Punkt zamarzania w jego składzie, jak go obliczyć i przykłady

The temperatura zamarzania jest temperaturą, w której substancja przechodzi równowagę płynno-stałą. Mówiąc o substancji, 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 do obserwacji zamarzania cieczy. Góry lodowe są jednym z najbardziej oczywistych przykładów zamarzniętych zbiorników wodnych. Zjawisko to można również śledzić w czasie rzeczywistym za pomocą kąpieli ciekłego azotu lub za pomocą prostej zamrażarki.

Jaka jest różnica między zamrażaniem a krzepnięciem? Że pierwszy proces jest silnie zależny od temperatury, czystości cieczy i jest równowagą termodynamiczną; natomiast drugi jest bardziej związany ze zmianami składu chemicznego substancji, która zestala się, nawet nie będąc całkowicie płynną (pastą).

Dlatego zamrożenie jest zestaleniem; ale nie zawsze jest odwrotnie. Ponadto, aby odrzucić termin krzepnięcie, musi istnieć faza ciekła w równowadze z ciałem stałym tej samej substancji; góry lodowe przestrzegają tego: pływają po płynnej wodzie.

W ten sposób stajemy przed zamarzaniem cieczy, gdy faza stała powstaje w wyniku spadku temperatury. Ciśnienie ma również wpływ na tę właściwość fizyczną, chociaż jego efekty są niższe w cieczach o niskim ciśnieniu pary.

Indeks

• 1 Jaka jest temperatura zamarzania??
  • 1.1 Zamrażanie a rozpuszczalność
• 2 Jak to obliczyć?
  • 2.1 Równanie spadku temperatury
• 3 Przykłady
  • 3.1 Woda
  • 3.2 Alkohol
  • 3.3 Mleko
  • 3.4 Rtęć
  • 3.5 Benzyna
• 4 odniesienia

Jaka jest temperatura zamarzania??

Gdy temperatura spada, średnia energia kinetyczna cząsteczek maleje, a zatem nieco zwalniają. W miarę jak wolniej płyną w cieczy, pojawia się punkt, w którym oddziałują na tyle, aby utworzyć uporządkowany układ cząsteczki; jest to pierwsza bryła, z której będą rosły większe kryształy.

Jeśli to pierwsze ciało stałe „zbyt mocno się chwieje”, konieczne będzie dalsze obniżenie temperatury, aż jego cząsteczki pozostaną wystarczająco ciche. 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?

W takim przypadku cząsteczki pierwszego ciała stałego muszą być zdolne do włączenia obcych cząsteczek. W wyniku tego powstaje zanieczyszczona substancja stała (lub roztwór stały), która wymaga niższej temperatury niż temperatura zamarzania dla jej utworzenia.

Mówimy o Spadek punktu zamarzania. Dopóki jest więcej obcych cząsteczek, a właściwie mówiąc, zanieczyszczeń, ciecz zamarznie w coraz niższych temperaturach.

Zamrażanie a rozpuszczalność

Biorąc pod uwagę mieszaninę dwóch związków, A i B, gdy temperatura spada, A zamarza, podczas gdy B pozostaje płynny.

Scenariusz jest podobny do tego, co właśnie wyjaśniono. Część A nie została jeszcze zamrożona, a zatem została rozpuszczona w B. Czy równowaga rozpuszczalności jest dyskutowana bardziej niż równowaga płyn-ciało stałe??

Oba opisy są prawidłowe: A wytrąca się lub zamarza z dala od B, gdy temperatura spada. Wszystko A wytrąci się, gdy nie pozostanie z niego nic rozpuszczonego w B; co jest tym samym, co powiedzenie, że A całkowicie zamarznie.

Jednak wygodniej jest traktować zjawisko z punktu widzenia zamarzania. A zatem A zamarza najpierw, ponieważ ma niższą temperaturę zamarzania, podczas gdy B będzie wymagać niższych temperatur.

W rzeczywistości jednak „lód A” składa się z ciała stałego o bogatszej kompozycji A niż B; ale B też tam jest. Dzieje się tak dlatego, że A + B jest mieszaniną jednorodną i dlatego część tej jednorodności jest przenoszona do zamrożonego ciała stałego.

Jak to obliczyć?

Jak można przewidzieć lub obliczyć punkt zamarzania substancji? Istnieją obliczenia fizykochemiczne, które pozwalają uzyskać przybliżoną wartość tego punktu pod innymi ciśnieniami (innymi niż 1atm, ciśnienie otoczenia).

Przepływają one jednak do entalpii topnienia (Δ_Fus); ponieważ fuzja jest procesem w przeciwnym kierunku niż zamrażanie.

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

Jak wspomniano w poprzedniej części: im wyższe stężenie zanieczyszczeń, tym większy spadek punktu zamarzania. Można to również powiedzieć w następujący sposób: im mniejszy ułamek molowy X ciała stałego w mieszaninie, tym zamarznie w niższej temperaturze.

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 gazu, która ma prawie uniwersalne zastosowanie. T jest normalną temperaturą krzepnięcia (przy ciśnieniu otoczenia), a T oznacza temperaturę, w której ciało stałe zamarznie w ułamku molowym X.

Z tego równania i po serii uproszczeń otrzymujemy następujące, lepiej znane:

ΔTc = K_Fm (2)

Gdzie m to molalność substancji rozpuszczonej lub zanieczyszczenia, a K_F jest stałą krioskopową rozpuszczalnika lub składnika ciekłego.

Przykłady

Poniżej znajduje się krótki opis zamrażania niektórych substancji.

Woda

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

Zależnie od ilości rozpuszczonej substancji rozpuszczonej ma ona różne molowe molości; a gdy wzrasta m, zmniejsza X, którego wartość można zastąpić w równaniu (1), a tym samym wyczyścić T.

Na przykład, jeśli włożysz szklankę wody do zamrażarki, a drugą do słodzonej wody (lub jakiegokolwiek napoju na bazie wody), szklanka wody zamarznie jako pierwsza. Dzieje się tak dlatego, że ich kryształy tworzą się szybciej bez zakłócenia cząsteczek glukozy, jonów lub innych gatunków.

To samo miałoby miejsce, gdyby szklankę wody morskiej umieszczono w zamrażarce. Teraz szklanka z wodą morską może najpierw zamarznąć, a może nie, ale szkło ze słodzoną wodą; różnica będzie zależeć od ilości substancji rozpuszczonej a nie jego chemiczny charakter.

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

Alkohol

Alkohole zamarzają w niższych temperaturach niż woda płynna. Na przykład etanol zamarza około -114 ° C Jeśli zostanie zmieszany z wodą i innymi składnikami, nastąpi wzrost punktu zamarzania.

Dlaczego? Ponieważ woda, substancja ciekła i mieszalna z alkoholem zamarza w znacznie wyższej temperaturze (0ºC).

Wracając do lodówki z szklankami z wodą, jeśli tym razem wejdziesz do lodówki z napojem alkoholowym, będzie to ostatni zamrożenie. Im wyższy stopień etylowy, tym zamrażarka powinna go schłodzić, aby zamrozić napój. Z tego powodu napoje takie jak tequila są trudniejsze do zamrożenia.

Mleko

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

Te składniki bardziej rozpuszczalne w wodzie to te, które określają, jak bardzo zmieni się ich temperatura zamarzania w kompozycji.

Przeciętnie mleko jest zamrożone w temperaturze około -0,54ºC, ale waha się od -0,50 do -0,56 w zależności od procentowej zawartości wody. Więc możesz wiedzieć, czy mleko zostało zafałszowane. I jak widać, szklanka mleka zamarznie prawie na równi ze szklanką wody.

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

Merkury

Rtęć jest jedynym metalem w postaci płynnej w temperaturze pokojowej. Aby ją zamrozić, należy obniżyć temperaturę do -38,83 ° C; i tym razem unikniesz pomysłu wylania go do szklanki i włożenia do zamrażarki, ponieważ może to doprowadzić do strasznych wypadków.

Pamiętaj, że rtęć zamarza przed alkoholem. Może to być spowodowane faktem, że kryształ rtęci wibruje mniej, ponieważ składa się z atomów połączonych metalowymi wiązaniami; w etanolu są to cząsteczki CH₃CH₂OH względnie lekkie, które należy powoli pomieścić.

Benzyna

Ze wszystkich przykładów punktu zamarzania benzyna jest najbardziej złożona. Podobnie jak mleko, jest mieszaniną; ale jego podstawą nie jest woda, ale grupa kilku węglowodorów, z których każda ma własne cechy strukturalne. Niektóre małe cząsteczki i inne duże.

Te węglowodory o niższym ciśnieniu pary zamarzną jako pierwsze; podczas gdy pozostałe pozostaną płynne, nawet jeśli szklanka benzyny jest otoczona ciekłym azotem. Nie będzie właściwie tworzyć „lodu benzynowego”, ale żelu o żółto-zielonych odcieniach.

Aby całkowicie zamrozić benzynę, może być konieczne schłodzenie temperatury do -200 ° C. W tej temperaturze prawdopodobnie powstanie benzyna, ponieważ wszystkie składniki mieszaniny zamarzną; to znaczy nie będzie już fazy ciekłej w równowadze z ciałem stałym.

Referencje

1. Wydział Fizyki Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign. (2018). P & O: Zamrożenie benzyny. Źródło: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Zasady fizykochemii. (Szósta edycja). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Traktat fizykochemiczny. Aguilar S. A. de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madryt (Hiszpania).
4. Walter J. Moore. (1962). Chemia fizyczna (Czwarta edycja). Longmans.
5. Sibagropribor (2015). Określenie punktu zamarzania mleka. Źródło: sibagropribor.ru