Punto di congelamento come calcolarlo e esempi

Lui punto di congelamento È la temperatura in cui una sostanza sperimenta un equilibrio di transizione solido liquido. Quando si parla di sostanza, questo può essere un composto, un elemento puro o una miscela. Teoricamente, tutta la materia si blocca quando la temperatura diminuisce allo zero assoluto (0k).

Tuttavia, non sono necessarie temperature estreme per osservare il congelamento dei liquidi. Gli iceberg sono uno degli esempi più ovvi di masse d'acqua congelate. Inoltre, il fenomeno può essere monitorato in tempo reale attraverso bagni di azoto liquido o utilizzando un semplice congelatore.

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Qual è la differenza tra congelamento e solidificazione? Che il primo processo dipende fortemente dalla temperatura, dalla purezza del liquido ed è un equilibrio termodinamico; Mentre il secondo è più correlato ai cambiamenti nella composizione chimica della sostanza che si solidifica, anche senza essere completamente liquidi (una pasta).

Pertanto, un congelamento è una solidificazione; Ma il contrario non è sempre vero. Inoltre, per escludere il termine solidificazione, ci deve essere una fase liquida in equilibrio con il solido della stessa sostanza; Gli iceberg sono conformi a questo: galleggiano su acqua liquida.

Pertanto, il congelamento di un liquido sta affrontando il congelamento di una fase solida a seguito di una diminuzione della temperatura. La pressione influenza anche questa proprietà fisica, sebbene i suoi effetti siano inferiori nei liquidi con basse pressioni a vapore.

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Qual è il punto di congelamento?

Mentre la temperatura scende, l'energia cinetica media delle molecole diminuisce e quindi rallenta un po '. Andando più lentamente nel liquido, c'è un punto in cui interagiscono abbastanza da formare una disposizione ordinata di molecola; Questo è il primo solido, da cui crescerà i cristalli più grandi.

Se questo primo solido è troppo "oscillare", allora sarà necessario ridurre ulteriormente la temperatura fino a quando le sue molecole rimarranno ancora sufficiente. La temperatura alla quale ciò corrisponde al punto di congelamento; Da lì viene stabilito un equilibrio liquido-solido.

Lo scenario precedente si verifica per sostanze pure; Ma cosa succede se non lo fossero?

In tal caso, le molecole del primo solido devono sistemarle per incorporare le molecole estranee. Di conseguenza, si forma un impuro (o una soluzione solida), che richiede una temperatura inferiore a quella del punto di congelamento per la sua formazione.

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Si parla quindi di Diminuzione del punto di congelamento. Mentre ci sono più molecole estranee, o più correttamente, impurità, il fluido si congelerà a temperature sempre più basse.

Congelamento vs solubilità

Data una miscela di due composti, A e B, quando la temperatura scende, viene congelata, mentre B rimane liquido.

Lo scenario è simile al nuovo spiegato. Una parte di A non è ancora congelata ed è quindi sciolta in B. Allora è l'equilibrio di solubilità più di quello di un discorso di transizione solido liquido?

Entrambe le descrizioni sono valide: A precipita o congelamento di separazione da B quando la temperatura scende. Tutto sarà precipitato quando nulla viene sciolto in B; che è lo stesso di dire che un completamente congelato.

Tuttavia, è più conveniente trattare il fenomeno dal punto di vista del congelamento. Pertanto, è libero di avere un punto di congelamento inferiore, mentre B avrà bisogno di temperature più fredde.

Tuttavia, il "ghiaccio di A" consiste davvero in un solido che ha una composizione più ricca di B; Ma B è anche lì. Questo perché A + B è una miscela omogenea, e quindi parte di tale omogeneità viene trasferita al solido congelato.

Come calcolarlo?

Come è previsto o calcolato il punto di congelamento di una sostanza? Esistono calcoli fisico -chimici che consentono un valore approssimativo di detto punto in altre pressioni (diverso da 1aatm, pressione ambientale).

Tuttavia, fluiscono nell'entalpia di fusione (Δ_FU); Poiché la fusione è il processo nella direzione opposta del congelamento.

Inoltre, è più facile determinare il punto di fusione di una sostanza o di una miscela rispetto al suo punto di congelamento; Sebbene possano sembrare uguali, mostrano alcune differenze.

Come menzionato nella sezione precedente: maggiore è la concentrazione di impurità, maggiore sarà la diminuzione del punto di congelamento. Questo può anche essere detto come segue: più bassa la frazione molare x del solido nella miscela, si congela a una temperatura inferiore.

Equazione di discesa di temperatura

La seguente equazione esprime e riassume tutto ciò che diceva:

Lnx = -(Δ_FU/R) (1/t - 1/tº) (1)

Dove r è la costante dei gas ideali, che ha un uso quasi universale. Tº è il normale punto di congelamento (a pressione ambientale) e t è la temperatura alla quale il solido verrà congelato in una frazione molare x.

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Da questa equazione e dopo una serie di semplificazioni, si ottiene il seguente, meglio conosciuto:

Δtc = k_FM (2)

Dove m è la molealità del soluto o dell'impurità e k_F È la costante crioscopica del componente solvente o liquido.

Esempi

Di seguito sarà riportata una breve descrizione del congelamento di alcune sostanze.

Acqua

L'acqua si congela intorno a 0ºC. Tuttavia, questo valore può diminuire se contiene un soluto disciolto in esso; Per dire, sale o zucchero.

A seconda della quantità di soluto disciolto, ci sono moralità diverse m; E aumentando M, diminuisce x, il cui valore può essere sostituito nell'equazione (1) e quindi chiara t.

Ad esempio, se un bicchiere con acqua viene introdotto in un congelatore e un altro con acqua dolce (o qualsiasi bevanda basata sull'acqua), il bicchiere con acqua si congela per la prima volta. Questo perché i loro cristalli sono formati più velocemente senza il disturbo di molecole di glucosio, ioni o altre specie.

Lo stesso sarebbe accadere se un bicchiere con acqua di mare fosse messo nel congelatore. Ora, il vetro con acqua di mare può o non può congelare prima del vetro con acqua dolce; La differenza dipenderà dalla quantità di soluto e non la sua natura chimica.

È per questo motivo che la diminuzione del TC (temperatura di congelamento) è una proprietà coligativa.

Alcool

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Gli alcoli si congelano a temperature più fredde rispetto all'acqua liquida. Ad esempio, l'etanolo si blocca intorno a -114ºC. Se mescolato con acqua e altri ingredienti, un aumento del punto di congelamento sarà al contrario.

Perché? Poiché acqua, sostanza liquida e miscibile con alcol, si congela a una temperatura molto più alta (0 ° C).

Tornando al frigorifero con gli occhiali con acqua, se questa volta si presenta una bevanda alcolica, questo sarà l'ultimo a congelare. Maggiore è il grado etilico, il congelatore deve rinfrescarlo ancora di più per congelare la bevanda. È per questo motivo che bevi come la tequila sono più difficili da congelare.

Latte

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Il latte è una sostanza basata sull'acqua, in cui il grasso viene disperso insieme a fosfati di lattosio e calcio, oltre ad altre lipoproteine.

Quei componenti più solubili in acqua sono quelli che determinano quanto il loro punto di congelamento varierà con la composizione.

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In media, il latte si congela a una temperatura di circa -0.54ºC, ma oscilla tra -0.50 e -0.56 a seconda della percentuale di acqua. Quindi, puoi sapere se il latte è stato adulterato. E come si può vedere, un bicchiere con latte si congelerà quasi contemporaneamente con il bicchiere con acqua.

Non tutti i latte si congelano alla stessa temperatura, perché la loro composizione dipende anche dalla sua fonte animale.

Mercurio

Il mercurio è l'unico metallo in forma liquida a temperatura ambiente. Per congelarlo, è necessario ridurre la temperatura a -38.83ºC; E questa volta l'idea di versarlo in un bicchiere sarà evitata e introdotta in un congelatore, poiché potrebbe portare a terribili incidenti.

Si noti che il mercurio si blocca prima dell'alcol. Ciò può essere dovuto al fatto che il vetro di mercurio vibra meno costituito da atomi legati da collegamenti metallici; Mentre sono in etanolo, sono molecole Cho₃Cap₂Oh relativamente leggero che deve essere lentamente ospitato.

Benzina

Di tutti gli esempi del punto di congelamento, quello della benzina è il più complesso. Come il latte, è una miscela; Ma la sua base non è acqua, ma un gruppo di diversi idrocarburi, ognuno con le sue caratteristiche strutturali. Alcune di piccole molecole e altre grandi.

Quegli idrocarburi con pressioni a vapore più basse si congeleranno per primi; Mentre altri rimarranno in uno stato liquido, anche se un bicchiere di benzina è circondato da azoto liquido. Un "ghiaccio di benzina" non si formerà correttamente, ma un gel con toni giallo-verde.

Per congelare completamente la benzina, potrebbe essere necessario raffreddare la temperatura fino a -200 ° C. A questa temperatura è probabile che si formi ghiaccio di benzina, poiché tutti i componenti della miscela si sono congelati; cioè, non ci sarà una fase liquida in equilibrio con un solido.

Riferimenti

1. Dipartimento di Fisica, Università di ILinois a Urbana-Champaign. (2018). Domande e risposte: congelamento della benzina. Estratto da: furgone.Fisica.Illinois.Edu
2. Iran. Levine. (2014). Principi di fisica. (Sesta edizione). Mc Graw Hill.
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