SASALŠANAS PUNKTS: KĀ TO APRĒĶINĀT, UN PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Sasalšanas punkts ir temperatūra, kurā viela piedzīvo šķidru-ciets pārejas līdzsvaru. Runājot par vielu, tas var būt savienojums, tīrs elements vai maisījums. Teorētiski visa matērija sasalst, temperatūrai pazeminoties līdz absolūtai nullei (0K).

Tomēr, lai novērotu šķidrumu sasalšanu, nav nepieciešama ārkārtēja temperatūra. Aisbergi ir viens no acīmredzamākajiem sasalušo ūdenstilpņu piemēriem. Tāpat parādību var izsekot reālā laikā, izmantojot šķidrā slāpekļa vannas vai izmantojot vienkāršu saldētavu.

Avots: Pxhere

Kāda ir atšķirība starp sasaldēšanu un sacietēšanu? Tas, ka pirmais process ir ļoti atkarīgs no temperatūras, šķidruma tīrības un ir termodinamiskais līdzsvars; savukārt otrais ir vairāk saistīts ar izmaiņām ķīmiskajā sastāvā vielai, kas sacietē, pat ja tā nav pilnīgi šķidra (pasta).

Tāpēc iesaldēšana ir sacietēšana; bet otrādi ne vienmēr ir taisnība. Turklāt, lai izslēgtu terminu “sacietēšana”, ir jābūt šķidrai fāzei, kas ir līdzsvarā ar vienas un tās pašas vielas cieto vielu; aisbergi to dara: tie peld uz šķidra ūdens.

Tādējādi, saskaroties ar šķidrumu, temperatūras pazemināšanās rezultātā izveidojas cieta fāze. Spiediens ietekmē arī šo fizisko īpašību, kaut arī šķidrumos ar zemu tvaika spiedienu tā ietekme ir mazāka.

Kāda ir sasalšanas temperatūra?

Temperatūrai pazeminoties, molekulu vidējā kinētiskā enerģija samazinās, un tāpēc tās nedaudz palēninās. Palielinoties šķidrumam lēnāk, nāk punkts, kurā tie mijiedarbojas pietiekami, lai veidotu sakārtotu molekulu izkārtojumu; šī ir pirmā cietā viela, no kuras augs lielāki kristāli.

Ja šī pirmā cietā viela "ļodzina" par daudz, tad būs nepieciešams vēl vairāk pazemināt temperatūru, līdz tās molekulas joprojām paliek pietiekami lielas. Temperatūra, kurā to panāk, atbilst sasalšanas temperatūrai; no turienes tiek izveidots šķidruma-cietā līdzsvars.

Iepriekšējais scenārijs attiecas uz tīrām vielām; bet ko tad, ja tādu nav?

Tādā gadījumā pirmās cietās vielas molekulām jāspēj iekļaut svešās molekulas. Tā rezultātā veidojas neattīrīta cieta viela (vai ciets šķīdums), kuras veidošanai nepieciešama temperatūra, kas ir zemāka par sasalšanas temperatūru.

Tad mēs runājam par sasalšanas punkta pazemināšanu. Tā kā ir vairāk svešu molekulu vai, pareizāk sakot, piemaisījumu, šķidrums sasalst zemākā un zemākā temperatūrā.

Sasalšana vs šķīdība

Ņemot vērā divu savienojumu - A un B - maisījumu, temperatūrai pazeminoties, A sasalst, bet B paliek šķidrs.

Scenārijs ir līdzīgs nupat izskaidrotajam. Daļa A vēl nav sasalusi un tāpēc izšķīst B. Vai tad runājam par šķīdības līdzsvaru, nevis par šķidruma-cietā pāreju?

Abi apraksti ir derīgi: A izgulsnējas vai sasalst, temperatūras pazemināšanās laikā atdaloties no B. Viss A būs izgulsnējies, kad vairs nebūs tā, kas izšķīdis B; kas ir tas pats, kas teikt, ka A būs pilnībā sasalusi.

Tomēr ir ērtāk parādību ārstēt no sasalšanas viedokļa. Tādējādi A vispirms sasalst, jo tam ir zemāks sasalšanas punkts, savukārt B būs nepieciešama vēsāka temperatūra.

Tomēr "A ledus" faktiski sastāv no cietas vielas, kurai ir bagātāks A sastāvs nekā B; bet tur ir arī B. Tas notiek tāpēc, ka A + B ir viendabīgs maisījums, un tāpēc daļa no šīs viendabības tiek pārnesta uz sasaldētu cietu vielu.

Kā to aprēķināt?

Kā jūs varat paredzēt vai aprēķināt vielas sasalšanas punktu? Ir fizikāli ķīmiski aprēķini, kas ļauj iegūt aptuvenu šī punkta vērtību pie citiem spiedieniem (izņemot 1atm, apkārtējā spiediena).

Tomēr tie noved pie saplūšanas entalpijas (Δ _Fus ); jo saplūšana ir process sasalšanas pretējā nozīmē.

Turklāt eksperimentāli vielas vai maisījuma kušanas punktu ir vieglāk noteikt nekā tā sasalšanas punktu; Lai arī tie var šķist vienādi, tie parāda noteiktas atšķirības.

Kā minēts iepriekšējā sadaļā: jo augstāka ir piemaisījumu koncentrācija, jo lielāks ir sasalšanas punkta kritums. To var arī sacīt šādi: jo zemāka maisījumā ir cietās vielas molu frakcija X, jo zemāka temperatūra sasalst.

Temperatūras pazemināšanās vienādojums

Šis vienādojums izsaka un apkopo visu teikto:

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

Kur R ir ideāla gāzes konstante, kurai ir gandrīz universāls pielietojums. Tº ir parastais sasalšanas punkts (pie apkārtējā spiediena), un T ir temperatūra, kurā cietā viela sasalst līdz molu daļai X.

No šī vienādojuma un pēc vairāku vienkāršojumu sērijas iegūst šādu, labāk zināmu:

ΔTc = K _F m (2)

Kur m ir izšķīdušās vielas vai piemaisījumu molitāte, un K _F ir šķīdinātāja vai šķidruma komponenta krioskopiskā konstante.

Piemēri

Turpmāk sniegts īss dažu vielu sasalšanas apraksts.

Ūdens

Ūdens sasalst ap 0ºC. Tomēr šī vērtība var samazināties, ja tajā ir izšķīdināts šķīdums; jāsaka, sāls vai cukurs.

Atkarībā no izšķīdinātā šķīdinātā daudzuma ir dažādas molaritātes m; un, palielinoties m, X samazinās, kura vērtību var aizstāt ar vienādojumu (1) un tādējādi atrisināt T.

Piemēram, ja saldētavā ieliek glāzi ar ūdeni, bet otru - ar saldinātu ūdeni (vai jebkuru dzērienu uz ūdens bāzes), vispirms glāze ūdens sasalst. Tas notiek tāpēc, ka tā kristāli veidojas ātrāk, netraucējot glikozes molekulas, jonus vai citas sugas.

Tas pats notiktu, ja saldētavā ievietotu glāzi jūras ūdens. Tagad jūras ūdens glāze vispirms var būt vai nevar būt sasalusi kā glāze saldināta ūdens; atšķirība būs atkarīga no izšķīdinātā daudzuma, nevis no tā ķīmiskās īpašības .

Tieši šī iemesla dēļ Tc (sasalšanas temperatūras) pazemināšanās ir kolagējoša īpašība.

Alkohols

Avots: Pixabay

Alkoholi sasalst vēsākā temperatūrā nekā šķidrs ūdens. Piemēram, etanols sasalst ap -114 ° C. Ja sajauc ar ūdeni un citām sastāvdaļām, tieši pretēji, palielinās sasalšanas temperatūra.

Kāpēc? Tā kā ūdens, šķidra viela, kas sajaucas ar spirtu, sasalst daudz augstākā temperatūrā (0ºC).

Atgriešanās ledusskapī ar ūdens glāzēm, ja šoreiz tiks ieviests viens ar alkoholisko dzērienu, tas būs pēdējais, kas iesaldēs. Jo augstāka ir etilēna kategorija, jo saldētavā tas būs jāatdzesē tālāk, lai dzēriens būtu sasaldēts. Tieši šī iemesla dēļ dzērienus, piemēram, tekilas, ir grūtāk sasaldēt.

Piens

Avots: Pixabay

Piens ir viela uz ūdens bāzes, kurā papildus citiem lipoproteīniem tauki tiek izkliedēti kopā ar laktozi un kalcija fosfātiem.

Tie komponenti, kas labāk šķīst ūdenī, nosaka, cik lielā mērā tā sasalšanas temperatūra mainīsies atkarībā no sastāva.

Vidēji piens sasalst temperatūrā ap -0,54ºC, bet tas svārstās no -0,50 līdz -0,56 atkarībā no ūdens procentuālā daudzuma. Tādējādi ir iespējams uzzināt, vai piens ir viltots. Un kā redzat, glāze piena sasalst gandrīz līdzvērtīgi ūdens glāzei.

Ne viss piens sasalst tajā pašā temperatūrā, jo tā sastāvs ir atkarīgs arī no tā izcelsmes dzīvniekiem.

Dzīvsudrabs

Dzīvsudrabs ir vienīgais metāls, kas istabas temperatūrā ir šķidrā veidā. Lai to sasaldētu, ir nepieciešams pazemināt temperatūru līdz –38,83ºC; Un šoreiz no idejas to ieliet glāzē un ievietot saldētavā izvairīsies, jo tas varētu izraisīt briesmīgus negadījumus.

Ņemiet vērā, ka dzīvsudrabs sasalst pirms alkohola. Tas var būt saistīts ar faktu, ka dzīvsudraba kristāls mazāk vibrē, jo tas sastāv no atomiem, kas saistīti ar metāliskām saitēm; tā kā etanolā tās ir salīdzinoši vieglas CH ₃ CH ₂ OH molekulas, kurām lēnām jāatrodas.

Benzīns

No visiem sasalšanas temperatūras piemēriem vissarežģītākais ir benzīns. Tāpat kā piens, tas ir maisījums; bet tā bāze nav ūdens, bet dažādu ogļūdeņražu grupa, kurai katram ir savas strukturālās īpašības. Dažas no mazām molekulām un dažas lielas.

Vispirms sasalst tie ogļūdeņraži ar zemāku tvaika spiedienu; bet pārējie paliks šķidri, pat ja glāzi benzīna ieskauj šķidrs slāpeklis. Tas neveidos “benzīna ledu”, bet gan gēlu ar dzeltenīgi zaļiem toņiem.

Lai pilnībā iesaldētu benzīnu, var būt nepieciešams atdzesēt temperatūru līdz -200ºC. Šajā temperatūrā ir iespējams, ka veidosies benzīna ledus, jo visi maisījuma komponenti būs sasaluši; tas ir, vairs nebūs šķidras fāzes līdzsvarā ar cietu vielu.

Atsauces

1. Ilinoisas Universitātes Fizikas nodaļa Urbana-Champaign. (2018). Jautājumi un atbildes: Benzīna sasalšana. Atgūts no: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Fizikāli ķīmijas principi. (Sestais izdevums). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fizikāli ķīmiskais līgums. Aguilar SA de Ediciones, Huans Bravo, 38, Madride (Spānija).
4. Valters J. Mūrs. (1962). Fizikālā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Piena sasalšanas temperatūras noteikšana. Atgūts no: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 22. jūnijs). Alkohola sasalšanas temperatūra. Atgūts no: domaco.com