Точка замерзания в чем она состоит, как ее рассчитать и примеры



точка замерзания является температурой, при которой вещество претерпевает равновесие перехода жидкость-твердое вещество. Когда речь идет о веществе, это может быть соединение, чистый элемент или смесь. Теоретически, все вещество замерзает при понижении температуры до абсолютного нуля (0K).

Однако при экстремальных температурах нет необходимости наблюдать замерзание жидкостей. Айсберги являются одним из наиболее очевидных примеров замерзших водоемов. Кроме того, явление может сопровождаться в режиме реального времени ваннами с жидким азотом или с помощью простой морозильной камеры..

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

Следовательно, замораживание является затвердеванием; но обратное не всегда верно. Кроме того, чтобы отказаться от термина затвердевания, жидкая фаза должна находиться в равновесии с твердым веществом того же вещества; айсберги подчиняются этому: они плавают на жидкой воде.

Таким образом, человек сталкивается с замерзанием жидкости, когда образуется твердая фаза вследствие падения температуры. Давление также влияет на это физическое свойство, хотя его влияние ниже в жидкостях с низким давлением пара.

индекс

  • 1 Что такое точка замерзания??
    • 1.1 Замораживание и растворимость
  • 2 Как рассчитать?
    • 2.1 Уравнение падения температуры
  • 3 примера
    • 3.1 Вода
    • 3.2 Алкоголь
    • 3.3 Молоко
    • 3.4 Меркурий
    • 3.5 Бензин
  • 4 Ссылки

Что такое точка замерзания??

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

Если это первое твердое вещество слишком сильно «колеблется», то необходимо будет еще больше понизить температуру, пока его молекулы не станут достаточно тихими. Температура, при которой это достигается, соответствует точке замерзания; оттуда устанавливается равновесие жидкость-твердое тело.

Предыдущий сценарий происходит для чистых веществ; но что если они не?

В этом случае молекулы первого твердого вещества должны включать в себя инородные молекулы. В результате образуется загрязненное твердое вещество (или твердый раствор), которому для его образования необходима более низкая температура, чем точка замерзания..

Мы говорим о Падение точки замерзания. Пока есть больше посторонних молекул или, точнее говоря, примесей, жидкость будет замерзать при все более низких температурах.

Замораживание против растворимости

При заданной смеси двух соединений A и B, когда температура падает, A замерзает, а B остается жидким.

Сценарий похож на только что объясненный. Часть А еще не замерзла и поэтому растворяется в Б. Обсуждается ли равновесие растворимости больше, чем равновесие перехода жидкость-твердое вещество??

Оба описания действительны: A выпадает в осадок или замерзает от B, когда температура падает. Все A выпадет в осадок, когда от него ничего не останется, растворенного в B; это то же самое, что сказать, что А замерзнет полностью.

Однако это явление удобнее рассматривать с точки зрения замерзания. Таким образом, A сначала замерзает, потому что имеет более низкую температуру замерзания, в то время как B потребуется более низкая температура..

Однако на самом деле «лед А» состоит из твердого тела, которое имеет более богатый состав А, чем В; но Б тоже там. Это потому, что A + B представляет собой гомогенную смесь, и, следовательно, часть этой гомогенности переносится в замороженное твердое вещество..

Как рассчитать?

Как вы можете предсказать или рассчитать точку замерзания вещества? Существуют физико-химические расчеты, которые позволяют получить приблизительное значение указанной точки при других давлениях (отличных от 1 атм, давления окружающей среды).

Однако они переходят в энтальпию плавления (ΔFUS); поскольку слияние - это процесс в направлении, противоположном замораживанию.

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

Как упоминалось в предыдущем разделе: чем выше концентрация примесей, тем больше падение точки замерзания. Это также можно сказать следующим образом: чем меньше молярная доля Х твердого вещества в смеси, тем ниже температура его замерзания..

Уравнение падения температуры

Следующее уравнение выражает и суммирует все сказанное:

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

Где R - идеальная газовая постоянная, которая имеет почти универсальное применение. Tº - нормальная точка замерзания (при атмосферном давлении), а T - температура, при которой твердое вещество будет замерзать с молярной долей X.

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

ΔTc = KFм (2)

Где m - молярность растворенного вещества или примеси, а KF является криоскопической постоянной растворителя или жидкого компонента.

примеров

Ниже приводится краткое описание замораживания некоторых веществ.

вода

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

В зависимости от количества растворенного вещества, он имеет различные значения м-моляльности; и при увеличении m уменьшается X, значение которого можно подставить в уравнение (1) и, таким образом, очистить T.

Например, если вы положите стакан воды в морозильник, а другой - в подслащенную воду (или любой напиток на водной основе), сначала замерзнет стакан воды. Это потому, что их кристаллы образуются быстрее без нарушения молекул глюкозы, ионов или других видов.

То же самое произошло бы, если бы в морозильник поместили стакан морской воды. Теперь стакан с морской водой может или не может замерзнуть в первую очередь, чем стакан с подслащенной водой; разница будет зависеть от количества растворенного вещества а не его химическая природа.

Именно по этой причине уменьшение Tc (температуры замерзания) является коллигативным свойством.

алкоголь

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

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

Возвращаясь к холодильнику с бокалами с водой, если на этот раз вы попадете в бокал с алкогольным напитком, это будет последним замерзать. Чем выше уровень содержания этила, тем морозильник должен охлаждать его, чтобы напиток замерз. По этой причине такие напитки, как текила, сложнее заморозить..

молоко

Молоко представляет собой вещество на водной основе, в котором жир рассеивается вместе с лактозой и фосфатами кальция в дополнение к другим липопротеинам..

Те компоненты, которые более растворимы в воде, являются теми, которые определяют, насколько сильно будет зависеть ее температура замерзания в зависимости от состава..

В среднем молоко замораживается при температуре около -0,54ºC, но колеблется от -0,50 до -0,56 в зависимости от процентного содержания воды. Итак, вы можете знать, было ли молоко фальсифицированным. И, как видите, стакан молока замерзнет почти наравне со стаканом воды..

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

ртуть

Ртуть - единственный металл, который находится в жидкой форме при комнатной температуре. Чтобы заморозить его, необходимо понизить температуру до -38,83ºC; и на этот раз вы избежите идеи наливать его в стакан и ставить в морозильник, так как это может привести к ужасным несчастным случаям.

Обратите внимание, что ртуть замерзает перед употреблением алкоголя. Это может быть связано с тем, что кристалл ртути вибрирует меньше, потому что он состоит из атомов, связанных металлическими связями; в то время как в этаноле, они являются молекулами СН3СН2ОН относительно легкий, который должен быть размещен медленно.

бензин

Из всех примеров точки замерзания бензин является наиболее сложным. Как и молоко, это смесь; но его основой является не вода, а группа из нескольких углеводородов, каждый со своими структурными характеристиками. Некоторые из маленьких молекул, а другие крупные.

Те углеводороды с более низким давлением пара сначала замерзнут; в то время как остальные останутся жидкими, даже если стакан бензина окружен жидким азотом. Это не будет правильно образовывать «бензиновый лед», но гель с желто-зелеными тонами.

Чтобы полностью заморозить бензин, может потребоваться охлаждение до -200ºC. При этой температуре, вероятно, образуется бензин, потому что все компоненты смеси замерзнут; то есть жидкая фаза больше не будет находиться в равновесии с твердым.

ссылки

  1. Физический факультет Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. (2018). Q & A: замерзание бензина. Получено от: van.physics.illinois.edu
  2. Ира Н. Левин. (2014). Основы физикохимии. (Шестое издание). Mc Graw Hill.
  3. Glasstone. (1970). Договор по физикохимии. Агилар С. А. де Ediciones, Хуан Браво, 38 лет, Мадрид (Испания).
  4. Уолтер Дж. Мур. (1962). Физическая химия (Четвертое издание). Лонгманс.
  5. Сибагроприбор. (2015). Определение точки замерзания молока. Получено с сайта: sibagropribor.ru