PUNCTUL DE ÎNGHEȚ: CUM SE CALCULEAZĂ ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Punctul de îngheț este temperatura la care o substanță prezintă un echilibru de tranziție lichid-solid. Când vine vorba de substanță, poate fi un compus, un element pur sau un amestec. Teoretic, toată materia îngheață, deoarece temperatura scade la zero absolut (0K).

Cu toate acestea, nu sunt necesare temperaturi extreme pentru a observa înghețarea lichidelor. Aisbergurile sunt unul dintre cele mai evidente exemple de corpuri de apă înghețate. De asemenea, fenomenul poate fi urmărit în timp real folosind băi cu azot lichid sau folosind un congelator simplu.

Sursa: Pxhere

Care este diferența dintre congelare și solidificare? Că primul proces depinde foarte mult de temperatură, de puritatea lichidului și este un echilibru termodinamic; în timp ce al doilea este legat mai mult de modificările compoziției chimice a substanței care se solidifică, chiar și fără a fi complet lichid (o pastă).

Prin urmare, o înghețare este o solidificare; dar inversul nu este întotdeauna adevărat. Mai mult, pentru a exclude termenul de solidificare, trebuie să existe o fază lichidă în echilibru cu solidul din aceeași substanță; aisbergurile fac acest lucru: plutesc pe apa lichidă.

Astfel, unul se confruntă cu înghețarea unui lichid atunci când se formează o fază solidă ca urmare a scăderii temperaturii. Presiunea influențează, de asemenea, această proprietate fizică, deși efectele sale sunt mai puține în lichide cu presiuni mici de vapori.

Care este punctul de îngheț?

Pe măsură ce temperatura scade, energia cinetică medie a moleculelor scade și, prin urmare, încetinesc puțin. Pe măsură ce mergeți mai lent în lichid, vine un punct în care interacționează suficient pentru a forma un aranjament ordonat de molecule; acesta este primul solid, din care vor crește cristale mai mari.

Dacă acest prim solid "se înnebunește" prea mult, atunci va fi necesar să scădeți și mai mult temperatura până când moleculele sale rămân suficient. Temperatura la care este atinsă corespunde punctului de îngheț; de acolo, se stabilește echilibrul lichid-solid.

Scenariul anterior apare pentru substanțele pure; dar ce se întâmplă dacă nu sunt?

În acest caz, moleculele primului solid trebuie să reușească să încorporeze moleculele străine. Ca urmare, se formează un solid (sau o soluție solidă) impură, care necesită o temperatură mai mică decât punctul de îngheț pentru formarea sa.

Vorbim atunci despre scăderea punctului de îngheț. Deoarece există mai multe molecule străine, sau mai corect vorbind, impuritățile, lichidul va îngheța la temperaturi mai mici și mai mici.

Congelare vs solubilitate

Având în vedere un amestec de doi compuși, A și B, pe măsură ce temperatura scade, A îngheață, în timp ce B rămâne lichid.

Scenariul este similar cu ceea ce tocmai a fost explicat. O parte din A nu s-a înghețat și este deci dizolvată în B. Este atunci echilibrul de solubilitate despre care vorbim mai degrabă decât o tranziție lichid-solid?

Ambele descrieri sunt valabile: A precipită sau îngheață, separând de B pe măsură ce temperatura scade. Tot A va fi precipitat atunci când nu mai există nimic dizolvat în B; ceea ce înseamnă că A va fi înghețat complet.

Cu toate acestea, este mai convenabil să tratați fenomenul din punct de vedere al înghețării. Astfel, A îngheață mai întâi, deoarece are un punct de îngheț mai mic, în timp ce B va avea nevoie de temperaturi mai reci.

Cu toate acestea, "gheața lui A" constă de fapt dintr-un solid care are o compoziție mai bogată de A decât B; dar și B este acolo. Acest lucru se datorează faptului că A + B este un amestec omogen și, prin urmare, o parte din acea omogenitate este transferată în solidul înghețat.

Cum să-l calculez?

Cum puteți prezice sau calcula punctul de îngheț al unei substanțe? Există calcule fizico-chimice care permit obținerea unei valori aproximative a acestui punct sub alte presiuni (altele decât 1atm, presiunea ambientală).

Totuși, acestea conduc la entalpia fuziunii (Δ _Fus ); deoarece, fuziunea este procesul în sens opus înghețării.

Mai mult, experimental este mai ușor să se determine punctul de topire al unei substanțe sau al unui amestec decât punctul său de îngheț; Deși pot părea aceleași, arată anumite diferențe.

Așa cum am menționat în secțiunea anterioară: cu cât concentrația de impurități este mai mare, cu atât scade punctul de înghețare. Acest lucru se poate spune și după cum urmează: cu cât fracția X de solid este mai mică în amestec, cu cât temperatura va îngheța mai mică.

Ecuația de scădere a temperaturii

Ecuația următoare exprimă și rezumă tot ceea ce s-a spus:

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

Unde R este constantă ideală de gaz, care are o utilizare aproape universală. Tº este punctul normal de îngheț (la presiunea mediului), iar T este temperatura la care solidul va îngheța până la o fracție molă X.

Din această ecuație și după o serie de simplificări, se obțin următoarele, mai cunoscute, sunt:

ΔTc = K _F m (2)

Unde m este molalitatea solutului sau a impurității, iar K _F este constanta crioscopică a solventului sau a componentei lichide.

Exemple

O scurtă descriere a înghețării unor substanțe va fi prezentată mai jos.

Apă

Apa îngheață în jurul valorii de 0ºC. Cu toate acestea, această valoare poate scădea dacă conține o soluție dizolvată în ea; să zicem, sare sau zahăr.

În funcție de cantitatea de solut dizolvat, există diferite molalități m; și pe măsură ce m crește, X scade, a cărei valoare poate fi substituită în ecuația (1) și astfel se rezolvă pentru T.

De exemplu, dacă puneți un pahar cu apă într-un congelator și altul cu apă îndulcită (sau orice băutură pe bază de apă), primul pahar de apă va îngheța. Acest lucru se datorează faptului că cristalele sale se formează mai rapid fără perturbarea moleculelor de glucoză, ionilor sau altor specii.

La fel s-ar întâmpla dacă ai pune un pahar cu apă de mare în congelator. Acum, paharul cu apă de mare poate fi sau nu mai întâi înghețat decât paharul cu apă îndulcită; diferența va depinde de cantitatea de solut și nu de natura sa chimică .

Din acest motiv, scăderea Tc (temperatura de îngheț) este o proprietate coligativă.

Alcool

Sursa: Pixabay

Alcoolii îngheață la temperaturi mai reci decât apa lichidă. De exemplu, etanolul îngheață în jur de -114 ° C. Dacă se amestecă cu apă și alte ingrediente, dimpotrivă, va crește punctul de îngheț.

De ce? Deoarece apa, o substanță lichidă miscibilă cu alcoolul, îngheață la o temperatură mult mai ridicată (0ºC).

Revenind la frigider cu paharele de apă, dacă de această dată se introduce una cu o băutură alcoolică, aceasta va fi ultima care va îngheța. Cu cât gradul etilic este mai mare, congelatorul va trebui să-l răcească în continuare pentru a îngheța băutura. Din acest motiv, băuturile precum tequila sunt mai greu de congelat.

Lapte

Sursa: Pixabay

Laptele este o substanta pe baza de apa, in care grasimea este dispersata impreuna cu lactoza si fosfatii de calciu, pe langa alte lipoproteine.

Acele componente care sunt mai solubile în apă determină cât de mult va varia punctul său de îngheț cu compoziția.

În medie, laptele îngheață la o temperatură în jur de -0,54ºC, dar variază între -0,50 și -0,56 în funcție de procentul de apă. Astfel, este posibil să știm dacă laptele a fost adulat. Și după cum vedeți, un pahar de lapte se va îngheța aproape la egalitate cu un pahar cu apă.

Nu tot laptele îngheață la aceeași temperatură, deoarece compoziția sa depinde și de sursa animală.

Mercur

Mercurul este singurul metal care este sub formă lichidă la temperatura camerei. Pentru a-l îngheța, este necesară scăderea temperaturii la -38,83 ºC; Și de această dată va fi evitată ideea de a-l turna într-un pahar și a-l pune la congelator, deoarece ar putea duce la accidente groaznice.

Rețineți că mercurul îngheață înainte de alcool. Acest lucru se poate datora faptului că cristalul de mercur vibrează mai puțin, deoarece constă din atomi legați de legături metalice; întrucât în etanol, ele sunt relativ ușoare CH ₃ CH ₂ OH molecule care trebuie cazate lent.

Benzină

Dintre toate exemplele de punct de îngheț, benzina este cea mai complexă. Ca și laptele, este un amestec; dar baza sa nu este apa, ci un grup de hidrocarburi diferite, fiecare având propriile sale caracteristici structurale. Unele dintre molecule mici și altele mari.

Acele hidrocarburi cu presiuni mai mici de vapori se vor îngheța mai întâi; în timp ce celelalte vor rămâne în stare lichidă, chiar dacă un pahar de benzină este înconjurat de azot lichid. Nu va forma corect o „gheață pe benzină”, ci un gel cu tonuri de galben-verde.

Pentru a îngheța complet benzina, poate fi necesară răcirea temperaturii până la -200ºC. La această temperatură este probabil să se formeze gheață pe benzină, deoarece toate componentele amestecului vor fi înghețate; adică nu va mai exista o fază lichidă în echilibru cu un solid.

Referințe

1. Departamentul de fizică, Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign. (2018). Întrebări și întrebări: înghețarea benzinei. Recuperat din: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Principiile fizico-chimiei. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Tratat fizico-chimic. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spania).
4. Walter J. Moore. (1962). Chimie Fizica. (A patra editie). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Determinarea punctului de congelare a laptelui. Recuperat din: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (22 iunie 2018). Punctul de îngheț al alcoolului. Recuperat de la: thinkco.com