Zmrazení bodu, v čem spočívá, jak jej vypočítat a příklady

bod mrazu je teplota, při které látka podléhá rovnovážnému stavu kapalina-pevná látka. Pokud jde o látku, může to být sloučenina, čistý prvek nebo směs. Teoreticky mrzne, jakmile teplota klesne na absolutní nulu (0K)..

Extrémní teploty však nejsou nutné k pozorování zamrznutí kapalin. Ledovce jsou jedním z nejzřejmějších příkladů zmrazených vodních útvarů. Tento jev může být také sledován v reálném čase pomocí lázní s kapalným dusíkem nebo pomocí jednoduchého mrazáku.

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

Zmrazení je tedy tuhnutí; ale opak není vždy pravdivý. Dále, aby se zlikvidoval termín tuhnutí, musí existovat kapalná fáze v rovnováze s pevnou látkou stejné látky; ledovce toto splňují: plavou na tekuté vodě.

Tudíž, člověk čelí zmrazení kapaliny, když se vytvoří pevná fáze v důsledku poklesu teploty. Tlak také ovlivňuje tuto fyzikální vlastnost, i když její účinky jsou nižší v kapalinách s nízkým tlakem par.

Index

• 1 Co je bod mrazu??
  • 1.1 Zmrazení vs. rozpustnost
• 2 Jak jej vypočítat?
  • 2.1 Rovnice poklesu teploty
• 3 Příklady
  • 3.1 Voda
  • 3.2 Alkohol
  • 3.3 Mléko
  • 3.4 Rtuť
  • 3.5 Benzín
• 4 Odkazy

Co je bod mrazu??

Jak teplota klesá, průměrná kinetická energie molekul klesá, a proto se trochu zpomalují. Když v kapalině jdou pomaleji, přichází bod, ve kterém se dost dobře dostanou do uspořádání uspořádaného uspořádání molekuly; toto je první pevná látka, ze které budou růst větší krystaly.

Je-li tato první pevná látka příliš "vlní", pak bude nutné teplotu dále snižovat, dokud její molekuly nezůstanou dostatečně tiché. Teplota, při které se toho dosáhne, odpovídá bodu tuhnutí; Odtud se ustaví rovnováha kapalina-pevná látka.

Předchozí scénář se týká čistých látek; ale co když nejsou?

V takovém případě musí molekuly první pevné látky inkorporovat cizí molekuly. V důsledku toho se vytvoří nečistá pevná látka (nebo pevný roztok), která potřebuje nižší teplotu než je bod tuhnutí pro její vytvoření.

Mluvíme o tom Pokles bodu tuhnutí. Pokud existuje více cizích molekul, nebo přesněji řečeno, nečistoty, kapalina zamrzne při stále nižších teplotách.

Zmrazení vs. rozpustnost

Vzhledem ke směsi dvou sloučenin A a B, když teplota klesne, A zamrzne, zatímco B zůstává kapalná.

Scénář je podobný tomu, co bylo právě vysvětleno. Část A ještě nezmrzla, a je proto rozpuštěna v B. Je rovnováha rozpustnosti diskutována více než rovnováha mezi kapalinou a pevnou látkou??

Oba popisy jsou platné: A sráží nebo zamrzne od B, když teplota klesne. Všechny A se vysráží, když v něm nezůstane nic rozpuštěného; což je totéž, co říká, že A úplně zmrzne.

Je však vhodnější léčit tento jev z hlediska zmrazení. A proto zamrzne nejprve, protože má nižší bod tuhnutí, zatímco B bude potřebovat chladnější teploty.

Ve skutečnosti se však "led A" skládá z pevné látky, která má bohatší složení A než B; ale B je tam taky. Je to proto, že A + B je homogenní směs, a proto je část této homogenity přenesena do zmrazené pevné látky.

Jak to vypočítat?

Jak můžete předpovědět nebo vypočítat bod tuhnutí látky? Existují fyzikálně-chemické výpočty, které umožňují získat přibližnou hodnotu uvedeného bodu při jiných tlacích (odlišných od tlaku 1m, okolního tlaku)..

Tyto proudy však vstupují do entalpie fúze (A_Fus); protože, fúze je proces v opačném směru mrazu.

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

Jak bylo uvedeno v předchozí části: čím vyšší je koncentrace nečistot, tím větší je pokles bodu tuhnutí. To lze také říci následujícím způsobem: čím menší je molární frakce X pevné látky ve směsi, která bude zmrazovat při nižší teplotě.

Teplotní pokles rovnice

Následující rovnice vyjadřuje a shrnuje vše, co bylo řečeno:

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

Kde R je ideální plynová konstanta, která má téměř univerzální použití. Tº je normální bod tuhnutí (při okolním tlaku) a T je teplota, při které bude pevná látka zmrazovat v molárním zlomku X.

Z této rovnice a po sérii zjednodušení získáme následující, lépe známé:

ATT = K_Fm (2)

Kde m je molalita rozpuštěné látky nebo nečistoty a K_F je kryoskopická konstanta rozpouštědla nebo kapalné složky.

Příklady

Níže je uveden stručný popis zmrazení některých látek.

Voda

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

V závislosti na množství rozpuštěné solutu má různé m-molality; a když se zvětší m, sníží X, jehož hodnota může být nahrazena rovnicí (1) a tedy jasná T.

Například, pokud dáte sklenici vody do mrazničky a druhou se sladkou vodou (nebo jakýmkoliv nápojem na bázi vody), sklenice vody nejprve zamrzne. Je to proto, že jejich krystaly vznikají rychleji bez narušení molekul glukózy, iontů nebo jiných druhů.

Totéž by se stalo, kdyby do mrazničky byla vložena sklenice mořské vody. Sklo s mořskou vodou může nebo nemusí zamrznout nejdříve než sklo se slazenou vodou; rozdíl bude záviset na množství rozpuštěné látky a nikoli jeho chemická povaha.

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

Alkohol

Alkoholy zmrazují při chladnějších teplotách než kapalná voda. Například ethanol zamrzne kolem -114 ° C. Pokud je smíchán s vodou a dalšími přísadami, dojde ke zvýšení teploty tuhnutí.

Proč? Protože voda, kapalná látka a mísitelný s alkoholem, mrzne při mnohem vyšší teplotě (0 ° C).

Vraťte se do chladničky s brýlemi s vodou, pokud tentokrát zadáte alkohol s alkoholickým nápojem, bude to poslední zmrazení. Čím vyšší je stupeň ethyl, tím mraznička by měla chladit, aby zmrazila nápoj. Z tohoto důvodu se nápoje jako tequila obtížněji zmrazují.

Mléko

Mléko je látka na bázi vody, ve které je tuk spolu s jinými lipoproteiny dispergován spolu s laktózou a fosforečnany vápenatými..

Ty složky, které jsou rozpustnější ve vodě, jsou ty, které určují, kolik bude měnit bod tuhnutí s kompozicí.

V průměru se mléko zmrazuje při teplotě -0,54 ° C, ale pohybuje se v rozmezí -0,50 až -0,56 v závislosti na procentu vody. Takže můžete vědět, zda bylo mléko zneuctěno. A jak vidíte, sklenice mléka zamrzne téměř na stejné úrovni se sklenicí vody.

Ne všechny mléko zamrzne při stejné teplotě, protože jeho složení závisí také na jeho zvířecím zdroji.

Rtuť

Rtuť je jediný kov, který je v kapalné formě při pokojové teplotě. Pro jeho zmrazení je nutné snížit teplotu na -38,83 ° C; a tentokrát se vyhnete myšlence nalít ji do sklenice a dát ji do mrazničky, protože by to mohlo vést k hrozným nehodám.

Všimněte si, že rtuť mrzne před alkoholem. To může být způsobeno skutečností, že krystal rtuti vibruje méně, protože se skládá z atomů spojených kovovými vazbami; zatímco v ethanolu jsou to molekuly CH₃CH₂OH relativně lehké, které musí být přizpůsobeno pomalu.

Benzín

Ze všech příkladů zmrazení je nejsložitější benzín. Jako mléko je to směs; ale jeho základna není voda, ale skupina několika uhlovodíků, z nichž každá má své vlastní strukturní charakteristiky. Některé z malých molekul a jiné velké.

Ty uhlovodíky s nižším tlakem par nejprve zamrznou; zatímco ostatní zůstanou kapalné, i když je sklenice benzínu obklopena kapalným dusíkem. Nebude správně tvořit "benzínový led", ale gel se žlutozelenými tóny.

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

Odkazy

1. Katedra fyziky, University of Illinois v Urbana-Champaign. (2018). Otázky a odpovědi: Zmrazení benzínu. Zdroj: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Principy fyzikální chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Smlouva o fyzikální chemii. Aguilar S. A. de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Španělsko).
4. Walter J. Moore. (1962). Fyzikální chemie (Čtvrté vydání). Longmans.
5. Sibagropribor (2015). Stanovení bodu tuhnutí mléka. Zdroj: sibagropribor.ru