JÄÄTYMISPISTE: KUINKA SE LASKETAAN, JA ESIMERKKEJÄ - KEMIA - 2026

Jäätymispiste on lämpötila, jossa aineen kokee nesteen ja kiinteän aineen siirtyminen tasapaino. Aineen osalta se voi olla yhdiste, puhdas alkuaine tai seos. Teoriassa kaikki aine jäätyy lämpötilan laskiessa absoluuttiseen nollaan (0K).

Äärimmäiset lämpötilat eivät kuitenkaan ole tarpeen nesteiden jäätymisen valvomiseksi. Jäävuoret ovat yksi ilmeisimmistä esimerkeistä jäätyneistä vesistöistä. Samoin ilmiötä voidaan seurata reaaliajassa nestemäisten typpihauteiden tai yksinkertaisen pakastimen avulla.

Lähde: Pxhere

Mitä eroa jäätymisellä ja jähmettymisellä on? Että ensimmäinen prosessi riippuu suuresti lämpötilasta, nesteen puhtaudesta ja on termodynaaminen tasapaino; kun taas toinen liittyy enemmän muutoksiin aineen kemiallisessa koostumuksessa, joka jähmettyy, vaikka se ei olisikaan täysin nestemäistä (pasta).

Siksi jäätyminen on kiinteytymistä; mutta päinvastainen ei aina ole totta. Lisäksi kiinteytymisen käsitteen sulkemiseksi pois on oltava nestemäinen faasi, joka on tasapainossa saman aineen kiinteän aineen kanssa; jäävuoret tekevät tämän: ne kelluvat nestemäisessä vedessä.

Siten nesteen jäätyminen on edessään, kun lämpötilan laskun seurauksena muodostuu kiinteä faasi. Paine vaikuttaa myös tähän fysikaaliseen ominaisuuteen, vaikka sen vaikutukset ovat vähemmän nesteissä, joissa on alhainen höyrynpaine.

Mikä on jäätymispiste?

Lämpötilan laskiessa molekyylien keskimääräinen kineettinen energia laskee, ja siksi ne hidastuvat hiukan. Kun menet hitaammin nesteessä, tulee kohta, jossa ne ovat vuorovaikutuksessa riittävän hyvin muodostaen määrätyn järjestelyn molekyylejä; tämä on ensimmäinen kiinteä aine, josta suurempia kiteitä kasvaa.

Jos tämä ensimmäinen kiinteä "heiluu" liikaa, niin lämpötilaa on tarpeen alentaa vielä enemmän, kunnes sen molekyylit pysyvät vielä tarpeeksi. Lämpötila, jossa tämä saavutetaan, vastaa jäätymispistettä; sen jälkeen neste-kiinteä tasapaino saadaan aikaan.

Edellinen skenaario esiintyy puhtaiden aineiden osalta; mutta entä jos he eivät ole?

Tällöin ensimmäisen kiinteän aineen molekyylien on kyettävä sisällyttämään vieraat molekyylit. Seurauksena muodostuu epäpuhdas kiinteä aine (tai kiinteä liuos), jonka muodostuminen vaatii jäätymispistettä alhaisemman lämpötilan.

Puhumme sitten jäätymispisteen alentamisesta. Koska vieraita molekyylejä tai oikein sanottuna epäpuhtauksia on enemmän, neste jäätyy alhaisemmissa ja alemmissa lämpötiloissa.

Jäätyminen vs liukoisuus

Kun saadaan seos kahdesta yhdisteestä, A ja B, lämpötilan laskiessa A jäätyy, kun taas B pysyy nestemäisenä.

Skenaario on samanlainen kuin mitä juuri selitettiin. Osa A: sta ei ole vielä jäätynyt ja liukenee siksi B: een. Puhummeko sitten liukoisuuden tasapainosta pikemminkin nestemäisen ja kiinteän siirtymävaiheen aikana?

Molemmat kuvaukset ovat päteviä: A saostuu tai jäätyy, erottuen pisteestä B lämpötilan laskiessa. Kaikki A on saostunut, kun sitä ei enää ole liuennut B: hen; mikä on sama kuin sanoa, että A on jäätynyt kokonaan.

On kuitenkin helpompaa käsitellä ilmiötä jäätymisen kannalta. Siten A jäätyy ensin, koska sillä on alempi jäätymispiste, kun taas B tarvitsee viileämpiä lämpötiloja.

Kuitenkin "A-jää" koostuu itse asiassa kiinteästä aineesta, jolla on rikkaampi koostumus kuin A; mutta B on myös siellä. Tämä johtuu siitä, että A + B on homogeeninen seos, ja siksi osa tästä homogeenisyydestä siirtyy pakastettuun kiinteään aineeseen.

Kuinka laskea se?

Kuinka voit ennustaa tai laskea aineen jäätymispisteen? On fysikaalis-kemiallisia laskelmia, jotka sallivat tämän pisteen likimääräisen arvon saamisen muissa paineissa (muut kuin 1 atm, ympäröivä paine).

Nämä johtavat kuitenkin fuusion entalpiaan (A _Fus); koska fuusio on jäätymisen vastakkaisessa mielessä tapahtuva prosessi.

Lisäksi kokeellisesti on helpompaa määrittää aineen tai seoksen sulamispiste kuin sen jäätymispiste; Vaikka ne saattavat vaikuttaa samoilta, niillä on tiettyjä eroja.

Kuten edellisessä osassa mainittiin: mitä suurempi epäpuhtauksien pitoisuus, sitä suurempi jäätymispisteen pudotus on. Tämä voidaan myös sanoa seuraavasti: mitä alempi seoksessa on kiinteän aineen moolijake X, sitä alhaisempi lämpötila jäätyy.

Lämpötilan laskuyhtälö

Seuraava yhtälö ilmaisee ja tiivistää kaiken sanotun:

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

Missä R on ihanteellinen kaasuvakio, jolla on melkein yleinen käyttö. Tº on normaali jäätymispiste (ympäröivässä paineessa) ja T on lämpötila, jossa kiinteä aine jäätyy moolijakeen X.

Tästä yhtälöstä ja yksinkertaistussarjojen jälkeen saadaan seuraava, paremmin tunnettu:

ΔTc = K _F m (2)

Jossa m on molaalisuutena liuenneen aineen tai epäpuhtauden, ja K _F on kryoskooppinen vakio liuottimen tai nestemäisen komponentin.

esimerkit

Seuraavassa annetaan lyhyt kuvaus joidenkin aineiden jäätymisestä.

vesi

Vesi jäätyy noin 0ºC: n lämpötilaan. Tämä arvo voi kuitenkin laskea, jos se sisältää siihen liuenneen liuenneen aineen; sanoa suolaa tai sokeria.

Liuenneen liuenneen aineen määrästä riippuen on eri moolisuuksia m; ja kun m kasvaa, X pienenee, jonka arvo voidaan korvata yhtälössä (1) ja siten ratkaista T: lle.

Esimerkiksi, jos lasi vettä asetetaan pakastimeen, ja toinen makeutusvedellä (tai millä tahansa vesipohjaisella juomalla), lasillinen vettä jäätyy ensin. Tämä johtuu siitä, että sen kiteet muodostuvat nopeammin häiritsemättä glukoosimolekyylejä, ioneja tai muita lajeja.

Sama tapahtuisi, jos laitat lasillisen merivettä pakastimeen. Nyt lasi merivettä voi jäätyä tai olla jäätymättä ensin kuin lasi makeutettua vettä; ero riippuu liuenneen aineen määrästä eikä sen kemiallisesta luonteesta.

Tästä syystä Tc: n (jäätymislämpötilan) lasku on kollagektiivinen ominaisuus.

alkoholi

Lähde: Pixabay

Alkoholit jäätyvät kylmempään lämpötilaan kuin nestemäinen vesi. Esimerkiksi etanoli jäätyy -144 ° C: n lämpötilassa. Jos sekoitetaan veden ja muiden aineosien kanssa, jäätymispiste kasvaa päinvastoin.

Miksi? Koska vesi, nestemäinen aine, joka sekoittuu alkoholin kanssa, jäätyy paljon korkeammassa lämpötilassa (0ºC).

Palaa jääkaappiin lasillisilla vesillä, jos tällä kertaa otetaan käyttöön alkoholijuoma, tämä jäädyttää viimeisenä. Mitä korkeampi etyyliluokka, sitä pakastimen on jäähdytettävä edelleen juoman jäädyttämiseksi. Juuri tästä syystä juomia, kuten tequilaa, on vaikeampi jäädyttää.

Maito

Lähde: Pixabay

Maito on vesipohjainen aine, johon rasva dispergoituu yhdessä laktoosin ja kalsiumfosfaattien kanssa muiden lipoproteiinien lisäksi.

Ne komponentit, jotka ovat vesiliukoisempia, määräävät kuinka paljon sen jäätymispiste vaihtelee koostumuksen mukaan.

Maito jäätyy keskimäärin -0,54ºC: n lämpötilassa, mutta se vaihtelee välillä -0,50 - -0,56 veden prosentuaalisuudesta riippuen. Siten on mahdollista tietää, onko maito väärennetty. Ja kuten voitte nähdä, lasillinen maitoa jäätyy melkein saman verran kuin lasillinen vettä.

Kaikki maito ei jäätyä samassa lämpötilassa, koska sen koostumus riippuu myös sen eläinlähteestä.

elohopea

Elohopea on ainoa nestemuodossa oleva metalli huoneenlämpötilassa. Sen jäädyttämiseksi on tarpeen alentaa lämpötila -38,83ºC: seen; Ja tällä kertaa vältetään ajatus kaataa se lasiin ja asettaa pakastimeen, koska se voi johtaa hirvittäviin onnettomuuksiin.

Huomaa, että elohopea jäätyy ennen alkoholia. Tämä voi johtua siitä, että elohopeakiteet värähtelevät vähemmän, koska se koostuu metallisidoksilla kytketyistä atomeista; kun taas etanoliin, ne ovat suhteellisen kevyt CH ₃ CH ₂ OH -molekyylejä, jotka on sijoitettu hitaasti.

Bensiini

Kaikista jäätymispisteesimerkkeistä bensiini on monimutkaisin. Kuten maito, se on sekoitus; mutta sen emäs ei ole vesi, vaan ryhmä erilaisia ​​hiilivetyjä, joilla jokaisella on omat rakenneominaisuutensa. Jotkut pienistä molekyyleistä ja toiset suurista.

Ne hiilivedyt, joilla on alhaisempi höyrynpaine, jäätyvät ensin; kun taas muut pysyvät nestemäisessä tilassa, vaikka lasillinen bensiiniä ympäröi nestemäinen typpi. Se ei muodosta kunnolla "bensiinijää", vaan geeli, jolla on kelta-vihreät sävyt.

Bensiinin jäädyttämiseksi kokonaan voi olla tarpeen jäähdyttää lämpötila -200ºC: seen. Tässä lämpötilassa on todennäköistä, että muodostuu bensiinijäätä, koska kaikki seoksen komponentit ovat jäätyneet; ts. ei enää ole nestemäistä faasia tasapainossa kiinteän aineen kanssa.

Viitteet

1. Fysiikan laitos, Illinoisin yliopisto, Urbana-Champaign. (2018). Kysymyksiä ja vastauksia: Bensiinin jäätyminen. Palautettu: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Fysikakemian periaatteet. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fysikaalis-kemiallinen sopimus. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Espanja).
4. Walter J. Moore. (1962). Fysikaalinen kemia. (Neljäs painos). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Maidon jäätymispisteen määrittäminen. Palautettu osoitteesta: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, tohtori Anne Marie (22. kesäkuuta 2018). Alkoholin jäätymispiste. Palautettu osoitteesta: gondo.com