Plik punkt zamarzania jest temperaturą, w której substancja doświadcza równowagi przejścia ciecz-ciało stałe. 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 wymagane, aby obserwować zamarzanie cieczy. Góry lodowe są jednym z najbardziej oczywistych przykładów zamarzniętych zbiorników wodnych. Podobnie, zjawisko to można monitorować w czasie rzeczywistym za pomocą kąpieli ciekłego azotu lub zwykłej zamrażarki..
Jaka jest różnica między zamrażaniem a krzepnięciem? Że pierwszy proces w dużym stopniu zależy od temperatury, czystości cieczy i stanowi równowagę termodynamiczną; podczas gdy druga jest bardziej związana ze zmianami w składzie chemicznym substancji, która zestala się, nawet nie będąc całkowicie płynną (pasta).
Dlatego zamrożenie jest zestaleniem; ale sytuacja odwrotna nie zawsze jest prawdą. Ponadto, aby odrzucić 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 zamarznięcia cieczy, gdy w wyniku spadku temperatury tworzy się faza stała. Ciśnienie również wpływa na tę właściwość fizyczną, chociaż jego wpływ jest mniejszy w cieczach o niskim ciśnieniu pary..
Indeks artykułów
Wraz ze spadkiem temperatury średnia energia kinetyczna cząsteczek maleje, przez co nieco zwalniają. W miarę jak poruszasz się wolniej w cieczy, dochodzi do punktu, w którym oddziałują 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”, 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.
Powyższy 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..
Mówi się o tym spadek temperatury zamarzania. Ponieważ jest więcej obcych cząsteczek lub, mówiąc bardziej poprawnie, zanieczyszczeń, ciecz będzie zamarzać w coraz niższych temperaturach..
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 przemiany 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 jest przenoszona na zamrożoną substancję stałą..
Jak możesz przewidzieć lub obliczyć temperaturę zamarzania substancji? Istnieją obliczenia fizykochemiczne, które pozwalają uzyskać przybliżoną wartość tego punktu przy innych ciśnieniach (innych niż 1 atm, ciśnienie otoczenia).
Jednak prowadzą one do entalpii fuzji (ΔFus); ponieważ fuzja jest procesem w przeciwnym kierunku zamrażania.
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..
Poniższe równanie wyraża i podsumowuje wszystko, co zostało powiedziane:
LnX = - (ΔFus/ 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, co następuje:
ΔTc = K.fam (2)
Gdzie m jest molalnością substancji rozpuszczonej lub nieczystości, a Kfa jest stałą krioskopową rozpuszczalnika lub składnika ciekłego.
Krótki opis zamrażania niektórych substancji zostanie podany poniżej.
Woda zamarza w okolicach 0ºC. Jednak wartość ta może się zmniejszyć, jeśli zawiera rozpuszczoną w niej substancję rozpuszczoną; powiedzmy, 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 obliczyć 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. Teraz szklanka wody morskiej może być zamrożona jako pierwsza lub nie, niż szklanka wody słodzonej; różnica będzie zależeć od ilości substancji rozpuszczonej a nie z natury chemicznej.
Z tego powodu spadek Tc (temperatura zamarzania) jest właściwością koligatywną.
Alkohole zamarzają w niższych temperaturach niż woda w stanie ciekłym. Na przykład etanol zamarza w temperaturze około -114 ° C. Jeśli zostanie zmieszany z wodą i innymi składnikami, nastąpi wzrost temperatury krzepnięcia..
Dlaczego? Ponieważ woda, płynna substancja mieszająca się z alkoholem, zamarza w znacznie wyższej temperaturze (0ºC).
Wracając do lodówki ze szklankami z wodą, jeśli tym razem zostanie wprowadzony napój alkoholowy, będzie to ostatni do zamrożenia. Im wyższa klasa etylowa, zamrażarka będzie musiała dalej chłodzić, aby zamrozić napój. Z tego powodu napoje takie jak tequila są trudniejsze do zamrożenia..
Mleko to substancja na bazie wody, w której oprócz innych lipoprotein rozproszony jest tłuszcz wraz z laktozą i fosforanami wapnia..
Te składniki, które są bardziej rozpuszczalne w wodzie, to te, które 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 zafałszowane. 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 jest jedynym metalem występującym w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej. Aby go zamrozić należy obniżyć temperaturę do -38,83ºC; i tym razem ominie się pomysł przelania go do szklanki i włożenia do zamrażarki, bo może to doprowadzić do strasznych wypadków.
Zwróć uwagę, że rtęć zamarza przed alkoholem. Może to wynikać z faktu, że kryształ rtęci wibruje mniej, ponieważ składa się z atomów połączonych metalowymi wiązaniami; podczas gdy w etanolu są cząsteczkami CH3CHdwaStosunkowo lekki OH, który musi się powoli osiadać.
Ze wszystkich przykładów temperatur zamarzania benzyna jest najbardziej złożona. Podobnie jak mleko, jest to mieszanka; ale jego podstawą nie jest woda, ale grupa różnych węglowodorów, z których każdy ma swoją 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.
Jeszcze bez komentarzy