BOD MRAZU: JAK JI VYPOČÍTAT A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Bod tuhnutí je teplota, při které látka zažívá rovnovážný přechod kapalina-pevná látka. Pokud jde o podstatu, může to být směs, čistý prvek nebo směs. Teoreticky veškerá hmota zamrzne při poklesu teploty na absolutní nulu (0K).

Extrémní teploty však nejsou nutné k pozorování zamrzání kapalin. Ledovce jsou jedním z nejviditelnějších příkladů zmrzlé vody. Podobně lze tento jev sledovat v reálném čase pomocí lázní s kapalným dusíkem nebo pomocí jednoduchého mrazáku.

Zdroj: Pxhere

Jaký je rozdíl mezi zmrazením a tuhnutím? Že první proces je vysoce závislý na teplotě, na čistotě kapaliny a je termodynamickou rovnováhou; zatímco druhý souvisí spíše se změnami chemického složení látky, která tuhne, i když není zcela tekutá (pasta).

Proto je zmrazení tuhnutím; ale opak není vždy pravda. Kromě toho, aby se vyloučil termín tuhnutí, musí existovat kapalná fáze v rovnováze s pevnou látkou stejné látky; ledovce to dělají: vznášejí se na tekuté vodě.

Jeden tedy čelí zamrzání kapaliny, když se vytvoří pevná fáze v důsledku poklesu teploty. Tlak také ovlivňuje tuto fyzikální vlastnost, i když jeho účinky jsou menší u kapalin s nízkým tlakem par.

Co je bod mrazu?

Jak teplota klesá, průměrná kinetická energie molekul klesá, a proto se trochu zpomalují. Když v kapalině jdete pomaleji, přichází bod, kde interagují natolik, aby vytvořily uspořádané uspořádání molekul; toto je první pevná látka, ze které vyrostou větší krystaly.

Pokud se tato první pevná látka „zakolísá“ příliš mnoho, bude nutné teplotu ještě více snížit, dokud její molekuly nezůstanou dostatečně. Teplota, při které se toho dosáhne, odpovídá bodu tuhnutí; odtud se vytvoří rovnováha kapalina-pevná látka.

Předchozí scénář nastává u čistých látek; ale co když nejsou?

V takovém případě musí molekuly první pevné látky zvládnout začlenění cizích molekul. V důsledku toho se vytvoří nečistá pevná látka (nebo pevný roztok), která pro její tvorbu vyžaduje teplotu nižší než je bod tuhnutí.

Mluvíme o sestupu bodu mrazu. Protože existuje více cizích molekul nebo přesněji řečeno nečistot, kapalina zamrzne při nižších a nižších teplotách.

Zmrazení vs rozpustnost

Vzhledem ke směsi dvou sloučenin, A a B, jak teplota klesá, A zamrzne, zatímco B zůstává kapalný.

Scénář je podobný tomu, co bylo právě vysvětleno. Část A ještě nezmrzla, a je proto rozpuštěna v B. Je tedy o rovnováze rozpustnosti, o které mluvíme, spíše než o přechodu kapalina-pevná látka?

Oba popisy jsou platné: A se vysráží nebo zamrzne a při poklesu teploty se odděluje od B. Všechno A se vysráží, když už v B nebude nic z toho rozpuštěno; což je stejné jako říkat, že A bude úplně zamrznout.

Je však výhodnější léčit tento jev z hlediska zamrznutí. A tedy zamrzne jako první, protože má nižší bod tuhnutí, zatímco B bude potřebovat nižší teploty.

Avšak „led A“ ve skutečnosti sestává z pevné látky, která má bohatší složení A než B; ale B je tam taky. Je tomu tak proto, že A + B je homogenní směs, a proto je část této homogenity přenesena na zmrazenou pevnou látku.

Jak to spočítat?

Jak můžete předpovědět nebo vypočítat bod tuhnutí látky? Existují fyzikálně-chemické výpočty, které umožňují získat přibližnou hodnotu tohoto bodu při jiných tlacích (jiných než 1atm, okolní tlak).

Tyto však vedou k entalpii fúze (A _Fus); protože fúze je proces v opačném smyslu než zmrazení.

Kromě toho je experimentálně snazší určit teplotu tání látky nebo směsi než je její teplota tuhnutí; I když se mohou zdát stejné, vykazují určité rozdíly.

Jak je uvedeno v předchozí části: čím vyšší je koncentrace nečistot, tím větší je pokles bodu tuhnutí. To lze také říci následujícím způsobem: čím nižší je molární frakce X pevné látky ve směsi, tím nižší teplota zamrzne.

Rovnice snižování teploty

Následující rovnice vyjadřuje a shrnuje vše, co bylo řečeno:

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

Kde R je ideální plynová konstanta, která má téměř univerzální použití. T ° je normální bod tuhnutí (při okolním tlaku) a T je teplota, při které pevná látka zmrzne na molární zlomek X.

Z této rovnice a po sérii zjednodušení se získá následující, lépe známý,:

ΔTc = K _F m (2)

Tam, kde m je molalita rozpuštěné látky nebo nečistoty, a K _F je cryoscopic konstanta rozpouštědla nebo kapalné složky.

Příklady

Stručný popis zmrazení některých látek bude uveden níže.

Voda

Voda mrzne kolem 0 ° C. Tato hodnota se však může snížit, pokud v ní obsahuje rozpuštěnou látku; řekněme, sůl nebo cukr.

V závislosti na množství rozpuštěné rozpuštěné látky existují různé molality m; a jak m se zvětšuje, X klesá, jehož hodnota může být nahrazena v rovnici (1), a tak řešit pro T.

Například, pokud je sklenice s vodou vložena do mrazničky a jiná se slazenou vodou (nebo jakýmkoli nápojem na vodní bázi), sklenice vody nejprve zamrzne. Je to proto, že její krystaly se vytvářejí rychleji bez narušení molekul glukózy, iontů nebo jiných druhů.

Totéž by se stalo, kdybyste do mrazničky vložili sklenici mořské vody. Nyní může nebo nemusí být sklenice mořské vody zamrzlá první než sklenice slazené vody; rozdíl bude záviset na množství rozpuštěné látky a ne na její chemické povaze.

Z tohoto důvodu je pokles Tc (teplota tuhnutí) koligativní vlastností.

Alkohol

Zdroj: Pixabay

Alkoholy mrznou při nižších teplotách než kapalná voda. Například ethanol mrzne kolem -114 ° C. Pokud se smíchá s vodou a dalšími složkami, dojde ke zvýšení bodu tuhnutí.

Proč? Protože voda, kapalná látka mísitelná s alkoholem, zamrzne při mnohem vyšší teplotě (0 ° C).

Když se vracíme do lednice se sklenicí vody, pokud se tentokrát představí s alkoholickým nápojem, bude to poslední, kde zamrzne. Čím vyšší je stupeň kvality, musí jej mrazák dále chlazit, aby se nápoj zamrzl. Z tohoto důvodu je obtížnější zmrazit nápoje jako tequila.

Mléko

Zdroj: Pixabay

Mléko je látka na vodní bázi, ve které je kromě jiných lipoproteinů dispergován tuk spolu s laktózou a fosforečnany vápenatými.

Složky, které jsou rozpustnější ve vodě, určují, do jaké míry se bude její teplota tuhnutí měnit v závislosti na složení.

V průměru mléko zamrzne při teplotě kolem -0,54 ° C, ale pohybuje se mezi -0,50 a -0,56 v závislosti na procentuálním podílu vody. Je tedy možné vědět, zda bylo mléko falšováno. A jak vidíte, sklenka mléka zamrzne téměř na stejné úrovni se sklenicí vody.

Ne každé mléko mrzne při stejné teplotě, protože jeho složení závisí také na jeho živočišném zdroji.

Rtuť

Rtuť je jediný kov, který je při pokojové teplotě v tekuté formě. Pro jeho zmrazení je nutné teplotu snížit na -38,83 ° C; Tentokrát se bude vyhnout myšlence nalití do sklenice a vložení do mrazničky, protože by to mohlo vést k hrozným nehodám.

Všimněte si, že rtuť zmrzne před alkoholem. To může být způsobeno skutečností, že rtuťový krystal méně vibruje, protože se skládá z atomů spojených kovovými vazbami; vzhledem k tomu, v ethanolu, které jsou relativně lehké CH ₃ CH ₂ OH molekuly, které musí být pomalu ubytováni.

Benzín

Ze všech příkladů bodu tuhnutí je benzín nejsložitější. Stejně jako mléko je to směs; ale její báze není voda, ale skupina různých uhlovodíků, z nichž každý má své vlastní strukturální vlastnosti. Některé malé molekuly a některé velké.

Uhlovodíky s nižším tlakem par nejprve zamrznou; zatímco ostatní zůstanou v kapalném stavu, i když je sklenka benzínu obklopena tekutým dusíkem. Nebude správně tvořit „benzínový led“, ale gel se žlutozelenými tóny.

Pro úplné zamrznutí benzínu může být nutné ochladit teplotu na -200 ° C. Při této teplotě je pravděpodobné, že se vytvoří benzínový led, protože všechny složky směsi zamrznou; to znamená, že již nebude existovat kapalná fáze v rovnováze s pevnou látkou.

Reference

1. Katedra fyziky, University of Illinois v Urbana-Champaign. (2018). Otázky a odpovědi: Zmrazování benzínu. Obnoveno z: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Základy fyzikální chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fyzikálně-chemická smlouva. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Španělsko).
4. Walter J. Moore. (1962). Fyzikální chemie. (Čtvrté vydání). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Stanovení bodu tuhnutí mléka. Obnoveno z: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. června 2018). Bod mrznutí alkoholu. Obnoveno z: thinkco.com