ТОЧКА ЗАМЕРЗАННЯ: ЯК ЇЇ ОБЧИСЛИТИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Температура замерзання - це температура, при якій речовина відчуває перехідну рівновагу рідина-тверда речовина. Що стосується речовини, то це може бути сполука, чистий елемент або суміш. Теоретично вся матерія замерзає, коли температура падає до абсолютного нуля (0К).

Однак екстремальних температур не потрібно спостерігати за замерзанням рідин. Айсберги - один з найбільш очевидних прикладів замерзлих водойм. Так само це явище можна відстежувати в режимі реального часу, використовуючи ванни з рідким азотом або використовуючи просту морозильну камеру.

Джерело: Pxhere

Яка різниця між заморожуванням і затвердінням? Що перший процес сильно залежить від температури, чистоти рідини і є термодинамічною рівновагою; а другий більше пов'язаний зі змінами хімічного складу речовини, яка твердне, навіть не будучи повністю рідкою (паста).

Тому заморожування - це твердіння; але зворотне не завжди відповідає дійсності. Крім того, щоб виключити термін затвердіння, має бути рідка фаза, що перебуває в рівновазі з твердим тією ж речовиною; айсберги роблять це: вони плавають на рідкій воді.

Таким чином, людина стикається із замерзанням рідини, коли утворюється тверда фаза як наслідок зниження температури. Тиск також впливає на цю фізичну властивість, хоча його вплив менший у рідинах з низьким тиском пари.

Що таке точка замерзання?

У міру зниження температури середня кінетична енергія молекул зменшується, і тому вони трохи сповільнюються. Коли ви проходите повільніше в рідині, настає момент, коли вони взаємодіють достатньо, щоб сформувати впорядкований розташування молекул; це перша тверда речовина, з якої виростуть більші кристали.

Якщо цього першого твердого тіла «зависає» занадто багато, тоді доведеться ще більше знижувати температуру, поки його молекули залишаться ще досить. Температура, при якій це досягається, відповідає температурі замерзання; звідти встановлюється рідина-тверда рівновага.

Попередній сценарій має місце для чистих речовин; але що робити, якщо їх немає?

У цьому випадку молекули першого твердого речовини повинні встигнути включити сторонні молекули. В результаті утворюється нечисте тверде речовина (або твердий розчин), який вимагає температури, нижчої за температуру замерзання для його утворення.

Тоді ми говоримо про опускання точки замерзання. Оскільки більше сторонніх молекул або, правильніше кажучи, домішок, рідина замерзне при нижчих і нижчих температурах.

Заморожування проти розчинності

Даючи суміш двох сполук, A і B, коли температура падає, A замерзає, а B залишається рідким.

Сценарій схожий на щойно пояснений. Частина A ще не застигла, і тому вона розчинена в B. Чи є тоді рівновага розчинності, про яку ми говоримо, а не перехід рідко-твердий?

Обидва описи є дійсними: A осад або замерзання, відокремлюючи від B у міру падіння температури. Все A випаде в осад, коли більше не буде розчинено його В; що це те саме, що говорити про те, що A застиг повністю.

Однак зручніше ставитися до явища з точки зору замерзання. Таким чином, A спочатку замерзає, оскільки має нижчу температуру замерзання, тоді як B потребуватимуть більш холодних температур.

Однак "лід А" насправді складається з твердого тіла, яке має багатший склад А, ніж В; але Б теж є. Це відбувається тому, що A + B є однорідною сумішшю, і тому частина цієї однорідності переноситься на замерзлу тверду речовину.

Як його обчислити?

Як можна передбачити або обчислити точку замерзання речовини? Існують фізико-хімічні розрахунки, які дозволяють отримати приблизне значення цієї точки під іншими тисками (крім 1атм, тиск навколишнього середовища).

Однак це призводить до ентальпії синтезу (Δ _Fus ); оскільки синтез - це процес, протилежний сенсу заморожування.

Крім того, експериментально легше визначити температуру плавлення речовини або суміші, ніж її температуру замерзання; Хоча вони можуть здаватися однаковими, вони виявляють певні відмінності.

Як було сказано в попередньому розділі: чим вища концентрація домішок, тим більше падіння точки замерзання. Це також можна сказати так: чим менша мольна частка X твердого речовини в суміші, тим нижче температура замерзне.

Рівняння зниження температури

Наступне рівняння виражає та узагальнює все сказане:

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

Де R - ідеальна константа газу, яка має майже універсальне використання. Tº - нормальна температура замерзання (при атмосферному тиску), а T - температура, при якій тверда речовина замерзне до мольної частки X.

З цього рівняння та після ряду спрощень виходить наступне, більш відоме:

ΔTc = K _F m (2)

Де m - молярність розчиненої речовини або домішки, а K _F - кріоскопічна константа розчинника або рідкого компонента.

Приклади

Короткий опис заморожування деяких речовин буде подано нижче.

Вода

Вода замерзає близько 0 ° C. Однак ця величина може зменшитися, якщо вона містить розчинений у ній розчин; сказати, сіль або цукор.

Залежно від кількості розчиненого розчиненого речовини існують різні молярності m; і в міру збільшення m зменшується X, значення якого можна замінити в рівняння (1) і таким чином вирішити для T.

Наприклад, якщо склянку з водою помістити в морозильну камеру, а іншу - з підсолодженою водою (або будь-яким напоєм на водній основі), склянка води спочатку замерзне. Це пояснюється тим, що його кристали утворюються швидше без порушення молекул, іонів глюкози та інших видів.

Те ж саме сталося б, якщо ви помістите склянку морської води в морозильну камеру. Тепер склянка морської води може бути або не може бути замороженою спочатку, ніж склянка підсолодженої води; різниця буде залежати від кількості розчиненого речовини, а не від його хімічної природи .

Саме з цієї причини зниження Tc (температура замерзання) є колізійною властивістю.

Алкоголь

Джерело: Pixabay

Спирти замерзають при більш холодних температурах, ніж рідка вода. Наприклад, етанол замерзає близько -114 ° C. Якщо змішати з водою та іншими інгредієнтами, навпаки відбудеться збільшення точки замерзання.

Чому? Оскільки вода, рідка речовина, сумішна з алкоголем, замерзає при набагато більшій температурі (0 ° C).

Повертаючись до холодильника зі склянками з водою, якщо цього разу вводиться один із алкогольним напоєм, це буде останнім, що замерзне. Чим вищий етиловий сорт, тим заморожувачем його потрібно буде додатково охолодити для заморозки напою. Саме з цієї причини такі напої, як текіла, важче заморожувати.

Молоко

Джерело: Pixabay

Молоко - це речовина на водній основі, в якій крім інших ліпопротеїнів жир диспергується разом з фосфатами лактози та кальцію.

Ті компоненти, які є більш розчинними у воді, визначають, наскільки змінюється її температура замерзання в залежності від складу.

У середньому молоко замерзає при температурі близько -0,54ºC, але воно коливається в межах від -0,50 до -0,56 в залежності від відсотка води. Таким чином, можна дізнатися, чи молоко було підроблене. І як бачите, склянка молока замерзне майже нарівні зі склянкою води.

Не все молоко замерзає при однаковій температурі, оскільки його склад також залежить від тваринного джерела.

Ртуть

Ртуть - єдиний метал, який знаходиться в рідкому вигляді при кімнатній температурі. Для його заморожування необхідно знизити температуру до -38,83ºC; І цього разу ідея налити її у склянку і помістити у морозилку буде уникнути, оскільки це може призвести до жахливих аварій.

Зверніть увагу, що ртуть замерзає перед алкоголем. Це може бути пов'язано з тим, що кристал ртуті вібрує менше, оскільки складається з атомів, пов'язаних металевими зв’язками; тоді як в етанолі вони відносно легкі молекули CH ₃ CH ₂ OH , які повинні розміщуватися повільно.

Бензин

З усіх прикладів точки замерзання бензин є найскладнішим. Як і молоко, воно є сумішшю; але його основа - це не вода, а група різних вуглеводнів, кожен зі своїми структурними характеристиками. Деякі дрібні молекули, а деякі великі.

Ті вуглеводні з нижчим тиском пари спочатку замерзнуть; а інші залишаться у рідкому стані, навіть якщо склянка бензину оточена рідким азотом. Він не буде правильно утворювати «бензиновий лід», а гель з жовто-зеленими тонами.

Щоб повністю заморозити бензин, може знадобитися охолодження температури до -200 ° C. При цій температурі ймовірно, що утвориться бензиновий лід, оскільки всі компоненти суміші замерзнуть; тобто більше не буде рідкої фази в рівновазі з твердим тілом.

Список літератури

1. Кафедра фізики, Університет Іллінойсу, Урбана-Шампейн. (2018). Питання та відповіді: Заморожування бензину. Відновлено з: van.physics.illinois.edu
2. Іра Н. Левін. (2014). Принципи фізикохімії. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Глазстоун. (1970). Фізико-хімічний договір. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38 років, Мадрид (Іспанія).
4. Вальтер Дж. Мур. (1962). Фізична хімія. (Четверте видання). Лонгмани.
5. Сібагроприбор. (2015). Визначення точки замерзання молока. Відновлено з: sibagropribor.ru
6. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (22 червня 2018 р.). Точка замерзання алкоголю. Відновлено з: thinkco.com