Zmrazenie bodu v tom, čo sa skladá, ako ho vypočítať a príklady

bod mrazu je teplota, pri ktorej látka podlieha prechodnej rovnováhe medzi kvapalinou a tuhou látkou. Keď sa hovorí o látke, môže to byť zlúčenina, čistý prvok alebo zmes. Teoreticky všetka hmota zamrzne, keď teplota klesne na absolútnu nulu (0K).

Extrémne teploty však nie sú potrebné na pozorovanie zamrznutia kvapalín. Ľadovce sú jedným z najzreteľnejších príkladov mrazených vodných útvarov. Tento jav môže byť tiež sledovaný v reálnom čase v kúpeľoch s kvapalným dusíkom alebo pomocou jednoduchej mrazničky.

Aký je rozdiel medzi zmrazením a tuhnutím? Že prvý proces je vysoko závislý od teploty, čistoty kvapaliny a je termodynamickou rovnováhou; zatiaľ čo druhá je skôr spojená so zmenami chemického zloženia látky, ktorá tuhne, dokonca bez toho, aby bola úplne tekutá (pasta).

Zmrazenie je teda tuhnutím; ale opak nie je vždy pravdivý. Okrem toho, aby sa odložil termín tuhnutia, musí byť kvapalná fáza v rovnováhe s pevnou látkou tej istej látky; ľadovce sú v súlade s týmto: plávajú na tekutej vode.

Teda čelí zmrazeniu kvapaliny, keď sa v dôsledku poklesu teploty vytvorí pevná fáza. Tlak ovplyvňuje aj túto fyzikálnu vlastnosť, hoci jej účinky sú nižšie v kvapalinách s nízkym tlakom pár.

index

• 1 Čo je bod mrazu??
  • 1.1 Mrazenie verzus rozpustnosť
• 2 Ako ho vypočítať?
  • 2.1 Rovnica poklesu teploty
• 3 Príklady
  • 3.1 Voda
  • 3.2 Alkohol
  • 3.3 Mlieko
  • 3.4 Ortuť
  • 3.5 Benzín
• 4 Odkazy

Čo je bod mrazu??

Keď teplota klesá, priemerná kinetická energia molekúl sa znižuje, a preto sa trochu spomaľujú. Keď idú pomalšie v kvapaline, prichádza bod, v ktorom sa dostávajú do interakcie, aby vytvorili usporiadané usporiadanie molekuly; toto je prvá tuhá látka, z ktorej budú rásť väčšie kryštály.

Ak sa táto prvá pevná látka "preleje" príliš veľa, potom bude potrebné ďalej znižovať teplotu, kým jej molekuly nezostanú dostatočne tiché. Teplota, pri ktorej sa dosiahne, zodpovedá bodu tuhnutia; Odtiaľ sa vytvorí rovnováha kvapalina-tuhá látka.

Predchádzajúci scenár sa deje pre čisté látky; ale čo ak nie?

V tomto prípade sa molekulám prvej pevnej látky musí podariť inkorporovať cudzie molekuly. V dôsledku toho sa vytvorí nečistá pevná látka (alebo tuhý roztok), ktorá potrebuje nižšiu teplotu ako je bod tuhnutia na jej vytvorenie.

Hovoríme o Pokles teploty tuhnutia. Pokiaľ existuje viac cudzích molekúl, alebo presnejšie povedané, nečistoty, kvapalina zamrzne pri stále nižších teplotách.

Zmrazenie vs. rozpustnosť

Vzhľadom na zmes dvoch zlúčenín A a B, keď teplota klesne, A zamrzne, zatiaľ čo B zostáva kvapalná.

Scenár je podobný tomu, čo bolo práve vysvetlené. Časť A ešte nebola zmrazená, a preto je rozpustená v B. Je rovnováha rozpustnosti diskutovaná viac ako rovnováha medzi kvapalinou a tuhou látkou??

Oba opisy sú platné: A zráža sa alebo zamrzne od B, keď teplota klesne. Všetok A sa vyzráža, keď sa v ňom nerozpustí nič; čo je rovnaké ako tvrdenie, že A úplne zamrzne.

Je však vhodnejšie liečiť tento jav z hľadiska zmrazenia. Teda A najprv zamrzne, pretože má nižší bod mrazu, zatiaľ čo B bude potrebovať chladnejšie teploty.

Avšak "ľad A" sa v skutočnosti skladá z pevnej látky, ktorá má bohatšie zloženie A ako B; ale B je tam tiež. Je to preto, že A + B je homogénna zmes, a preto sa časť tejto homogenity prenesie do zmrazenej pevnej látky.

Ako ho vypočítať?

Ako môžete predpovedať alebo vypočítať bod tuhnutia látky? Existujú fyzikálno-chemické výpočty, ktoré umožňujú získať približnú hodnotu uvedeného bodu pri iných tlakoch (odlišných od 1 atm, tlaku okolia)..

Avšak tieto prúdia do fúznej entalpie (A_FUS); pretože fúzia je proces v opačnom smere ako zmrazenie.

Okrem toho je experimentálne jednoduchšie stanoviť teplotu topenia látky alebo zmesi ako jej bod tuhnutia; Hoci sa môžu zdať rovnaké, vykazujú určité rozdiely.

Ako je uvedené v predchádzajúcej časti: čím vyššia je koncentrácia nečistôt, tým väčší je pokles teploty tuhnutia. To možno tiež povedať nasledujúcim spôsobom: čím menšia je molárna frakcia X pevnej látky v zmesi, bude zmrazená pri nižšej teplote.

Rovnica poklesu teploty

Nasledujúca rovnica vyjadruje a sumarizuje všetko, čo bolo povedané:

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

Kde R je ideálna plynová konštanta, ktorá má takmer univerzálne použitie. Tº je normálny bod tuhnutia (pri okolitom tlaku) a T je teplota, pri ktorej tuhá látka zmrazí pri molárnej frakcii X.

Z tejto rovnice a po sérii zjednodušení dostaneme nasledujúce, lepšie známe:

ATc = K_Fm (2)

Kde m je molalita rozpustenej látky alebo nečistoty a K_F je kryoskopická konštanta rozpúšťadla alebo kvapalnej zložky.

Príklady

Nižšie je uvedený stručný opis zmrazenia niektorých látok.

voda

Voda zamrzne okolo 0 ° C. Táto hodnota sa však môže znížiť, ak obsahuje rozpustenú látku; soli alebo cukru.

V závislosti od množstva rozpustenej látky má rôzne m-molality; a pri zvyšovaní m, znižuje X, ktorého hodnota môže byť nahradená v rovnici (1) a teda jasná T.

Napríklad, ak dáte pohár vody do mrazničky a druhú so sladenou vodou (alebo akýmkoľvek nápojom na báze vody), pohárik vody najprv zamrzne. Je to preto, že ich kryštály vznikajú rýchlejšie bez narušenia molekúl glukózy, iónov alebo iných druhov.

To isté by sa stalo, keby sa do mrazničky vložila pohár morskej vody. Sklo s morskou vodou môže alebo nemusí zamrznúť najskôr ako sklo so sladenou vodou; rozdiel bude závisieť od množstva rozpustenej látky a nie jeho chemický charakter.

Z tohto dôvodu je pokles Tc (teplota tuhnutia) koligatívna vlastnosť.

alkohol

Alkoholy zmrazujú pri chladnejších teplotách ako tekutá voda. Etanol napríklad zamrzne okolo -114 ° C. Ak sa zmieša s vodou a inými zložkami, dôjde k zvýšeniu teploty tuhnutia.

Prečo? Pretože voda, tekutá látka a miešateľná s alkoholom mrzne pri oveľa vyššej teplote (0 ° C).

Vrátiť sa do chladničky s okuliarmi s vodou, ak tentoraz zadáte jeden s alkoholickým nápojom, to bude posledný zmraziť. Čím vyššia je etylová trieda, mraznička by ju mala schladiť, aby zmrazila nápoj. Z tohto dôvodu sú nápoje ako tequila ťažšie zmraziť.

mlieko

Mlieko je látka na vodnej báze, v ktorej sa spolu s inými lipoproteínmi disperguje tuk spolu s laktózou a fosforečnanmi vápenatými..

Tie zložky, ktoré sú rozpustnejšie vo vode, sú tie, ktoré určujú koľko zmení bod tuhnutia so zložením.

V priemere sa mlieko zmrazuje pri teplote okolo -0,54 ° C, ale v závislosti od percenta vody sa pohybuje medzi -0,50 a -0,56. Takže môžete vedieť, či bolo mlieko falšované. A ako vidíte, pohár mlieka zamrzne takmer na rovnakej úrovni ako pohár vody.

Nie všetko mlieko mrzne pri rovnakej teplote, pretože jeho zloženie závisí aj od jeho živočíšneho zdroja.

ortuť

Ortuť je jediný kov, ktorý je pri izbovej teplote v kvapalnej forme. Na jeho zmrazenie je potrebné znížiť teplotu na -38,83 ° C; a tentoraz sa vyhnete myšlienke naliať ho do pohára a dať ho do mrazničky, pretože by to mohlo viesť k strašným nehodám.

Všimnite si, že ortuť mrzne pred alkoholom. Môže to byť spôsobené skutočnosťou, že kryštál ortuti vibruje menej, pretože pozostáva z atómov spojených kovovými väzbami; zatiaľ čo v etanole sú to molekuly CH₃CH₂OH relatívne svetlo, ktoré musí byť pomaly umiestnené.

benzín

Zo všetkých príkladov tuhnutia je najkomplexnejší benzín. Ako mlieko ide o zmes; ale jeho základňa nie je voda, ale skupina niekoľkých uhľovodíkov, z ktorých každá má svoje vlastné štrukturálne charakteristiky. Niektoré z malých molekúl a ďalšie veľké molekuly.

Uhľovodíky s nižším tlakom pár najskôr zmrazia; zatiaľ čo ostatné zostanú kvapalné, aj keď je pohár benzínu obklopený kvapalným dusíkom. Nebude správne tvoriť "benzínový ľad", ale gél so žltozelenými tónmi.

Na úplné zmrazenie benzínu môže byť potrebné ochladiť teplotu na -200 ° C. Pri tejto teplote je pravdepodobné, že sa vytvorí benzín, pretože všetky zložky zmesi budú zmrazené; to znamená, že už nebude kvapalná fáza v rovnováhe s pevnou látkou.

referencie

1. Katedra fyziky, University of Illinois v Urbane-Champaign. (2018). Otázky a odpovede: Zmrazovanie benzínu. Zdroj: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Zásady fyzikálno-chemickej. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Zmluva o fyzikálno-chemickej. Aguilar S. A. de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Španielsko).
4. Walter J. Moore. (1962). Fyzikálna chémia (Štvrté vydanie). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Stanovenie bodu mrazu mlieka. Zdroj: sibagropribor.ru