Tuz ve buz arasındaki ilişki

Özel olarak dondurucu soğuklukta olan kuzey ülkeleri başta olmak üzere kar ve buzu eritmek için Dünya’da her yıl neredeyse 60 milyon tondan fazla tuz kullanılmakta.

Bu oran tüm gıda endüstrisinin kullandığı tuz miktarından katlarca kez fazla.

Peki tuz buzu nasıl eritiyor?

İlk olarak H₂O’nun soğukluk durumundaki haline dair bilgi sahibi olmakta fayda var. Suyun donma noktası 0 santigrat derece olduğundan, bu derecede sıvı formdaki su donar ve buza dönüşür.

Buzlanan bir yolda bu sıcaklıkta ince bir su katmanı oluşur ve buz molekülleri ile su molekülleri etkileşime girer. Bu şu anlama geliyor, su sürekli olarak buzun bir kısmını eritirken, altındaki buz da suyun bir kısmını dondurur.

0 santigrat derecedeyken bu değişim son derece stabil bir halde ilerler. Dolayısıyla su miktarı ve buz miktarı aynı kalır.

Hava soğursa doğal olarak daha çok sıvı formdaki su, buz olur ve ısınırsa daha çok buz suya dönüşür. İyonik bir bileşik olan tuz bu denkleme eklendiğinde suyun donma noktası düşer. Tahmin edilebileceği üzere bu kimyasal bir etkidir.

Sonuç olarak zemindeki buz ve soğuk hava artık su katmanını 0 santigrat derecede donduramaz duruma gelir.

Bununla birlikte su hala bu sıcaklıkta buzu eritebilir ve bu da yollarda daha az buz oluşmasına neden olur. Tuz kısmen daha az maliyetli olsa bile -6.5°C ile -9.5°C’den sonra etkisi azalır ve aynı erimeyi sağlamak için çok daha fazlasını uygulamak gerekir. Neyse ki çoğu kış kar fırtınası ve buz fırtınası sıcaklıkların -4°C ile 0°C arasında olduğu zamanlarda meydana gelir. Bunun aşağısında tuzun üzerine ilaveten kum eklenir.

Suyun Donması ve Tuz

Tuzun suyun donma noktasını düşürme prosesi de şöyle işlemekte:

Bu kavrama “donma noktası depresyonu” denir. Tuz, su moleküllerinin katı halde birbirine bağlanmasını zorlaştırır. Tuz suda çözünen bir madde ve elementlerine ayrılıyor. Misalen buzu eritmek için sodyum klorür (NaCl) olarak bilinen sofra tuzu kullanırsanız, tuz ayrı sodyum iyonlarına ve klorür iyonlarına çözülür.

Hidrasyon işlemi ısı yaymasına rağmen, bu oran tuzun iyonlara ayrışması sırasında emilen ısıdan fazladır. Başka bir deyişle, toplam çözünme süreci – iyonlara ayrışma ve hidrasyon – tüm ısıyı emer. Bu işlemi aslında kolayca test edebilirsiniz: Bir bardağa su ekleyin ve sıcaklığı parmağınızla test edin. Şimdi tuz ekleyin, karıştırın ve sıcaklığı tekrar test edin. Sıcaklık düşmüş olacak.

Bununla birlikte, şehirlerin buzlu sokaklarında çoğu zaman başka bir tuz türü olan kalsiyum klorür (CaCl₂) kullanılıyor. Kalsiyum klorür buzu eritmede daha etkili çünkü iki yerine üç iyona ayrılır: Bir kalsiyum iyonu ve iki klorür iyonu. Daha fazla iyon, katı buz bağlarının arasına giren daha fazla engel demek.

Kışın yolların tuzlanmasının nedeni bu: Suda çözünmüş tuz çözeltisi, saf sudan daha düşük donma noktasına sahiptir. Buza eklenen tuz daima yüzeyde bulunan sıvı su ile çözünür, böylece suyun donma noktası buz sıcaklığının altına düşer. Tuzlu suyla temas eden buz erimeye başlar ve daha fazla sıvı su oluşur. Bu da daha fazla tuzu çözer ve daha fazla buzun erimesine neden olur. Süreç böyle devam eder.

Çözünmüş tuzun konsantrasyonu ne kadar yüksekse, genel donma noktası o kadar düşük oluyor. Bununla birlikte, suda çözülebilen tuz miktarının bir sınırı var. Maksimum miktarda çözünmüş tuz içeren suyun donma noktası yaklaşık -17 Celcius derecedir. Bu yüzden eğer sıcaklık -17 derecenin altındaysa yola tuz serpilmesi buzu eritmez.

• %10 tuz çözeltisiyle su -6°C sıcaklıkta donar
• %20 tuz çözeltisi ile su -16°C sıcaklıkta donar

Çözünmüş tuz içeren suyun neden saf sudan daha düşük donma noktasına sahip olduğunu anlamak için temas halindeki buz ve su arasında dinamik bir faz değişimi olduğunu düşünün. Buzdaki termal titreşimler her saniye çok sayıda molekülün buz yüzeyinden kopmasına ve suya giriş yapmasına neden olur. Aynı süre zarfında çok sayıda su molekülü de kendisini buzun yüzeyine bağlar ve katı hale gelir.

Sıcaklıklar yüksekken ilk işlem ikinciden daha hızlı gerçekleşir ve buz erir. Daha düşük sıcaklıklarda ise tam tersi geçerli. Donma noktasında bu iki oran eşittir. Suya tuz eklenirse buz moleküllerinin ayrılma hızı değişmez ancak su moleküllerinin buz yüzeyine bağlanma hızı azalır. Çünkü sıvıdaki su molekülü konsantrasyonu (santimetre küp başına molekül sayısı) daha düşüktür. Bu nedenle erime noktası daha aşağıdadır.

Yol tuzu, yiyeceklerde kullanılan tuz kadar saf değil; barındırdığı mineral kontaminasyonu nedeniyle çoğunlukla kahverengimsi gri tonda görünür. Doğal çevreyi bu tuza maruz bırakmak bitkiler, suda yaşayan hayvanlar ve sulak alanlar üzerinde olumsuz etkilere neden oluyor ve bazı istenmeyen sonuçlar doğuruyor. Hatta şehirlerin tuzu en zehirli maddeler arasına eklemeleri önerilmiştir.

Klorür çevre için fazlasıyla kötü etkilere sahip. Şehrin yeraltı sisteminden akarak denize ve göllere boşaldığında sudaki hayvanları öldürebiliyor ve bu durum besin ağının içerisindeki diğer hayvan popülasyonlarını da etkiliyor. Klorür ayrıca bitkileri kurutur ve öldürür ve toprak bileşimini değiştirerek bitki örtüsünün büyümesini zorlaştırır. Himalaya Tuzu olarak bilinen pembe tuz, pekmez ve pancar suyu gibi buz ve karı klorür kullanmadan eritebilen çözümler olsa da şimdilik sodyum klorür ya da kalsiyum klorürden çok daha pahalılar.

Tuz aşındırıcıdır ve altyapıların daha erken bozunmasına neden olur. Tuza harcanan her bir paranın yollar ve köprülerde dört kat daha maliyetli onarımlara neden olduğu hesaplanır. Bu durum yüksek nüfuslu şehirler için 10 yıl gibi bir sürede milyarlarca dolar beklenmedik masraf anlamına gelir. Hasar gören yolun arabalarda yol açtığı tamir masrafları buna dahil değil.