FAGYPONT: HOGYAN LEHET KISZÁMÍTANI, ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2025

A fagypont az a hőmérséklet, amelyen az anyag folyadék-szilárd átmeneti egyensúlyt tapasztal. Anyagként vegyület, tiszta elem vagy keverék lehet. Elméletileg minden anyag lefagy, amikor a hőmérséklet abszolút nullára (0K) esik.

Szélsőséges hőmérsékletek azonban nem szükségesek a folyadékok fagyásának megfigyeléséhez. A jéghegyek a fagyasztott víztestek egyik legszembetűnőbb példája. Hasonlóképpen, a jelenség valós időben nyomon követhető folyékony nitrogénfürdőkkel vagy egyszerű fagyasztóval.

Forrás: Pxhere

Mi a különbség a fagyasztás és a megszilárdulás között? Ez az első eljárás nagymértékben függ a hőmérséklettől, a folyadék tisztaságától és termodinamikai egyensúlyt jelent; míg a második inkább az anyag kémiai összetételében bekövetkező változásokhoz kapcsolódik, amelyek megszilárdulnak, még anélkül, hogy teljesen folyékonyak is (paszta).

Ezért a fagyasztás megszilárdul; de a fordított nem mindig igaz. Ezenkívül a megszilárdulás kifejezés kizárásához folyékony fázist kell egyensúlyban tartani ugyanazon anyag szilárd anyagával; a jéghegyek ezt teszik: folyékony vízen úsznak.

Így tehát egy folyadék fagyásával kell szembenézni, amikor szilárd fázis képződik a hőmérséklet csökkenése következtében. A nyomás e fizikai tulajdonságokat is befolyásolja, bár alacsony gőznyomású folyadékokban kevésbé gyakorolják a hatást.

Mi a fagypont?

A hőmérséklet csökkenésével a molekulák átlagos kinetikus energiája csökken, ezért egy kicsit lelassulnak. Ahogy lassabban halad a folyadékban, eljön egy pont, ahol elég kölcsönhatásba lépnek, hogy molekulák rendezett elrendezését képezzék; ez az első szilárd anyag, amelyből nagyobb kristályok nőnek fel.

Ha ez az első szilárd anyag túl soványan hull, akkor a hőmérsékletet még tovább kell engedni, amíg molekulái még mindig megmaradnak. A hőmérséklet, amelyen ezt elérik, megfelel a fagyáspontnak; Innentől kezdve létrejön a folyadék-szilárd egyensúly.

Az előző forgatókönyv tiszta anyagokra vonatkozik; de mi van, ha nem?

Ebben az esetben az első szilárd anyag molekuláinak sikerül beépíteni az idegen molekulákat. Ennek eredményeként tiszta szilárd anyag (vagy szilárd oldat) képződik, amelynek kialakulásához a fagyáspontnál alacsonyabb hőmérsékletre van szükség.

Akkor a fagypont lecsökkentéséről beszélünk. Mivel több idegen molekula, vagy helyesebben szólva, szennyeződések vannak, a folyadék alacsonyabb és alacsonyabb hőmérsékleten fagyos le.

Fagyasztás vs oldhatóság

Ha két vegyület, A és B keverékét kapjuk, a hőmérséklet csökkenésével A lefagy, míg B folyékony marad.

A forgatókönyv hasonló az éppen kifejtetthez. Az A egy része még nem fagyott le, ezért feloldódik B-ben. Ekkor az oldhatóság egyensúlyáról beszélünk, nem pedig a folyadék-szilárd átmenetről?

Mindkét leírás érvényes: A kicsapódik vagy lefagy, és a hőmérséklet csökkenésekor elválasztódik B-től. Mindegyik A kicsapódik, ha már nincs oldva B-ben; ami megegyezik azzal, hogy azt állítják, hogy A teljesen megfagy.

Kényelmesebb azonban a jelenség kezelése a fagyasztás szempontjából. Így az A legelőször lefagy, mert alacsonyabb fagypont van, míg B-nek hidegebb hőmérsékletekre van szüksége.

Az "A jég" azonban valójában egy szilárd anyagból áll, amelynek A gazdagabb összetétele van, mint B; de B is ott van. Ennek oka az, hogy A + B homogén keverék, és ennek a homogenitásnak egy része átkerül a fagyasztott szilárd anyagba.

Hogyan lehet kiszámítani?

Hogyan lehet megjósolni vagy kiszámítani egy anyag fagyáspontját? Vannak olyan fizikai-kémiai számítások, amelyek lehetővé teszik ennek a pontnak a hozzávetőleges értékének meghatározását más nyomások (kivéve 1 atm, környezeti nyomás) esetén.

Ezek azonban a fúzió entalpiához (Δ _Fus) vezetnek; mivel a fúzió a fagyasztás ellentétes értelemben vett folyamata.

Ezenkívül kísérletileg könnyebb meghatározni egy anyag vagy keverék olvadáspontját, mint annak fagypontját; Bár ugyanaznak tűnhetnek, bizonyos különbségeket mutatnak.

Az előző szakaszban említettek szerint: minél nagyobb a szennyeződések koncentrációja, annál nagyobb a fagypont csökkenése. Ez a következőképpen is elmondható: minél alacsonyabb a keverékben a szilárd anyag X mólaránya, annál alacsonyabb a hőmérséklet.

Hőmérséklet-csökkenési egyenlet

A következő egyenlet mindent kifejez és összefoglal:

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

Ahol R az ideális gázállandó, amelyet szinte egyetemesen használnak. Tº a normál fagypont (környezeti nyomáson), T pedig az a hőmérséklet, amelyen a szilárd anyag megfagy X mólarányra.

Ebből az egyenletből és egyszerűsítések sorozatát követően az alábbiak állnak elő, jobban ismertek:

ΔTc = K _F m (2)

Ahol M az molalitás az oldott anyag vagy szennyező, és a K _F a oszmométerek állandója az oldószer vagy folyékony komponens.

Példák

Az alábbiakban néhány anyag fagyasztásának rövid leírását közöljük.

Víz

A víz 0ºC körül fagy le. Ez az érték azonban csökkenhet, ha oldott anyagot tartalmaz; mondani, só vagy cukor.

Az oldott oldott anyag mennyiségétől függően m-es molekulák különbözőek; és amint m növekszik, X csökken, amelynek értéke helyettesíthető az (1) egyenletben és így oldódik T.

Például, ha egy pohár vizet befagyaszt egy fagyasztóba, és egy másikba édesített vizet (vagy bármilyen víztartalmú italt), akkor az egyik pohár víz lefagy. Ennek oka az, hogy kristályai gyorsabban képződnek anélkül, hogy a glükózmolekulákat, ionokat vagy más fajokat zavarnák.

Ugyanez történne, ha egy pohár tengervizet tegyen a fagyasztóba. Most a pohár tengervíz előbb fagyasztható, vagy nem, mint a pohár édesített víz; a különbség az oldott anyag mennyiségétől és nem annak kémiai jellegétől függ.

Ez az oka annak, hogy a Tc (a fagyás hőmérséklete) csökkenése kollagációs tulajdonság.

Alkohol

Forrás: Pixabay

Az alkoholok hidegebb hőmérsékleten fagynak, mint a folyékony víz. Például az etanol -114 ° C körül fagyos le. Vízzel és más összetevőkkel keverve, ellenkezőleg, megnő a fagypont.

Miért? Mivel a víz, az alkohollal elegyedő folyékony anyag, sokkal magasabb hőmérsékleten (0ºC) fagy le.

Visszatérve a pohár vízhez tartozó hűtőszekrényhez, ha ez alkalommal alkoholos ital kerül bevezetésre, akkor ez utoljára fagy. Minél magasabb az etil-fok, a fagyasztónak tovább kell lehűteni az ital fagyasztása érdekében. Ez az oka annak, hogy az italokat, például a tequilát nehezebb fagyasztani.

Tej

Forrás: Pixabay

A tej vízbázisú anyag, amelyben a zsír diszpergálódik a laktóz és kalcium-foszfátok mellett, más lipoproteinek mellett.

Azok a komponensek, amelyek jobban oldódnak a vízben, meghatározzák, hogy a fagypontja mennyiben változik a készítménytől függően.

A tej átlagosan -0,54ºC hőmérsékleten fagy le, de a víz százalékától függően -0,50 és -0,56 között lehet. Így megtudhatjuk, hogy a tej hamisult-e. És mint láthatja, egy pohár tej majdnem megegyezik egy pohár vízzel.

Nem minden tej azonos hőmérsékleten fagy le, mivel összetétele az állati eredetétől is függ.

Higany

A higany az egyetlen fém, amely szobahőmérsékleten folyékony állapotban van. Fagyasztásához a hőmérsékletet -38,83 ° C-ra kell csökkenteni; Ezúttal elkerülhető egy pohárba öntés és fagyasztóba helyezés gondolata, mivel ez szörnyű balesetekhez vezethet.

Vegye figyelembe, hogy az alkohol elõtt a higany lefagy. Ennek oka lehet az a tény, hogy a higanykristály kevésbé rezeg, mivel fémkötésekkel összekötött atomokból áll; mivel etanolban, ezek viszonylag könnyű CH ₃ CH ₂ OH molekula, hogy kell elhelyezni, lassan.

Benzin

Az összes fagyáspont példa közül a benzin a legbonyolultabb. Mint a tej, ez is keverék; de alapja nem víz, hanem különféle szénhidrogének egy csoportja, amelyek mindegyikének megvan a saját szerkezeti jellemzői. Néhány kis molekula, és néhány nagy.

Az alacsonyabb gőznyomású szénhidrogének először fagynak; míg a többiek folyékony állapotban maradnak, még akkor is, ha egy pohár benzint folyékony nitrogén vesz körül. Nem megfelelő „benzines jég” képződik, hanem sárga-zöld árnyalatú gél.

A benzin teljes fagyasztásához a hőmérsékletet -200 ° C-ra kell lehűteni. Ezen a hőmérsékleten valószínű, hogy benzinjég képződik, mivel a keverék összes összetevője megfagyott; vagyis a szilárd anyaggal egyensúlyban már nem lesz folyékony fázis.

Irodalom

1. Az Illinoisi Egyetem Fizikai Tanszéke, Urbana-Champaign. (2018). Kérdések és válaszok: Benzin fagyasztás. Helyreállítva: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). A fizikokémia alapelvei. (Hatodik kiadás). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fizikai-kémiai szerződés. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spanyolország).
4. Walter J. Moore. (1962). Fizikai kémia. (Negyedik kiadás). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). A tej fagypontjának meghatározása. Helyreállítva: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. június 22.). Az alkohol fagypontja. Helyreállítva: gondolat.com