Почему пакет со льдом и солью превращает молоко в мороженое

Вот любимый кухонный опыт. Налейте в маленький пакет с застёжкой немного молока, добавьте сахар и каплю ванили. Положите этот пакет в пакет побольше, наполненный кубиками льда и несколькими щедрыми ложками соли. Закройте, оберните кухонным полотенцем, потому что сейчас станет очень холодно, и трясите минут пять. Когда вы откроете маленький пакет, внутри окажется мягкое мороженое.

Странно то, что без соли ничего бы не вышло. Сам по себе лёд держится около нуля градусов Цельсия, при той температуре, при которой вода замерзает, а лёд тает. Мороженому, чтобы застыть, нужно холоднее, потому что сахар в нём понижает температуру замерзания. Обычного льда, сколько его ни клади, просто недостаточно холодно.

Соль это меняет. Когда соль растворяется в воде, она понижает температуру, при которой вода замерзает. Это называется понижением температуры замерзания. Чистая вода замерзает при нуле, а солёной воде нужно остыть сильнее, прежде чем она превратится в лёд, и чем больше соли, тем холоднее ей нужно стать.

Теперь представьте, что происходит в пакете. Поверхность каждого кубика льда всегда чуть влажная, и на этой поверхности одни молекулы воды постоянно покидают лёд, а другие присоединяются к нему. При нуле градусов эти два потока уравновешиваются. Соль растворяется в этом тонком влажном слое, и растворённая соль мешает молекулам воды снова встроиться в упорядоченный узор льда. Молекулы продолжают уходить, возвращается их меньше, и лёд тает, хотя он и так уже очень холодный.

Чтобы таять, нужна энергия. Чтобы из твёрдого стать жидким, лёд должен поглотить тепло, и он забирает его у всего, что рядом: у солёной воды вокруг, у пакета и у смеси для мороженого в середине. Поэтому температура продолжает падать, намного ниже нуля. Смесь льда и соли может стать на много градусов холоднее, чем один лёд. В одном школьном варианте этого опыта, описанном в журнале Journal of Chemical Education, замороженный солевой раствор достигал примерно минус 21 градуса, холоднее обычной домашней морозилки.

Соль вообще не касается мороженого: она остаётся во внешнем пакете и работает через пластик. Встряхивание заставляет замерзающую смесь двигаться и касаться холода, чтобы она остывала равномерно, а не превращалась в один твёрдый ком у стенки. И это не обязательно должна быть поваренная соль. Важно, сколько растворённых частиц мешает воде, а не какие именно, поэтому химики называют понижение температуры замерзания коллигативным свойством.

Та же идея работает, когда зимой посыпают солью обледеневшую дорожку, и в старинных мороженицах с ручкой и ведром солёного льда. Соль ничего не нагревает. Она помогает льду таять, а таяние, как доказывает мороженое, отличный способ сделать всё вокруг холодным.