PUNKT ZAMARZANIA: JAK TO OBLICZYĆ I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Punkt zamarzania to temperatura, w której substancja osiąga równowagę przejścia ciecz-ciało stałe. Jeśli chodzi o substancję, może to być związek, czysty pierwiastek lub mieszanina. Teoretycznie cała materia zamarza, gdy temperatura spada do zera absolutnego (0K).

Jednak ekstremalne temperatury nie są konieczne, aby obserwować zamarzanie cieczy. Góry lodowe są jednym z najbardziej oczywistych przykładów zamarzniętych zbiorników wodnych. Podobnie, zjawisko to można śledzić w czasie rzeczywistym za pomocą kąpieli ciekłego azotu lub zwykłej zamrażarki.

Źródło: Pxhere

Jaka jest różnica między zamrażaniem a krzepnięciem? Że pierwszy proces jest silnie zależny od temperatury, czystości cieczy i stanowi równowagę termodynamiczną; natomiast druga jest bardziej związana ze zmianami w składzie chemicznym substancji, która zestala się, nawet nie będąc całkowicie płynną (pasta).

Dlatego zamrożenie jest zestaleniem; ale nie zawsze jest odwrotnie. Ponadto, aby wykluczyć termin krzepnięcie, musi istnieć faza ciekła w równowadze z ciałem stałym tej samej substancji; robią to góry lodowe: unoszą się na wodzie w stanie ciekłym.

W związku z tym istnieje ryzyko zamarzania cieczy, gdy w wyniku spadku temperatury powstaje faza stała. Ciśnienie również wpływa na tę właściwość fizyczną, chociaż jego wpływ jest mniejszy w cieczach o niskim ciśnieniu pary.

Jaka jest temperatura zamarzania?

Wraz ze spadkiem temperatury średnia energia kinetyczna cząsteczek spada, przez co nieco zwalniają. W miarę jak wolniej poruszasz się w cieczy, dochodzi do punktu, w którym oddziałują one na tyle, aby utworzyć uporządkowany układ cząsteczek; jest to pierwsza substancja stała, z której wyrosną większe kryształy.

Jeśli to pierwsze ciało stałe zbytnio się „chwieje”, wówczas konieczne będzie dalsze obniżenie temperatury, aż jego cząsteczki pozostaną wystarczająco spokojne. Temperatura, w której jest to osiągane, odpowiada temperaturze zamarzania; stamtąd ustala się równowaga ciecz-ciało stałe.

Poprzedni scenariusz dotyczy czystych substancji; ale co jeśli nie są?

W takim przypadku cząsteczki pierwszej substancji stałej muszą poradzić sobie z włączeniem obcych cząsteczek. W rezultacie powstaje zanieczyszczone ciało stałe (lub stały roztwór), które do jego powstania wymaga temperatury niższej niż temperatura zamarzania.

Mówimy wtedy o obniżeniu punktu zamarzania. Ponieważ jest więcej obcych cząsteczek lub, mówiąc bardziej poprawnie, zanieczyszczeń, ciecz będzie zamarzać w coraz niższych temperaturach.

Zamrażanie a rozpuszczalność

Biorąc pod uwagę mieszaninę dwóch związków A i B, wraz ze spadkiem temperatury A zamarza, podczas gdy B pozostaje płynny.

Scenariusz jest podobny do tego, co właśnie wyjaśniono. Część A jeszcze nie zamarzła i dlatego jest rozpuszczona w B. Czy jest to zatem kwestia równowagi rozpuszczalności, a nie przejścia ciecz-ciało stałe?

Oba opisy są prawidłowe: A wytrąca się lub zamarza, oddzielając się od B w miarę spadku temperatury. Wszystko A wytrąci się, gdy nie będzie już żadnego rozpuszczonego w B; co jest tym samym, co powiedzenie, że A zostanie całkowicie zamrożony.

Jednak wygodniej jest traktować to zjawisko z punktu widzenia zamarzania. Zatem A zamarza jako pierwszy, ponieważ ma niższą temperaturę zamarzania, podczas gdy B będzie potrzebować niższych temperatur.

Jednak „lód A” w rzeczywistości składa się z ciała stałego, które ma bogatszy skład A niż B; ale B też tam jest. Dzieje się tak, ponieważ A + B jest jednorodną mieszaniną, a zatem część tej jednorodności przenosi się na zamrożoną substancję stałą.

Jak to obliczyć?

Jak możesz przewidzieć lub obliczyć temperaturę zamarzania substancji? Istnieją obliczenia fizykochemiczne, które pozwalają na uzyskanie przybliżonej wartości tego punktu przy innych ciśnieniach (innych niż 1 atm, ciśnienie otoczenia).

Jednak prowadzą one do entalpii fuzji (Δ _Fus ); ponieważ fuzja jest procesem w przeciwnym sensie niż zamrażanie.

Ponadto doświadczalnie łatwiej jest określić temperaturę topnienia substancji lub mieszaniny niż jej temperaturę krzepnięcia; Chociaż mogą wydawać się takie same, wykazują pewne różnice.

Jak wspomniano w poprzedniej sekcji: im wyższe stężenie zanieczyszczeń, tym większy spadek temperatury krzepnięcia. Można to również powiedzieć w następujący sposób: im niższy ułamek molowy X ciała stałego w mieszaninie, tym niższa temperatura zamarznie.

Równanie spadku temperatury

Poniższe równanie wyraża i podsumowuje wszystko, co zostało powiedziane:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Gdzie R jest idealną stałą gazową, która ma prawie uniwersalne zastosowanie. Tº to normalna temperatura krzepnięcia (przy ciśnieniu otoczenia), a T to temperatura, w której ciało stałe zamarznie do ułamka molowego X.

Z tego równania i po serii uproszczeń otrzymuje się lepiej znane:

ΔTc = K _F m (2)

Gdzie m to molowość substancji rozpuszczonej lub zanieczyszczenia, a K _F to stała krioskopowa rozpuszczalnika lub składnika ciekłego.

Przykłady

Krótki opis zamrażania niektórych substancji zostanie podany poniżej.

woda

Woda zamarza w okolicach 0ºC. Jednak wartość ta może się zmniejszyć, jeśli zawiera rozpuszczoną w niej substancję rozpuszczoną; powiedzieć, sól lub cukier.

W zależności od ilości rozpuszczonej substancji rozpuszczonej istnieją różne molowości m; a wraz ze wzrostem m maleje X, którego wartość można podstawić w równaniu (1) i w ten sposób znaleźć T.

Na przykład, jeśli umieścisz szklankę wody w zamrażarce, a drugą ze słodzoną wodą (lub dowolnym napojem na bazie wody), szklanka wody zamarznie jako pierwsza. Dzieje się tak, ponieważ jego kryształy tworzą się szybciej bez zakłócania działania cząsteczek glukozy, jonów lub innych gatunków.

To samo stanie się, jeśli w zamrażarce włożysz szklankę wody morskiej. Otóż, szklanka wody morskiej może być zamrożona jako pierwsza lub nie, niż szklanka wody słodzonej; różnica będzie zależeć od ilości substancji rozpuszczonej, a nie od jej charakteru chemicznego .

Z tego powodu spadek Tc (temperatura zamarzania) jest właściwością koligatywną.

Alkohol

Źródło: Pixabay

Alkohole zamarzają w niższych temperaturach niż woda w stanie ciekłym. Na przykład etanol zamarza w temperaturze około -114 ° C. W przypadku zmieszania z wodą i innymi składnikami temperatura krzepnięcia wzrośnie, wręcz przeciwnie.

Czemu? Ponieważ woda, płynna substancja mieszająca się z alkoholem, zamarza w znacznie wyższej temperaturze (0ºC).

Wracając do lodówki ze szklankami wody, jeśli tym razem zostanie wprowadzony napój alkoholowy, będzie to ostatni do zamrożenia. Im wyższy stopień etylowy, tym zamrażarka będzie musiała dalej chłodzić, aby zamrozić napój. Z tego powodu napoje takie jak tequila są trudniejsze do zamrożenia.

mleko

Źródło: Pixabay

Mleko to substancja na bazie wody, w której oprócz innych lipoprotein, rozproszony jest tłuszcz wraz z laktozą i fosforanami wapnia.

Te składniki, które są lepiej rozpuszczalne w wodzie, określają, jak bardzo jej temperatura zamarzania będzie się zmieniać w zależności od składu.

Średnio mleko zamarza w temperaturze około -0,54ºC, ale waha się ona między -0,50 a -0,56 w zależności od zawartości procentowej wody. W ten sposób można dowiedzieć się, czy mleko zostało sfałszowane. Jak widać, szklanka mleka zamarznie prawie na równi ze szklanką wody.

Nie każde mleko zamarza w tej samej temperaturze, ponieważ jego skład zależy również od pochodzenia zwierzęcego.

Rtęć

Rtęć jest jedynym metalem występującym w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej. Aby go zamrozić należy obniżyć temperaturę do -38,83ºC; I tym razem pomysł wlania go do szklanki i włożenia do zamrażarki zostanie uniknięty, ponieważ może to doprowadzić do strasznych wypadków.

Należy pamiętać, że rtęć zamarza przed alkoholem. Może to wynikać z faktu, że kryształ rtęci wibruje mniej, ponieważ składa się z atomów połączonych wiązaniami metalicznymi; podczas gdy w etanolu są to stosunkowo lekkie cząsteczki CH ₃ CH ₂ OH , które muszą być dostosowywane powoli.

Benzyna

Ze wszystkich przykładów temperatur zamarzania benzyna jest najbardziej złożona. Podobnie jak mleko, jest to mieszanina; ale jego podstawą nie jest woda, ale grupa różnych węglowodorów, z których każdy ma własną charakterystykę strukturalną. Niektóre małe cząsteczki i niektóre duże.

Węglowodory o niższym ciśnieniu pary zamarzną jako pierwsze; podczas gdy inne pozostaną w stanie ciekłym, nawet jeśli szklanka benzyny zostanie otoczona ciekłym azotem. Nie utworzy prawidłowo „benzyny lodowej”, ale żel o żółto-zielonych odcieniach.

Aby całkowicie zamrozić benzynę, może być konieczne obniżenie temperatury do -200ºC. W tej temperaturze prawdopodobnie utworzy się lód z benzyny, ponieważ wszystkie składniki mieszanki zamarzną; to znaczy, nie będzie już fazy ciekłej w równowadze z ciałem stałym.

Bibliografia

1. Wydział Fizyki Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign. (2018). Pytania i odpowiedzi: Zamarzanie benzyny. Odzyskany z: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Zasady fizykochemii. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Traktat fizykochemiczny. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madryt (Hiszpania).
4. Walter J. Moore. (1962). Chemia fizyczna. (Czwarta edycja). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Określenie punktu zamarzania mleka. Odzyskany z: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 czerwca 2018). Punkt zamarzania alkoholu. Odzyskany z: thinkco.com