cuando el compuesto contiene tanto un metal como un no metal, como se distingue en la tabla periódica de los elementos, los químicos se refieren al compuesto como "iónico". Algunos compuestos iónicos se disuelven en agua, y durante el proceso de disolución, el metal cargado positivamente, llamado catión, se separa del no metal cargado negativamente, llamado anión. El proceso de precipitación representa lo contrario de este proceso; es decir, el catión y el anión se combinan para formar cristales sólidos en la solución.
Solubilidad
Los químicos describen la capacidad de un compuesto para disolverse en agua como solubilidad. Por definición, el compuesto presente en menor cantidad representa el soluto, y el compuesto presente en mayor cantidad representa el solvente. En el caso de un sólido que se disuelve en un líquido, el líquido generalmente califica como solvente. En general, los químicos indican la solubilidad en unidades, como gramos por litro, lo que significa "gramos de soluto que se disolverán en 1 l de solvente" o "gramos por 100 ml". La saturación ocurre cuando la cantidad máxima de soluto se ha disuelto en una cantidad dada de solvente. Algunos compuestos exhiben una solubilidad inherentemente más alta que otros, pero en todos los casos la solubilidad varía con la temperatura. Generalmente, cuanto mayor es la temperatura, más soluto se disolverá en una cantidad dada de solvente. El proceso de sobresaturación o soluciones "sobresaturadas" depende de la manipulación de la temperatura.
Supersaturación
El fenómeno de la sobresaturación ocurre cuando la cantidad de soluto disuelto en una cantidad dada de solvente excede el punto de saturación. Los científicos no entienden completamente el mecanismo por el cual las soluciones se vuelven sobresaturadas. La precipitación requiere la formación de un pequeño cristalito sólido en la solución, un proceso llamado "nucleación". Después de que se forma el cristalito, un segundo proceso, conocido como crecimiento, agranda los cristalitos al nivel macroscópico para que puedan observarse y aislarse. Pero el crecimiento no ocurre sin nucleación, y algunos solutos en ciertas condiciones resisten este proceso. La nucleación tiende a requerir una superficie "rugosa" sobre la cual iniciar. La superficie rugosa puede ser una impureza, como partículas de polvo, o un rasguño en el interior del recipiente de vidrio en el que reside la solución. Alternativamente, un experimentador puede iniciar la nucleación deliberadamente agregando un solo cristal pequeño del compuesto que se precipita. En consecuencia, la mayoría de las instrucciones para la demostración de hielo caliente requieren la adición de algunos granos de acetato de sodio sólido a la solución sobresaturada para inducir la cristalización.
Acetato de sodio
El acetato de sodio es un compuesto iónico que consiste en cationes de sodio, Na (+) e iones de acetato, C2H3O2 (-). Como la mayoría de los acetatos, exhibe una alta solubilidad en agua: 76 g se disuelve en 100 ml a 0 grados C. La solubilidad, sin embargo, aumenta sustancialmente a una temperatura más alta. La demostración de hielo caliente requiere crear una solución saturada de acetato de sodio en agua caliente y luego colocar la solución en un congelador. A medida que la solución se enfría y se acerca a 0 grados C, la concentración de acetato de sodio permanecerá por encima de 76 g por 100 ml, es decir, la solución estará sobresaturada.
Hielo caliente
La precipitación de un sólido a partir de una solución da como resultado una disminución en el desorden del sistema. Es decir, en la solución, los iones se mueven libremente en direcciones aleatorias y, por lo tanto, exhiben un alto desorden. Cuando los iones se combinan para formar cristalitos sólidos, su libertad de movimiento se restringe. Los científicos describen esto como una disminución en la entropía o desorden del sistema. Las leyes de la termodinámica estipulan que para que un proceso que exhibe una disminución de la entropía ocurra espontáneamente, como la precipitación de un sólido de una solución, el proceso también debe liberar calor. En consecuencia, la introducción de un cristalito sólido de acetato de sodio se calentará a medida que el acetato de sodio precipite de la solución.
