TOČKA SMRZAVANJA: KAKO TO IZRAČUNATI I PRIMJERI - KEMIJA - 2024

Točka ledišta je temperatura pri kojoj tvar doživljava prijelaznu ravnotežu tekućina-kruta. Kada je riječ o supstanci, to može biti spoj, čisti element ili smjesa. Teoretski, sva se materija smrzava kako temperatura pada na apsolutnu nulu (0K).

Međutim, ekstremne temperature nisu potrebne za promatranje smrzavanja tekućina. Icebergs su jedan od najočitijih primjera smrznutih vodnih tijela. Isto tako, fenomen se može pratiti u stvarnom vremenu pomoću kupki s tekućim dušikom ili korištenjem jednostavnog zamrzivača.

Izvor: Pxhere

Koja je razlika između smrzavanja i skrućivanja? Da je prvi postupak uvelike ovisan o temperaturi, čistoći tekućine, i da je termodinamička ravnoteža; dok je druga više povezana s promjenama kemijskog sastava tvari koja očvrsne, čak i bez potpune tekućine (paste).

Stoga je zamrzavanje otvrdnjavanje; ali obrnuto nije uvijek točno. Nadalje, da bi se isključio izraz skrućivanja, mora postojati tekuća faza ravnoteža s krutinom iste tvari; ledene brijeg to rade: lebde na tekućoj vodi.

Stoga se čovjek suočava sa smrzavanjem tekućine kada se formira kruta faza kao posljedica pada temperature. Tlak također utječe na ovo fizičko svojstvo, iako su njegovi učinci manji u tekućinama s niskim tlakom pare.

Što je točka smrzavanja?

Kako temperatura pada, prosječna kinetička energija molekula se smanjuje i zato oni malo usporavaju. Kako idete sporije u tekućinu, dolazi do točke kada oni međusobno djeluju dovoljno da formiraju poredani raspored molekula; ovo je prva kruta tvar iz koje će izrasti veći kristali.

Ako se ovo prvo čvrsto "zamahne" previše, tada će biti potrebno još više spustiti temperaturu dok njegove molekule ne ostanu dovoljno. Temperatura na kojoj se to postiže odgovara točki smrzavanja; odatle se uspostavlja ravnoteža tekućina-kruta.

Prethodni scenarij događa se za čiste tvari; ali što ako nisu?

U tom slučaju, molekule prve krute tvari moraju uspjeti ugraditi strane molekule. Kao rezultat, nastaje nečista kruta tvar (ili kruta otopina), kojoj je potrebna temperatura niža od točke smrzavanja.

Tada govorimo o spuštanju točke smrzavanja. Kako ima više stranih molekula, ili točnije nečistoća, tekućina će se smrzavati na nižim i nižim temperaturama.

Zamrzavanje vs topivost

S obzirom na mješavinu dva spoja, A i B, kako temperatura pada, A zamrzava, dok B ostaje tekuć.

Scenarij je sličan onome što je upravo objašnjeno. Dio A se još nije smrznuo i zbog toga je otopljen u B. Da li je to tada ravnoteža topljivosti o kojoj govorimo, a ne prijelaz tekućina-kruta?

Oba opisa su važeća: A talog ili zamrzava, odvajajući se od B kao temperatura. Sve A će se istaložiti kad više ne bude otopljeno u B; što je isto što i reći da će se A potpuno smrznuti.

Međutim, zgodnije je tretirati pojavu s gledišta smrzavanja. Dakle, A prvo se smrzava, jer ima nižu točku smrzavanja, dok će B trebati hladnije temperature.

Međutim, "led A" se zapravo sastoji od krute tvari koja ima bogatiji sastav od A nego B; ali i B je tu. To je zato što je A + B homogena smjesa, i zbog toga se dio te homogenosti prenosi na smrznutu krutinu.

Kako to izračunati?

Kako možete predvidjeti ili izračunati točku smrzavanja neke tvari? Postoje fizikalno-kemijska izračunavanja koja omogućuju dobivanje približne vrijednosti ove točke pod drugim pritiscima (osim 1atm, okolnog tlaka).

Međutim, to vodi do entalpije fuzije (Δ _Fus); budući da je fuzija proces u suprotnom smislu zamrzavanja.

Nadalje, eksperimentalno je lakše odrediti talište neke tvari ili smjese nego njezinu točku smrzavanja; Iako se mogu činiti isto, pokazuju određene razlike.

Kao što je spomenuto u prethodnom odjeljku: što je veća koncentracija nečistoće, to je veći pad točke smrzavanja. To se može reći i na sljedeći način: što je manji udio krutine X u krutini, niža će se temperatura smrznuti.

Jednadžba smanjenja temperature

Sljedeća jednadžba izražava i sažima sve što je rečeno:

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

Gdje je R idealna konstanta plina, koja ima gotovo univerzalnu upotrebu. Tº je normalna točka smrzavanja (pri sobnom tlaku), a T je temperatura pri kojoj će se krutina smrznuti do molnog udjela X.

Iz ove jednadžbe i nakon niza pojednostavljenja dobiva se sljedeće, bolje poznato:

ΔTc = K _F m (2)

Gdje je m molalnost rastvora ili nečistoće, a K _F je kriokopska konstanta otapala ili tekuće komponente.

Primjeri

U nastavku će biti dat kratak opis zamrzavanja nekih tvari.

Voda

Voda smrzava oko 0 ° C. Međutim, ova vrijednost može se smanjiti ako sadrži u sebi otopljenu otopinu; reći, sol ili šećer.

Ovisno o količini otopljenog rastvora, postoje različite molalnosti m; a kako se m povećava, X opada, čija se vrijednost može zamijeniti u jednadžbi (1) i tako riješiti za T.

Na primjer, ako se čaša vode stavi u zamrzivač, a druga s zaslađenom vodom (ili bilo kojim pićem na bazi vode), čaša vode prvo će se zamrznuti. To je zato što se njegovi kristali formiraju brže bez poremećaja molekula glukoze, iona ili drugih vrsta.

Isto bi se dogodilo ako stavite čašu morske vode u zamrzivač. Sada čaša morske vode može ili ne mora biti prvo zamrznuta nego čaša zaslađene vode; razlika će ovisiti o količini rastvora a ne o njegovoj kemijskoj prirodi.

Iz tog razloga je smanjenje Tc (temperatura smrzavanja) koligativno svojstvo.

Alkohol

Izvor: Pixabay

Alkoholi se smrzavaju na hladnijim temperaturama od tekuće vode. Na primjer, etanol se smrzava oko -114 ° C. Ako se pomiješa s vodom i drugim sastojcima, naprotiv, doći će do povećanja točke smrzavanja.

Zašto? Budući da se voda, tekuća tvar koja se može pomiješati s alkoholom, smrzava se na znatno višoj temperaturi (0 ° C).

Vraćajući se do hladnjaka s čašama vode, ako se ovaj put unese jedna s alkoholnim pićem, ovo će se posljednje smrznuti. Što je viša etilna klasa, zamrzivač će je morati dodatno ohladiti da bi napitak zamrznuo. Upravo je iz tog razloga pića poput tekile teže zamrznuti.

Mlijeko

Izvor: Pixabay

Mlijeko je tvar na vodenoj osnovi u kojoj se osim drugih lipoproteina raspršuje masnoća zajedno sa laktoznim i kalcijevim fosfatima.

Oni sastojci koji su topljiviji u vodi određuju kolika će se tačka smrzavanja razlikovati u sastavu.

U prosjeku, mlijeko se smrzava na temperaturi oko -0,54 ° C, ali se kreće između -0,50 i -0,56, ovisno o postotku vode. Dakle, moguće je znati je li mlijeko obogaćeno. I kao što vidite, čaša mlijeka će se smrznuti gotovo uporedo sa čašom vode.

Ne zamrzava se sve mlijeko na istoj temperaturi, jer njegov sastav ovisi i o njegovom životinjskom izvoru.

Merkur

Merkur je jedini metal koji je u tekućem obliku na sobnoj temperaturi. Da biste ga zamrznuli, potrebno je sniziti temperaturu na -38,83ºC; I ovaj put će se izbjeći ideja da ga natočite u čašu i stavite u zamrzivač, jer bi to moglo dovesti do strašnih nesreća.

Imajte na umu da se živa smrzava prije alkohola. To može biti zbog činjenice da kristal žive manje vibrira jer se sastoji od atoma povezanih metalnim vezama; dok je u etanolu, oni su relativno lakog CH ₃ CH ₂ OH molekule koje mora polako.

Benzin

Od svih primjera točke smrzavanja, benzin je najsloženiji. Kao i mlijeko, to je mješavina; ali njegova baza nije voda, već skupina raznih ugljikovodika, svaki sa svojim strukturnim karakteristikama. Neke male molekule, a neke velike.

Oni ugljikovodici s nižim tlakom pare prvo će se smrznuti; dok će ostali ostati u tekućem stanju, čak i ako čaša benzina bude okružena tekućim dušikom. Neće pravilno formirati "benzinski led", već gel sa žuto-zelenim tonovima.

Da biste potpuno smrznuli benzin, možda će biti potrebno da se temperatura ohladi na -200 ° C. Pri toj je temperaturi vjerojatno da će se formirati benzinski led, jer će se sve komponente smjese smrznuti; to jest, više neće postojati tekuća faza u ravnoteži s krutinom.

Reference

1. Odjel za fiziku, Sveučilište Illinois, Urbana-Champaign. (2018.). Pitanja i odgovori: Zamrzavanje benzina. Oporavak od: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Načela fizikohemije. (Šesto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fizikalno-kemijski ugovor. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Španjolska).
4. Walter J. Moore. (1962). Fizička kemija. (Četvrto izdanje). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Određivanje točke smrzavanja mlijeka. Oporavak od: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (22. lipnja 2018.). Točka smrzavanja alkohola. Oporavilo od: misel.com