FRYSEPUNKT: HVORDAN MAN BEREGNER DET OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

Den frysepunktet er den temperatur, ved hvilken et stof oplever en væske-faststof overgang ligevægt. Når det kommer til stof, kan det være en forbindelse, et rent element eller en blanding. Teoretisk fryser al materie, når temperaturen falder til absolut nul (0K).

Ekstreme temperaturer er dog ikke nødvendige for at observere frysning af væsker. Isbjerge er et af de mest indlysende eksempler på frosne vandmasser. På samme måde kan fænomenet spores i realtid ved hjælp af bad med flydende nitrogen eller ved hjælp af en enkel fryser.

Kilde: Pxhere

Hvad er forskellen mellem frysning og størkning? At den første proces er meget afhængig af temperatur, væskens renhed og er en termodynamisk ligevægt; mens det andet er mere relateret til ændringer i den kemiske sammensætning af det stof, der størkner, selv uden at være helt flydende (en pasta).

Derfor er frysning en størkning; men det modsatte er ikke altid sandt. For at udelukke udtrykket størkning skal der desuden være en flydende fase i ligevægt med det faste stof af det samme stof; isbjerge gør dette: de flyder på flydende vand.

Man står således mod frysningen af ​​en væske, når der dannes en fast fase som en konsekvens af et fald i temperaturen. Tryk påvirker også denne fysiske egenskab, skønt dens virkninger er mindre i væsker med lavt damptryk.

Hvad er frysepunktet?

Når temperaturen falder, falder molekylernes gennemsnitlige kinetiske energi, og derfor bremser de lidt. Når du går langsommere i væsken, kommer der et punkt, hvor de interagerer nok til at danne et ordnet arrangement af molekyler; dette er det første faste stof, hvorfra større krystaller vil vokse.

Hvis dette første faste "vingler" for meget, vil det være nødvendigt at sænke temperaturen yderligere, indtil dens molekyler stadig forbliver nok. Den temperatur, hvormed dette opnås, svarer til frysepunktet; derfra etableres den flydende faste ligevægt.

Det foregående scenarie forekommer for rene stoffer; men hvad hvis de ikke er det?

I dette tilfælde skal molekylerne i det første faste stof klare at inkorporere de fremmede molekyler. Som et resultat dannes et uren fast stof (eller fast opløsning), som kræver en temperatur, der er lavere end frysepunktet for dens dannelse.

Vi taler derefter om sænkning af frysepunktet. Da der er flere fremmede molekyler, eller mere korrekt set urenheder, fryser væsken ved lavere og lavere temperaturer.

Frysning vs opløselighed

Givet en blanding af to forbindelser, A og B, når temperaturen falder, fryser A, mens B forbliver flydende.

Scenariet ligner det, der netop er blevet forklaret. En del af A er endnu ikke frosset og opløses derfor i B. Er det så opløselighedsbalancen, som vi snakker om snarere end en flydende-fast overgang?

Begge beskrivelser er gyldige: En udfældes eller fryser, der adskiller sig fra B, når temperaturen falder. Alle A vil være udfældet, når der ikke længere er noget af det opløst i B; hvilket er det samme som at sige, at A vil have frosset helt.

Imidlertid er det mere praktisk at behandle fænomenet med hensyn til frysning. Således fryser A først, fordi det har et lavere frysepunkt, mens B har brug for køligere temperaturer.

Imidlertid består "isen af ​​A" faktisk af et fast stof, der har en rigere sammensætning af A end B; men B er der også. Dette skyldes, at A + B er en homogen blanding, og derfor overføres noget af denne homogenitet til det frosne faste stof.

Hvordan beregnes det?

Hvordan kan du forudsige eller beregne frysepunktet for et stof? Der er fysisk-kemiske beregninger, der tillader opnåelse af en omtrentlig værdi af dette punkt under andre tryk (bortset fra 1 atm, omgivelsestrykket).

Disse fører imidlertid til entalpien af ​​fusion (Δ _Fus); da fusionen er processen i modsat betydning af frysningen.

Yderligere er det eksperimentelt lettere at bestemme et substans eller en blandings smeltepunkt end dets frysepunkt; Selvom de kan virke ens, viser de visse forskelle.

Som nævnt i det foregående afsnit: jo højere koncentration af urenheder, jo større er faldet i frysepunktet. Dette kan også siges som følger: jo lavere molfraktion X af det faste stof i blandingen er, jo lavere fryser temperaturen.

Ligning af temperaturfald

Følgende ligning udtrykker og opsummerer alt, hvad der er blevet sagt:

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

Hvor R er den ideelle gaskonstant, som næsten har universel brug. Tº er det normale frysepunkt (ved omgivelsestryk), og T er temperaturen, hvor det faste stof fryser til en molfraktion X.

Fra denne ligning og efter en række forenklinger opnås følgende, bedre kendt,:

ΔTc = K _F m (2)

Hvor m er molaliteten af ​​opløsningen eller urenheden, og _KF er den kryoskopiske konstant for opløsningsmidlet eller den flydende komponent.

eksempler

En kort beskrivelse af frysningen af ​​nogle stoffer vil blive givet nedenfor.

Vand

Vandet fryser omkring 0 ° C. Denne værdi kan dog falde, hvis den indeholder et opløst stof i det; at sige salt eller sukker.

Afhængig af mængden af ​​opløst opløst stof er der forskellige molaliteter m; og når m stiger, falder X, hvis værdi kan substitueres i ligning (1) og således løse for T.

For eksempel, hvis et glas med vand anbringes i en fryser, og et andet med sødet vand (eller enhver vandbaseret drink), fryser glasset først. Dette skyldes, at dets krystaller dannes hurtigere uden forstyrrelse af glukosemolekyler, ioner eller andre arter.

Det samme ville ske, hvis du lægger et glas havvand i fryseren. Nu kan glasset med havvand blive frosset først end glasset med sødet vand; forskellen afhænger af mængden af ​​opløst stof og ikke af dens kemiske karakter.

Det er af denne grund, at faldet i Tc (frysetemperatur) er en koligativ egenskab.

Alkohol

Kilde: Pixabay

Alkoholer fryser ved koldere temperaturer end flydende vand. For eksempel fryser ethanol omkring -114 ° C. Hvis det blandes med vand og andre ingredienser, vil der være en stigning i frysepunktet tværtimod.

Hvorfor? Fordi vand, et flydende stof, der er blandbart med alkohol, fryser ved en meget højere temperatur (0 ° C).

At vende tilbage til køleskabet med glassene vand, hvis denne gang en med en alkoholisk drik introduceres, vil dette være den sidste, der fryser. Jo højere ethylkvalitet, fryseren skal køle den yderligere for at fryse drikkevaren. Det er af denne grund, at drikkevarer som tequila er vanskeligere at fryse.

Mælk

Kilde: Pixabay

Mælk er et vandbaseret stof, hvori fedt spredes sammen med lactose og calciumphosphater ud over andre lipoproteiner.

De komponenter, der er mere opløselige i vand, bestemmer, hvor meget dens frysepunkt vil variere med sammensætningen.

I gennemsnit fryser mælken ved en temperatur omkring -0,54 ° C, men den varierer mellem -0,50 og -0,56 afhængigt af vandprocenten. Det er således muligt at vide, om mælken er blevet forfalsket. Og som du kan se, fryser et glas mælk næsten på niveau med et glas vand.

Ikke al mælk fryser ved den samme temperatur, da dens sammensætning også afhænger af dens dyrekilde.

Kviksølv

Kviksølv er det eneste metal, der er i flydende form ved stuetemperatur. For at fryse den, er det nødvendigt at sænke temperaturen til -38,83 ºC; Og denne gang undgås ideen om at hælde den i et glas og lægge den i en fryser, da det kan føre til forfærdelige ulykker.

Bemærk, at kviksølv fryser inden alkohol. Dette kan skyldes, at kviksølvkrystallen vibrerer mindre, da den består af atomer forbundet med metalliske bindinger; henviser i ethanol, de er relativt lette CH ₃ CH ₂ OH -molekyler, der skal rummes langsomt.

Benzin

Af alle eksempler på frysepunktet er benzin den mest komplekse. Som mælk er det en blanding; men dens base er ikke vand, men en gruppe af forskellige kulbrinter, hver med sine egne strukturelle egenskaber. Nogle af små molekyler og nogle store.

Disse kulbrinter med lavere damptryk fryser først; mens de andre forbliver flydende, selvom et glas benzin er omgivet af flydende nitrogen. Det vil ikke ordentligt danne en "benzinis", men en gel med gulgrønne toner.

For at fryse benzin helt, kan det være nødvendigt at afkøle temperaturen til -200 ºC. Ved denne temperatur er det sandsynligt, at der dannes benzin, da alle komponenter i blandingen er frosset; det vil sige, at der ikke længere vil være en flydende fase i ligevægt med et fast stof.

Referencer

1. Institut for Fysik, University of Illinois i Urbana-Champaign. (2018). Spørgsmål og svar: Benzinfrysning. Gendannes fra: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Principper for fysisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fysisk-kemisk traktat. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spanien).
4. Walter J. Moore. (1962). Fysisk kemi. (Fjerde udgave). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Bestemmelse af mælkets frysepunkt. Gendannes fra: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (22. juni 2018). Frysepunkt for alkohol. Gendannes fra: thoughtco.com