ТЕМПЕРАТУРА ЗАМЕРЗАНИЯ: КАК РАССЧИТАТЬ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026

Точка замерзания - это температура, при которой вещество находится в состоянии равновесия перехода жидкость-твердое тело. Что касается вещества, это может быть соединение, чистый элемент или смесь. Теоретически все вещество замерзает, когда температура падает до абсолютного нуля (0K).

Однако при замерзании жидкостей не требуется экстремальных температур. Айсберги - один из самых очевидных примеров замерзших водоемов. Аналогичным образом, это явление можно отслеживать в реальном времени с помощью ванн с жидким азотом или с помощью простой морозильной камеры.

Источник: Pxhere

В чем разница между замораживанием и затвердеванием? Что первый процесс сильно зависит от температуры, от чистоты жидкости и является термодинамическим равновесием; в то время как второй больше связан с изменениями химического состава вещества, которое затвердевает, даже не будучи полностью жидким (паста).

Следовательно, замораживание - это застывание; но обратное не всегда верно. Кроме того, чтобы исключить термин «затвердевание», должна существовать жидкая фаза, находящаяся в равновесии с твердым телом того же вещества; айсберги делают это: они плавают в жидкой воде.

Таким образом, происходит замерзание жидкости, когда в результате снижения температуры образуется твердая фаза. Давление также влияет на это физическое свойство, хотя его влияние меньше в жидкостях с низким давлением пара.

Какая точка замерзания?

При понижении температуры средняя кинетическая энергия молекул уменьшается, и поэтому они немного замедляются. По мере того как вы движетесь в жидкости медленнее, наступает момент, когда они взаимодействуют достаточно, чтобы сформировать упорядоченное расположение молекул; это первое твердое тело, из которого вырастут более крупные кристаллы.

Если это первое твердое вещество слишком сильно "раскачивается", тогда необходимо будет снизить температуру еще дальше, пока его молекулы не останутся достаточно неподвижными. Температура, при которой это достигается, соответствует точке замерзания; оттуда устанавливается равновесие жидкость-твердое тело.

Предыдущий сценарий имеет место для чистых веществ; а что, если это не так?

В этом случае молекулы первого твердого вещества должны успевать включать посторонние молекулы. В результате образуется нечистое твердое вещество (или твердый раствор), для образования которого требуется температура ниже точки замерзания.

Мы говорим тогда о понижении точки замерзания. Чем больше инородных молекул, вернее примесей, жидкость будет замерзать при все более низких температурах.

Замораживание против растворимости

Учитывая смесь двух соединений, A и B, при понижении температуры A замерзает, а B остается жидкостью.

Сценарий аналогичен только что объясненному. Часть A еще не заморожена и поэтому растворена в B. Значит, мы говорим о равновесии растворимости, а не о переходе жидкость-твердое тело?

Оба описания действительны: A осаждается или замерзает, отделяясь от B при понижении температуры. Все А выпадет в осадок, когда его больше не будет растворено в В; что то же самое, что сказать, что A будет полностью заморожен.

Однако удобнее рассматривать явление с точки зрения замерзания. Таким образом, A замерзает первым, потому что у него более низкая точка замерзания, в то время как B потребуется более низкая температура.

Однако «лед A» на самом деле состоит из твердого вещества, которое имеет более богатый состав A, чем B; но B тоже есть. Это связано с тем, что A + B представляет собой однородную смесь, и поэтому часть этой однородности передается замороженному твердому веществу.

Как это рассчитать?

Как можно предсказать или рассчитать точку замерзания вещества? Существуют физико-химические расчеты, позволяющие получить приблизительное значение этой точки при других давлениях (кроме 1 атм, давления окружающей среды).

Однако они приводят к энтальпии плавления (Δ _Fus ); поскольку слияние - это процесс в противоположном смысле замораживания.

Кроме того, экспериментально легче определить температуру плавления вещества или смеси, чем температуру замерзания; Хотя они могут казаться одинаковыми, они показывают определенные различия.

Как упоминалось в предыдущем разделе: чем выше концентрация примесей, тем больше падение температуры замерзания. Об этом также можно сказать следующее: чем ниже мольная доля X твердого вещества в смеси, тем ниже температура замерзания.

Уравнение понижения температуры

Следующее уравнение выражает и резюмирует все, что было сказано:

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

Где R - постоянная идеального газа, которая имеет почти универсальное применение. Tº - нормальная точка замерзания (при атмосферном давлении), а T - температура, при которой твердое вещество замерзнет до мольной доли X.

Из этого уравнения и после ряда упрощений получается следующее, более известное:

ΔTc = K _F m (2)

Где m - молярность растворенного вещества или примеси, а K _F - криоскопическая постоянная растворителя или жидкого компонента.

Примеры

Краткое описание замораживания некоторых веществ будет дано ниже.

вода

Вода замерзает около 0ºC. Однако это значение может уменьшиться, если он содержит растворенное вещество; можно сказать, соль или сахар.

В зависимости от количества растворенного вещества различают моляльность m; и по мере увеличения m X уменьшается, значение которого можно подставить в уравнение (1) и, таким образом, решить относительно T.

Например, если один стакан воды помещен в морозильную камеру, а другой - с подслащенной водой (или любым напитком на водной основе), стакан воды замерзнет первым. Это связано с тем, что его кристаллы образуются быстрее без нарушения молекул глюкозы, ионов или других частиц.

То же самое произойдет, если вы положите в морозилку стакан морской воды. Стакан морской воды может быть заморожен или не заморожен в первую очередь, чем стакан подслащенной воды; разница будет зависеть от количества растворенного вещества, а не от его химической природы .

По этой причине снижение Tc (температуры замерзания) является коллигативным свойством.

Алкоголь

Источник: Pixabay

Спирты замерзают при более низких температурах, чем жидкая вода. Например, этанол замерзает около -114 ° C. Если смешать с водой и другими ингредиентами, температура замерзания наоборот повысится.

Зачем? Потому что вода, жидкое вещество, смешивающееся со спиртом, замерзает при гораздо более высокой температуре (0ºC).

Возвращаясь к холодильнику со стаканами воды, если на этот раз ввести стакан со спиртным, он замерзнет в последнюю очередь. Чем выше этиловый сорт, тем в морозильной камере необходимо дополнительно охладить напиток, чтобы заморозить напиток. По этой причине такие напитки, как текила, сложнее заморозить.

Молоко

Источник: Pixabay

Молоко - это вещество на водной основе, в котором жир диспергирован вместе с лактозой и фосфатами кальция, а также с другими липопротеинами.

Те компоненты, которые более растворимы в воде, определяют, насколько ее точка замерзания будет варьироваться в зависимости от состава.

В среднем молоко замерзает при температуре около -0,54ºC, но она колеблется от -0,50 до -0,56 в зависимости от процентного содержания воды. Таким образом, можно узнать, было ли молоко фальсифицировано. И, как видите, стакан молока замерзает почти так же, как стакан воды.

Не все молоко замерзает при одинаковой температуре, так как его состав также зависит от животного происхождения.

Меркурий

Ртуть - единственный металл, который находится в жидкой форме при комнатной температуре. Чтобы его заморозить, необходимо понизить температуру до -38,83ºС; И на этот раз идеи налить его в стакан и положить в морозильную камеру можно будет избежать, так как это может привести к ужасным несчастным случаям.

Учтите, что ртуть замерзает раньше алкоголя. Это может быть связано с тем, что кристалл ртути меньше вибрирует, поскольку он состоит из атомов, связанных металлическими связями; тогда как в этаноле они представляют собой относительно легкие молекулы CH ₃ CH ₂ OH , которые необходимо медленно адаптировать.

Бензин

Из всех примеров точки замерзания бензин - самый сложный. Как и молоко, это смесь; но его основа - не вода, а группа различных углеводородов, каждый со своими структурными характеристиками. Некоторые из маленьких молекул, а некоторые из больших.

Первыми замерзнут углеводороды с более низким давлением пара; в то время как другие останутся в жидком состоянии, даже если стакан бензина окружен жидким азотом. Он будет образовывать не «бензиновый лед», а гель с желто-зелеными тонами.

Чтобы полностью заморозить бензин, возможно, потребуется охладить его до -200ºC. При этой температуре вероятно образование льда бензина, поскольку все компоненты смеси замерзнут; то есть жидкая фаза больше не будет находиться в равновесии с твердым телом.

Ссылки

1. Физический факультет Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн. (2018). Q&A: Замерзание бензина. Получено с: van.physics.illinois.edu
2. Ира Н. Левин. (2014). Основы физико-химии. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
3. Glasstone. (1970). Физико-химический договор. Aguilar SA de Ediciones, Хуан Браво, 38, Мадрид (Испания).
4. Уолтер Дж. Мур. (1962). Физическая химия. (Четвертое издание). Лонгманс.
5. Сибагроприбор. (2015). Определение точки замерзания молока. Получено с: sibagropribor.ru
6. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (22 июня 2018 г.). Температура замерзания алкоголя. Получено с: thinkco.com