FRYSEPUNKT: HVORDAN BEREGNE DET OG EKSEMPLER - KJEMI - 2026

Den frysepunktet er den temperatur ved hvilken en substans opplever en væske-fast-overgang likevekt. Når det gjelder stoff, kan det være en forbindelse, et rent element eller en blanding. Teoretisk fryser all materie når temperaturen synker til absolutt null (0K).

Ekstreme temperaturer er imidlertid ikke nødvendig for å observere frysing av væsker. Isfjell er et av de mest åpenbare eksemplene på frosne vannmasser. På samme måte kan fenomenet spores i sanntid ved bruk av flytende nitrogenbad, eller ved bruk av en enkel fryser.

Kilde: Pxhere

Hva er forskjellen mellom frysing og størkning? At den første prosessen er sterkt avhengig av temperatur, av væskens renhet, og er en termodynamisk likevekt; mens den andre er mer relatert til endringer i den kjemiske sammensetningen av stoffet som stivner, selv uten å være helt flytende (en pasta).

Derfor er en frysing en størkning; men det motsatte er ikke alltid sant. For å utelukke begrepet størkning må det dessuten være en flytende fase i likevekt med det faste stoffet av samme stoff; isfjell gjør dette: de flyter på flytende vann.

Man vender således mot frysing av en væske når det dannes en fast fase som en konsekvens av et fall i temperaturen. Trykk påvirker også denne fysiske egenskapen, selv om effekten av den er mindre i væsker med lavt damptrykk.

Hva er frysepunktet?

Når temperaturen synker, reduseres molekylenes gjennomsnittlige kinetiske energi, og derfor bremser de litt. Når du går saktere i væsken, kommer det et punkt hvor de samhandler nok til å danne et ordnet arrangement av molekyler; dette er det første faste stoffet, hvorfra større krystaller vil vokse.

Hvis dette første faste "vingler" for mye, vil det være nødvendig å senke temperaturen ytterligere til dens molekyler forblir nok. Temperaturen hvor dette oppnås tilsvarer frysepunktet; derfra etableres den flytende-faste likevekten.

Det forrige scenariet forekommer for rene stoffer; men hva om de ikke er det?

I så fall må molekylene i det første faste stoffet klare å innlemme de fremmede molekylene. Som et resultat dannes et uren fast stoff (eller fast løsning), som krever en temperatur lavere enn frysepunktet for dannelse av det.

Vi snakker da om nedstigningen til frysepunktet. Etter hvert som det er flere fremmede molekyler, eller mer korrekt sett urenheter, fryser væsken ved lavere og lavere temperaturer.

Frysing vs løselighet

Gitt en blanding av to forbindelser, A og B, når temperaturen synker, fryser A, mens B forblir flytende.

Scenariet ligner det som nettopp er blitt forklart. En del av A har ennå ikke frosset, og er derfor oppløst i B. Er det da løselighetsbalansen vi snakker om snarere enn en flytende-fast overgang?

Begge beskrivelsene er gyldige: En utfeller eller fryser, skiller seg fra B når temperaturen synker. Alle A vil ha utfelt når det ikke lenger er noe av det oppløst i B; som er det samme som å si at A vil ha frosset helt.

Imidlertid er det mer praktisk å behandle fenomenet med tanke på frysing. Dermed fryser A først fordi den har et lavere frysepunkt, mens B vil trenge kjøligere temperaturer.

Imidlertid består "isen av A" faktisk av et fast stoff som har en rikere sammensetning av A enn B; men B er der også. Dette er fordi A + B er en homogen blanding, og derfor overføres noe av den homogeniteten til det frosne faste stoffet.

Hvordan beregne det?

Hvordan kan du forutsi eller beregne frysepunktet til et stoff? Det er fysisk-kjemiske beregninger som gjør det mulig å oppnå en omtrentlig verdi av dette punktet under andre trykk (annet enn 1 atm, omgivelsestrykket).

Imidlertid fører disse til entalpien av fusjon (Δ _Fus ); siden fusjonen er prosessen i motsatt betydning av frysing.

Videre er det eksperimentelt lettere å bestemme smeltepunktet for et stoff eller en blanding enn frysepunktet; Selv om de kan virke like, viser de visse forskjeller.

Som nevnt i forrige seksjon: jo høyere konsentrasjon av urenheter, desto større er fallet i frysepunktet. Dette kan også sies som følger: jo lavere molfraksjon X av det faste stoffet i blandingen, jo lavere fryser temperaturen.

Ligning av temperaturfall

Følgende ligning uttrykker og oppsummerer alt som er blitt sagt:

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

Hvor R er den ideelle gasskonstanten, som har nesten universell bruk. Tº er det normale frysepunktet (ved omgivelsestrykk), og T er temperaturen hvor faststoffet vil fryse til en molfraksjon X.

Fra denne ligningen, og etter en rekke forenklinger, oppnås følgende, bedre kjent:

ΔTc = K _F m (2)

Hvor m er den molaritet av den oppløste substans eller urenhet, og K _F er den kryoskopiske konstanten for den oppløsningsmiddel eller væskekomponent.

eksempler

En kort beskrivelse av frysing av noen stoffer vil bli gitt nedenfor.

Vann

Vannet fryser rundt 0ºC. Imidlertid kan denne verdien avta hvis den inneholder et løst stoff oppløst i det; å si, salt eller sukker.

Avhengig av mengden oppløst stoff er det forskjellige molaliteter m; og når m øker, avtar X, hvis verdi kan erstattes i ligning (1) og dermed løse for T.

For eksempel, hvis et glass med vann plasseres i en fryser, og et annet med søtet vann (eller en hvilken som helst vannbasert drink), fryser glasset vann først. Dette er fordi krystallene dannes raskere uten forstyrrelse av glukosemolekyler, ioner eller andre arter.

Det samme vil skje hvis du legger et glass sjøvann i fryseren. Nå kan glasset med sjøvann fryses først enn glasset med søtet vann; forskjellen vil avhenge av mengden løst stoff og ikke av dens kjemiske natur .

Det er av denne grunn at reduksjonen i Tc (frysetemperatur) er en kolligativ egenskap.

Alkohol

Kilde: Pixabay

Alkoholer fryser ved kaldere temperaturer enn flytende vann. For eksempel fryser etanol rundt -114 ° C. Hvis det blandes med vann og andre ingredienser, vil det være en økning i frysepunktet tvert imot.

Hvorfor? Fordi vann, et flytende stoff som er blandbart med alkohol, fryser ved en mye høyere temperatur (0 ºC).

Gå tilbake til kjøleskapet med glassene vann, hvis denne denne gangen blir introdusert med en alkoholholdig drikk, vil dette være den siste som fryser. Jo høyere etylklasse, fryseren må avkjøle den ytterligere for å fryse drikken. Det er av denne grunn at drinker som tequila er vanskeligere å fryse.

Melk

Kilde: Pixabay

Melk er et vannbasert stoff, der fett er spredt sammen med laktose og kalsiumfosfater, i tillegg til andre lipoproteiner.

De komponentene som er mer løselige i vann, bestemmer hvor mye frysepunktet vil variere med sammensetningen.

I gjennomsnitt fryser melk ved en temperatur rundt -0,54ºC, men den varierer mellom -0,50 og -0,56 avhengig av vannprosenten. Dermed er det mulig å vite om melken er blitt forfalsket. Og som du kan se, vil et glass melk fryse nesten på nivå med et glass vann.

Ikke all melk fryser ved samme temperatur, da sammensetningen også avhenger av dens dyrekilde.

Mercury

Kvikksølv er det eneste metallet som er i flytende form ved romtemperatur. For å fryse den, er det nødvendig å senke temperaturen til -38,83 ºC; Og denne gangen vil ideen om å helle det i et glass og sette den i en fryser unngås, da det kan føre til forferdelige ulykker.

Merk at kvikksølv fryser før alkohol. Dette kan skyldes det faktum at kvikksølvkrystallen vibrerer mindre ettersom den består av atomer forbundet med metalliske bindinger; mens i etanol, er de forholdsvis lett CH ₃ CH _2- OH- molekyler som må opptas langsomt.

Bensin

Av alle frysepunkteksemplene er bensin det mest komplekse. Som melk er det en blanding; men basen er ikke vann, men en gruppe forskjellige hydrokarboner, hver med sine strukturelle egenskaper. Noen av små molekyler, og noen store.

De hydrokarboner med lavere damptrykk fryser først; mens de andre vil forbli i flytende tilstand, selv om et glass bensin er omgitt av flytende nitrogen. Den vil ikke ordentlig danne en "bensin-is", men en gel med gulgrønne toner.

For å fryse bensin fullstendig, kan det være nødvendig å kjøle temperaturen ned til -200 ºC. Ved denne temperaturen er det sannsynlig at det vil danne bensin-is, da alle komponenter i blandingen har frosset; det vil si at det ikke lenger vil være en flytende fase i likevekt med et fast stoff.

referanser

1. Institutt for fysikk, University of Illinois i Urbana-Champaign. (2018). Spørsmål og svar: Bensinfrysing. Gjenopprettet fra: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Prinsipper for fysisk kjemi. (Sjette utgave). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fysisk-kjemisk traktat. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spania).
4. Walter J. Moore. (1962). Fysisk kjemi. (Fjerde utgave). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Bestemmelse av frysepunktet til melk. Gjenopprettet fra: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. juni 2018). Frysepunktet for alkohol. Gjenopprettet fra: thoughtco.com