Точка замерзання в тому, що вона складається, як її розрахувати і приклади



The Точка замерзання - температура, при якій речовина зазнає рівновагу переходу рідина-тверда речовина. Говорячи про речовину, це може бути сполука, чистий елемент або суміш. Теоретично вся матерія замерзає, коли температура знижується до абсолютного нуля (0K).

Проте екстремальні температури не є необхідними для спостереження замерзання рідин. Айсберги є одним з найбільш очевидних прикладів заморожених водойм. Крім того, це явище може слідувати в реальному часі рідкими азотними ваннами або за допомогою простого морозильника.

У чому різниця між заморожуванням і затвердінням? Те, що перший процес сильно залежить від температури, від чистоти рідини, і є термодинамічною рівновагою; другий - більше пов'язаний зі змінами хімічного складу речовини, що застигає, навіть не будучи повністю рідким (паста).

Отже, заморожування - це затвердіння; але протилежне не завжди вірно. Крім того, щоб відкинути термін затвердіння, має бути рівноважна рідка фаза з твердим речовиною того ж речовини; айсберги дотримуються цього: вони плавають на рідкій воді.

Таким чином, стоїть перед заморожуванням рідини, коли утворюється тверда фаза внаслідок падіння температури. Тиск також впливає на цю фізичну властивість, хоча його вплив є нижчим у рідинах з низьким тиском парів.

Індекс

  • 1 Яка точка замерзання??
    • 1.1 Заморожування проти розчинності
  • 2 Як розрахувати?
    • 2.1 Рівняння падіння температури
  • 3 Приклади
    • 3.1 Вода
    • 3.2 Спирт
    • 3.3 Молоко
    • 3.4 Ртуть
    • 3.5 Бензин
  • 4 Посилання

Яка точка замерзання??

При зниженні температури середня кінетична енергія молекул зменшується, і тому вони трохи уповільнюються. Оскільки вони проходять повільніше в рідині, настає точка, де вони взаємодіють достатньо, щоб утворити впорядковане розташування молекули; це перше тверде тіло, з якого будуть рости великі кристали.

Якщо це перше тверде "коливання" занадто багато, то необхідно буде знизити температуру далі, поки його молекули не залишаться досить тихими. Температура, при якій це досягається, відповідає точці замерзання; звідси встановлюється рівновага рідини-твердого тіла.

Попередній сценарій відбувається для чистих речовин; але що, якщо вони не є?

У цьому випадку молекули першого твердого речовини повинні встигнути включити сторонні молекули. В результаті утворюється нечисте тверде (або твердий розчин), що потребує більш низьку температуру, ніж точка замерзання для її формування.

Мова йде про Крапля точки замерзання. До тих пір, поки існує більше сторонніх молекул, або, більш правильно кажучи, домішок, рідина буде замерзати при більш низьких температурах.

Заморожування проти розчинності

Дана суміш двох сполук А і В, коли температура падає, А замерзає, а В залишається рідкою.

Сценарій подібний до того, що було просто пояснено. Частина А ще не замерзла і тому розчиняється в Б. Чи обговорюється рівновага розчинності більше, ніж рідина-твердий перехід??

Обидва опису є допустимими: A осідає або замерзає від B, коли температура падає. Всі А будуть випадати, коли нічого не залишиться від нього, розчиненого в Б; це те саме, що й сказати, що А повністю заморозиться.

Однак більш зручно трактувати явище з точки зору заморожування. Таким чином, A замерзає спочатку, оскільки має нижчу точку замерзання, тоді як B потребуватиме більш низьких температур.

Однак насправді "лід А" складається з твердого тіла, яке має більш багату композицію А, ніж В; але B є також там. Це пояснюється тим, що A + B є однорідною сумішшю, і тому частина цієї однорідності переноситься на заморожений твердий матеріал.

Як його розрахувати?

Як можна передбачити або обчислити температуру замерзання речовини? Існують фізико-хімічні розрахунки, які дозволяють отримати приблизну величину зазначеної точки при інших тисках (відмінних від 1атм, тиску навколишнього середовища).

Однак ці потоки перетікають в ентальпію плавлення (ΔFus); оскільки злиття є процесом в протилежному напрямку заморожування.

Крім того, експериментально простіше визначити точку плавлення речовини або суміші, ніж її температуру замерзання; Хоча вони можуть здаватися такими ж, вони показують певні відмінності.

Як згадувалося в попередньому розділі: чим вище концентрація домішок, тим більше падіння в точці замерзання. Це також можна сказати наступним чином: чим менше молярна фракція X твердої речовини в суміші, вона буде заморожуватися при більш низькій температурі..

Рівняння падіння температури

Наступне рівняння виражає і підсумовує все, що було сказано:

LnX = - (ΔFus/ R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Де R - ідеальна газова константа, яка має майже універсальне застосування. Tº - нормальна точка замерзання (при тиску навколишнього середовища), і T - температура, при якій тверде речовина буде замерзати при молярній фракції X.

З цього рівняння і після серії спрощень ми отримаємо наступне, більш відоме: \ t

ΔTc = KFм (2)

Де m - молярність розчиненої речовини або домішки, і KF являє собою кріоскопічну константу розчинника або рідкого компонента.

Приклади

Нижче наводиться короткий опис заморожування деяких речовин.

Вода

Вода замерзає близько 0ºC. Однак ця величина може зменшуватися, якщо вона містить розчинену в ній розчинену речовину; сказати, сіль або цукор.

Залежно від кількості розчиненої речовини вона має різні м-моляльности; і при збільшенні m, зменшується X, значення якого можна замінити в рівнянні (1) і, таким чином, очистити T.

Наприклад, якщо ви помістіть склянку води в морозильну камеру, а іншу - з підсолодженою водою (або будь-яким напоєм на водній основі), склянка води спочатку замерзне. Це відбувається тому, що їх кристали утворюються швидше без порушення молекул глюкози, іонів або інших видів.

Те ж саме станеться, якщо склянку морської води помістити в морозильну камеру. Тепер скло з морською водою може або не може замерзнути першим, ніж скло з підсолодженою водою; різниця буде залежати від кількості розчиненої речовини а не його хімічна природа.

Саме тому зменшення Tc (температура замерзання) є колігативною властивістю.

Алкоголь

Спирти заморожують при більш низькій температурі, ніж рідка вода. Наприклад, етанол замерзає близько -114 ° С. Якщо вона змішана з водою та іншими інгредієнтами, то відбудеться збільшення температури замерзання.

Чому? Оскільки вода, рідка речовина і змішується з алкоголем, замерзає при набагато більш високій температурі (0ºC).

Повертаючись до холодильника зі склянками з водою, якщо на цей раз ви введете один з алкогольним напоєм, це буде останнім, що заморозиться. Чим вище етиловий сорт, тим більше слід охолодити морозильник, щоб заморозити напій. Саме тому напої, як текіла, важче заморозити.

Молоко

Молоко є речовиною на водній основі, в якій жир розсіюється разом з лактозою та фосфатами кальцію, на додаток до інших ліпопротеїнів.

Ті компоненти, більш розчинні у воді, є такими, що визначають, наскільки сильно змінюватиметься точка замерзання з композицією.

У середньому, молоко заморожується при температурі близько -0,54ºC, але коливається в межах від -0,50 до -0,56 залежно від відсотка води. Отже, ви можете знати, чи було молоко фальсифікованим. А як бачите, склянка молока замерзне майже нарівні зі склянкою води.

Не все молоко замерзає при тій же температурі, тому що його склад також залежить від його тваринного джерела.

Ртуть

Ртуть - єдиний метал, який знаходиться в рідкій формі при кімнатній температурі. Для його заморожування необхідно знизити температуру до -38,83ºC; і на цей раз ви уникнете ідеї залити його в склянку і покласти в морозильник, оскільки це може призвести до жахливих нещасних випадків.

Зверніть увагу, що ртуть замерзає перед вживанням алкоголю. Це може бути пов'язано з тим, що кристал ртуті менше вібрує, оскільки він складається з атомів, пов'язаних металевими зв'язками; в той час як в етанолі вони є молекулами СН3CH2OH відносно світло, яке необхідно розміщувати повільно.

Бензин

З усіх прикладів температури замерзання бензин є найбільш складним. Як і молоко, це суміш; але його основа не є водою, а групою з декількох вуглеводнів, кожна зі своїми власними структурними характеристиками. Деякі невеликі молекули та інші великі.

Ті вуглеводні з меншим тиском парів спочатку замерзнуть; інші залишаться рідкими, навіть якщо скло бензину оточує рідкий азот. Він не буде правильно формувати "бензиновий лід", а гель з жовто-зеленими тонами.

Щоб повністю заморозити бензин, може бути необхідно охолодити температуру до -200ºC. При цій температурі ймовірно, що бензин буде формуватися, тому що всі компоненти суміші будуть заморожені; тобто, більше не буде рідкої фази в рівновазі з твердою речовиною.

Список літератури

  1. Фізичний факультет Університету Іллінойсу в Урбані-Шампейн. (2018). Q & A: Замерзання бензину. Отримано з: van.physics.illinois.edu
  2. Іва Левіна. (2014). Принципи фізико-хімії. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
  3. Glasstone. (1970). Договір фізико-хімії. Aguilar S. A. de Ediciones, Хуан Браво, 38, Мадрид (Іспанія).
  4. Вальтер Дж. Мур. (1962). Фізична хімія (Четверте видання). Лонгманс.
  5. Сибагроприбор (2015). Визначення точки замерзання молока. Отримано з: sibagropribor.ru