FRYSPUNKT: HUR MAN BERÄKNAR DET OCH EXEMPEL - KEMI - 2025

Den fryspunkten är den temperatur vid vilken en substans erfar en flytande-fast jämvikt övergång. När det gäller substans kan det vara en förening, ett rent element eller en blandning. Teoretiskt fryser all materie när temperaturen sjunker till absolut noll (0K).

Extrema temperaturer är emellertid inte nödvändiga för att observera frysning av vätskor. Isberg är ett av de mest uppenbara exemplen på frysta vattendrag. På samma sätt kan fenomenet spåras i realtid med flytande kvävebad eller med en enkel frys.

Källa: Pxhere

Vad är skillnaden mellan frysning och stelning? Att den första processen är starkt beroende av temperatur, vätskans renhet och är en termodynamisk jämvikt; medan den andra är mer relaterad till förändringar i den kemiska sammansättningen av ämnet som stelnar, även utan att vara helt flytande (en pasta).

Därför är en frysning en stelning; men det omvända är inte alltid sant. För att utesluta termen stelning måste det dessutom finnas en vätskefas i jämvikt med det fasta ämnet av samma ämne; isberg gör detta: de flyter på flytande vatten.

Man står således inför frysningen av en vätska när en fast fas bildas som en följd av en sänkning av temperaturen. Trycket påverkar också denna fysiska egenskap, även om dess effekter är mindre i vätskor med lågt ångtryck.

Vad är fryspunkten?

När temperaturen sjunker minskar molekylernas genomsnittliga kinetiska energi och därför saknar de lite. När du går långsammare i vätskan kommer det en punkt där de samverkar tillräckligt för att bilda ett ordnat arrangemang av molekyler; detta är det första fasta materialet, från vilket större kristaller kommer att växa.

Om denna första fasta "vinglar" för mycket, kommer det att behövas sänka temperaturen ytterligare tills dess molekyler förblir tillräckligt. Temperaturen vid vilken detta uppnås motsvarar fryspunkten; därifrån etableras den vätskeformiga jämvikten.

Det föregående scenariot inträffar för rena ämnen; men vad händer om de inte är det?

I så fall måste molekylerna i det första fasta ämnet lyckas införliva de främmande molekylerna. Som ett resultat bildas en oren fast substans (eller fast lösning), som kräver en temperatur som är lägre än fryspunkten för dess bildning.

Vi talar då om sänkning av fryspunkten. Eftersom det finns fler främmande molekyler, eller mer korrekt talat, föroreningar, fryser vätskan vid lägre och lägre temperaturer.

Frysning mot löslighet

Med tanke på en blandning av två föreningar, A och B, när temperaturen sjunker, fryser A, medan B förblir flytande.

Scenariot liknar det som just har förklarats. En del av A har ännu inte frusit och är därför upplöst i B. Är det då fråga om löslighetsjämvikt snarare än en flytande-fast övergång?

Båda beskrivningarna är giltiga: En fälls ut eller fryser och skiljer sig från B när temperaturen sjunker. Alla A kommer att ha fallit ut när det inte längre är något av det löst i B; vilket är samma sak som att säga att A kommer att ha frusit helt.

Det är emellertid mer bekvämt att behandla fenomenet med tanke på frysning. Således fryser A först eftersom det har en lägre fryspunkt, medan B kommer att behöva svalare temperaturer.

Emellertid består "A av isen" faktiskt av ett fast ämne som har en rikare sammansättning av A än B; men B är där också. Detta beror på att A + B är en homogen blandning, och därför överförs en del av denna homogenitet till det frysta fasta ämnet.

Hur beräknar jag det?

Hur kan du förutsäga eller beräkna ett ämnes fryspunkt? Det finns fysisk-kemiska beräkningar som gör det möjligt att erhålla ett ungefärligt värde på denna punkt under andra tryck (annat än 1 atm, omgivningstrycket).

Dessa leder emellertid till fusionsentalpin (Δ _Fus ); eftersom fusionen är processen i motsatt mening av frysningen.

Dessutom är det experimentellt lättare att bestämma smältpunkten för ett ämne eller en blandning än dess fryspunkt. Även om de kan verka desamma, visar de vissa skillnader.

Som nämnts i föregående avsnitt: ju högre koncentration av föroreningar, desto större fall i fryspunkten. Detta kan också sägas på följande sätt: ju lägre molfraktionen X av det fasta ämnet i blandningen, desto lägre fryser temperaturen.

Ekvation för temperaturminskning

Följande ekvation uttrycker och sammanfattar allt som har sagts:

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

Där R är den ideala gaskonstanten, som har nästan universell användning. Tº är den normala fryspunkten (vid omgivningstryck), och T är temperaturen vid vilken det fasta ämnet fryser till en molfraktion X.

Från denna ekvation, och efter en serie förenklingar, erhålls följande, bättre kända,:

ΔTc = K _F m (2)

Där m är molaliteten av det lösta ämnet eller förorening, och K _F är den kryoskopisk konstanten för lösningsmedlet eller vätskekomponenten.

exempel

En kort beskrivning av frysningen av vissa ämnen kommer att ges nedan.

Vatten

Vattnet fryser runt 0 ° C. Detta värde kan emellertid minska om det innehåller ett löst ämne i det; att säga salt eller socker.

Beroende på mängden löst ämne finns det olika molaliteter m; och när m ökar minskar X, vars värde kan ersättas i ekvation (1) och därmed lösa för T.

Till exempel, om ett glas vatten placeras i en frys, och ett annat med sötat vatten (eller någon vattenbaserad dryck), fryser glaset först. Detta beror på att dess kristaller bildas snabbare utan störning av glukosmolekyler, joner eller andra arter.

Detsamma skulle hända om du lägger ett glas havsvatten i frysen. Nu kan glaset havsvatten frysas först eller inte än glaset med sötat vatten; skillnaden beror på mängden lösta ämnen och inte på dess kemiska natur .

Det är av detta skäl som minskningen av Tc (frysetemperatur) är en samverkande egenskap.

Alkohol

Källa: Pixabay

Alkoholer fryser vid kallare temperatur än flytande vatten. Exempelvis fryser etanol runt -114 ° C. Om det blandas med vatten och andra ingredienser kommer det att bli en ökning av fryspunkten tvärtom.

Varför? Eftersom vatten, en flytande substans blandbar med alkohol, fryser vid en mycket högre temperatur (0 ° C).

Återvända till kylen med glasögonen, om den här gången en med en alkoholhaltig dryck införs, kommer detta att vara det sista som fryser. Ju högre etylkvalitet måste frysen svalna ytterligare för att frysa drycken. Det är av detta skäl som drycker som tequila är svårare att frysa.

Mjölk

Källa: Pixabay

Mjölk är ett vattenbaserat ämne där fett sprids tillsammans med laktos och kalciumfosfater, utöver andra lipoproteiner.

De komponenter som är mer lösliga i vatten bestämmer hur mycket dess fryspunkt kommer att variera med kompositionen.

I genomsnitt fryser mjölk vid en temperatur runt -0,54 ° C, men den varierar mellan -0,50 och -0,56 beroende på vattenprocenten. Således är det möjligt att veta om mjölken har förfalskats. Och som ni kan se, kommer ett glas mjölk att frysa nästan i nivå med ett glas vatten.

Inte all mjölk fryser vid samma temperatur, eftersom dess sammansättning också beror på dess djurkälla.

Mercury

Kvicksilver är den enda metallen som är i flytande form vid rumstemperatur. För att frysa det är det nödvändigt att sänka temperaturen till -38,83 ºC; Och denna gång undviks idén att hälla det i ett glas och lägga den i en frys, eftersom det kan leda till fruktansvärda olyckor.

Observera att kvicksilver fryser innan alkohol. Detta kan bero på det faktum att kvicksilverkristallen vibrerar mindre eftersom den består av atomer länkade genom metalliska bindningar; medan i etanol, de är relativt lätta CH ₃ CH ₂ OH- molekyler som måste rymmas långsamt.

Bensin

Av alla exempel på fryspunkten är bensin den mest komplexa. Liksom mjölk är det en blandning; men dess bas är inte vatten, utan en grupp olika kolväten, var och en med sina egna strukturella egenskaper. Några av små molekyler och andra stora.

De kolväten med lägre ångtryck fryser först; medan de andra kommer att förbli i flytande tillstånd, även om ett glas bensin är omgivet av flytande kväve. Det kommer inte att bilda en "bensinis" ordentligt, men en gel med gulgröna toner.

För att frysa bensin helt kan det vara nödvändigt att kyla temperaturen till -200 ºC. Vid denna temperatur är det troligt att det kommer att bilda bensin, eftersom alla komponenter i blandningen har frusit; det vill säga att det inte längre kommer att finnas en vätskefas i jämvikt med ett fast ämne.

referenser

1. Institutionen för fysik, University of Illinois i Urbana-Champaign. (2018). Frågor och svar: Bensinfrysning. Återställd från: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Principer för fysikkemi. (Sjätte upplagan). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fysikokemiskt fördrag. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spanien).
4. Walter J. Moore. (1962). Fysisk kemi. (Fjärde upplagan). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Bestämning av mjölkets fryspunkt. Återställd från: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). Fryspunkten för alkohol. Återställd från: thoughtco.com