BOD TUHNUTIA: AKO HO VYPOČÍTAŤ A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2024

Bod tuhnutia je teplota, pri ktorej látka prechádza rovnovážnou rovnováhou medzi kvapalinou a pevnou látkou. Pokiaľ ide o podstatu, 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 zmrznutia tekutín. Ľadovce sú jedným z najzreteľnejších príkladov zmrznutej vody. Podobne je možné tento jav sledovať v reálnom čase pomocou kúpeľa s tekutým dusíkom alebo pomocou jednoduchého mrazničky.

Zdroj: Pxhere

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

Zmrazenie je preto tuhnutie; ale opak nie je vždy pravda. Ďalej, aby sa vylúčil výraz tuhnutie, musí existovať kvapalná fáza v rovnováhe s pevnou látkou tej istej látky; ľadovce to robia: plávajú na tekutej vode.

Preto človek čelí zamrznutiu kvapaliny, keď sa v dôsledku poklesu teploty vytvorí tuhá fáza. Tlak tiež ovplyvňuje túto fyzikálnu vlastnosť, hoci jeho účinky sú menšie v tekutinách s nízkym tlakom pár.

Aký je bod mrazu?

Keď teplota klesá, priemerná kinetická energia molekúl klesá, a preto sa trochu spomaľujú. Keď v tekutine pôjdete pomalšie, prichádza bod, v ktorom interagujú dosť na to, aby vytvorili usporiadané usporiadanie molekúl; je to prvá pevná látka, z ktorej vyrastú väčšie kryštály.

Ak je táto prvá tuhá látka príliš zvlnená, bude potrebné teplotu ešte viac znížiť, až kým jej molekuly nezostanú dosť. Teplota, pri ktorej sa to dosiahne, zodpovedá bodu tuhnutia; odtiaľ sa vytvorí rovnováha kvapalina-pevná látka.

Predchádzajúci scenár sa týka čistých látok; ale čo ak nie?

V takom prípade musia molekuly prvej pevnej látky dokázať začleniť cudzie molekuly. V dôsledku toho sa vytvorí nečistá tuhá látka (alebo tuhý roztok), ktorá vyžaduje na svoju tvorbu teplotu nižšiu ako je bod mrazu.

Hovoríme potom o znížení bodu mrazu. Pretože existuje viac cudzích molekúl alebo presnejšie povedané, nečistoty, kvapalina zamrzne pri nižších a nižších teplotách.

Zmrazenie vs rozpustnosť

Ak zmes dvoch zlúčenín A a B poklesne, A zamrzne, zatiaľ čo B zostáva kvapalný.

Scenár je podobný tomu, čo bolo práve vysvetlené. Časť A ešte nezmrazila, a preto je rozpustená v B. Je to skôr rovnovážna rozpustnosť, o ktorej hovoríme, nie prechod kvapalina-pevná látka?

Obidva opisy sú platné: A sa zráža alebo zamŕza a pri poklese teploty sa oddeľuje od B. Všetko A sa vyzráža, keď už nie je rozpustené v B; čo je rovnaké ako tvrdenie, že A úplne zamrzne.

Je však vhodnejšie liečiť tento jav z hľadiska zamrznutia. A teda najskôr zamrzne, pretože má nižší bod tuhnutia, zatiaľ čo B bude potrebovať nižšie teploty.

Avšak „ľad A“ v skutočnosti pozostáva z tuhej 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 na zmrazenú pevnú látku.

Ako to počítať?

Ako môžete predpovedať alebo vypočítať bod tuhnutia látky? Existujú fyzikálno-chemické výpočty, ktoré umožňujú získať približnú hodnotu tohto bodu pri iných tlakoch (iných ako 1atm, okolitý tlak).

Tieto však vedú k entalpii fúzie (A _Fus ); pretože fúzia je proces v opačnom zmysle ako zmrazenie.

Ďalej je experimentálne ľahšie určiť teplotu topenia látky alebo zmesi ako je jej teplota tuhnutia; Aj keď sa môžu zdať rovnaké, vykazujú určité rozdiely.

Ako je uvedené v predchádzajúcej časti: čím vyššia je koncentrácia nečistôt, tým väčší je pokles bodu tuhnutia. Dá sa to tiež povedať takto: čím nižšia je molárna frakcia X tuhej látky v zmesi, tým nižšia je teplota.

Rovnica zníženia teploty

Nasledujúca rovnica vyjadruje a sumarizuje všetko, čo už bolo povedané:

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

Kde R je ideálna plynová konštanta, ktorá má takmer univerzálne použitie. T ° je normálny bod tuhnutia (pri okolitom tlaku) a T je teplota, pri ktorej tuhá látka zamrzne na molárnu frakciu X.

Z tejto rovnice a po niekoľkých zjednodušeniach sa získajú nasledujúce, lepšie známe:

ΔTc = K _F m (2)

Tam, kde m je molarita rozpustené látky alebo nečistoty, a K _F je cryoscopic konštanta rozpúšťadlá alebo kvapalnej zložky.

Príklady

Ďalej uvádzame stručný popis zmrazenia niektorých látok.

voda

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

V závislosti od množstva rozpustenej látky sú rôzne molyly m; a ako m stúpa, X klesá, ktorého hodnota môže byť nahradená v rovnici (1), a teda vyriešená pre T.

Napríklad, ak sa do mrazničky vloží pohár vody a druhý so sladenou vodou (alebo akýmkoľvek iným nápojom na báze vody), pohár vody najskôr zamrzne. Je to preto, že jeho kryštály sa tvoria rýchlejšie bez narušenia molekúl glukózy, iónov alebo iných druhov.

To isté by sa stalo, keby ste do mrazničky vložili pohár morskej vody. Teraz môže alebo nemusí byť pohár morskej vody zamrznutý skôr ako pohár sladkej vody; rozdiel bude závisieť od množstva rozpustenej látky a nie od jej chemickej povahy .

Z tohto dôvodu je pokles Tc (teplota tuhnutia) koligatívnou vlastnosťou.

alkohol

Zdroj: Pixabay

Alkoholy mrznú pri nízkych teplotách ako kvapalná voda. Napríklad etanol zamrzne okolo -114 ° C. Ak sa zmieša s vodou a inými zložkami, naopak dôjde k zvýšeniu bodu tuhnutia.

Prečo? Pretože voda, kvapalná látka miešateľná s alkoholom, zamrzne pri oveľa vyššej teplote (0 ° C).

Ak sa po návrate do chladničky s pohárom vody zavinie jedna s alkoholovým nápojom, bude to posledná, ktorá zamrzne. Čím vyššia je kvalita etylu, mraznička ju bude musieť ďalej ochladiť, aby sa nápoj zamrzol. Z tohto dôvodu je ťažšie zmraziť nápoje ako tequila.

mlieko

Zdroj: Pixabay

Mlieko je látka na vodnej báze, v ktorej je okrem iných lipoproteínov dispergovaný tuk spolu s laktózou a fosforečnanmi vápenatými.

Zložky, ktoré sú rozpustnejšie vo vode, určujú, do akej miery sa bude jeho teplota tuhnutia meniť v závislosti od zloženia.

V priemere mlieko zamrzne pri teplote okolo -0,54 ° C, ale pohybuje sa medzi -0,50 a -0,56 v závislosti od percentuálneho podielu vody. Je teda možné zistiť, 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 tekutej forme. Na zamrznutie je potrebné teplotu znížiť na -38,83 ° C; A tentokrát sa zabráni myšlienke naliať ho do pohára a vložiť do mrazničky, pretože by to mohlo viesť k hrozným nehodám.

Ortuť zmrzne pred alkoholom. Môže to byť spôsobené skutočnosťou, že ortuťový kryštál vibruje menej, pretože pozostáva z atómov spojených kovovými väzbami; keďže, v etanole, ktoré sú relatívne ľahké CH ₃ CH ₂ OH molekuly , ktoré musia byť pomaly ubytovaní.

benzín

Zo všetkých príkladov bodu tuhnutia je benzín najkomplexnejší. Rovnako ako mlieko je to zmes; ale jej báza nie je voda, ale skupina rôznych uhľovodíkov, z ktorých každý má svoje vlastné štrukturálne vlastnosti. Niektoré malé molekuly a niektoré veľké.

Uhľovodíky s nízkym tlakom pár najskôr zamrznú; zatiaľ čo ostatné zostanú v tekutom stave, aj keď je pohárik benzínu obklopený tekutým 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 benzínový ľad, pretože všetky zložky zmesi zamrznú; to znamená, že už nebude existovať kvapalná fáza v rovnováhe s pevnou látkou.

Referencie

1. Katedra fyziky, Illinoiská univerzita v Urbane-Champaign. (2018). Otázky a odpovede: Zmrznutie benzínu. Získané z: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Zásady fyzikálnochemie. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fyzikálno-chemická zmluva. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Španielsko).
4. Walter J. Moore. (1962). Fyzikálna chémia. (Štvrté vydanie). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Stanovenie bodu mrazu mlieka. Získané z: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. júna 2018). Bod mrazu alkoholu. Získané z: thinkco.com