Σημείο ψύξης σε ό, τι συνίσταται, πώς να το υπολογίσετε και παραδείγματα

Το σημείο ψύξης είναι η θερμοκρασία στην οποία μια ουσία υφίσταται ισορροπία μετάβασης υγρού-στερεού. Όταν μιλάμε για την ουσία, αυτό μπορεί να είναι ένα σύνθετο, καθαρό στοιχείο ή ένα μείγμα. Θεωρητικά, όλη η ύλη παγώνει καθώς η θερμοκρασία μειώνεται στο απόλυτο μηδέν (0Κ).

Ωστόσο, οι ακραίες θερμοκρασίες δεν είναι απαραίτητες για την παρατήρηση της κατάψυξης υγρών. Τα παγόβουνα είναι ένα από τα πιο προφανή παραδείγματα κατεψυγμένων σωμάτων νερού. Επίσης, το φαινόμενο μπορεί να ακολουθηθεί σε πραγματικό χρόνο από λουτρά υγρού αζώτου ή χρησιμοποιώντας έναν απλό καταψύκτη.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ψύξης και στερεοποίησης; Ότι η πρώτη διαδικασία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, την καθαρότητα του υγρού και είναι μια θερμοδυναμική ισορροπία. ενώ το δεύτερο, σχετίζεται περισσότερο με τις αλλαγές στη χημική σύνθεση της ουσίας που στερεοποιείται ακόμη και χωρίς να είναι εντελώς υγρό (μια πάστα).

Ως εκ τούτου, ένα πάγωμα είναι μια στερεοποίηση? αλλά το αντίθετο δεν είναι πάντα αλήθεια. Επιπλέον, για να απορρίπτεται ο όρος στερεοποίηση, πρέπει να υπάρχει μια υγρή φάση σε ισορροπία με το στερεό της ίδιας ουσίας. τα παγόβουνα συμμορφώνονται με αυτό: επιπλέουν σε υγρό νερό.

Έτσι, κάποιος αντιμετωπίζει την κατάψυξη ενός υγρού όταν σχηματίζεται μια στερεή φάση ως συνέπεια της μείωσης της θερμοκρασίας. Η πίεση επηρεάζει επίσης αυτή τη φυσική ιδιότητα, αν και τα αποτελέσματά της είναι χαμηλότερα σε υγρά με χαμηλές πιέσεις ατμών.

Ευρετήριο

• 1 Ποιο είναι το σημείο κατάψυξης;?
  • 1.1 Κατάψυξη έναντι διαλυτότητας
• 2 Πώς να το υπολογίσετε?
  • 2.1 Εξίσωση πτώσης θερμοκρασίας
• 3 Παραδείγματα
  • 3.1 Νερό
  • 3.2 Αλκοόλ
  • 3.3 Γάλα
  • 3.4 Υδράργυρος
  • 3.5 Βενζίνη
• 4 Αναφορές

Ποιο είναι το σημείο ψύξης;?

Καθώς η θερμοκρασία πέφτει, η μέση κινητική ενέργεια των μορίων μειώνεται και επομένως επιβραδύνεται λίγο. Καθώς περνούν πιο αργά στο υγρό, έρχεται ένα σημείο όπου αλληλεπιδρούν αρκετά ώστε να σχηματίσουν μια διατεταγμένη διάταξη του μορίου. αυτό είναι το πρώτο στερεό, από το οποίο μεγαλώνουν οι μεγαλύτεροι κρύσταλλοι.

Αν αυτό το πρώτο στερεό "τσαλακωθεί" πάρα πολύ, τότε θα είναι απαραίτητο να χαμηλώσουμε περαιτέρω τη θερμοκρασία μέχρι τα μόρια του να παραμείνουν αρκετά ήσυχα. Η θερμοκρασία στην οποία επιτυγχάνεται αυτό αντιστοιχεί στο σημείο ψύξης. από εκεί, δημιουργείται η ισορροπία μεταξύ υγρού και στερεού.

Το προηγούμενο σενάριο συμβαίνει για τις καθαρές ουσίες. αλλά τι γίνεται αν δεν είναι?

Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια του πρώτου στερεού πρέπει να καταφέρουν να ενσωματώσουν τα ξένα μόρια. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα ακάθαρτο στερεό (ή στερεό διάλυμα), το οποίο χρειάζεται χαμηλότερη θερμοκρασία από το σημείο πήξης για το σχηματισμό του.

Μιλάμε για το Πτώση σημείου πήξης. Όσο υπάρχουν περισσότερα ξένα μόρια, ή πιο σωστά, ακαθαρσίες, το υγρό θα παγώσει σε όλο και πιο χαμηλές θερμοκρασίες.

Κατάψυξη έναντι διαλυτότητας

Λαμβάνοντας ένα μίγμα δύο ενώσεων, Α και Β, όταν η θερμοκρασία πέσει, το Α παγώνει, ενώ το Β παραμένει υγρό.

Το σενάριο είναι παρόμοιο με αυτό που μόλις εξηγήθηκε. Ένα μέρος του Α δεν έχει ακόμη καταψυχθεί και ως εκ τούτου διαλύεται στο Β. Είναι η ισορροπία διαλυτότητας συζητηθεί περισσότερο από αυτή της μετάπτωσης υγρού-στερεού;?

Και οι δύο περιγραφές είναι έγκυρες: A καθιζάνει ή παγώνει μακριά από το Β όταν πέφτει η θερμοκρασία. Όλος ο Α θα έχει κατακρημνιστεί όταν δεν έχει απομείνει τίποτε από αυτό διαλύεται στο Β. που είναι το ίδιο με το να λέμε ότι το Α θα έχει παγώσει τελείως.

Ωστόσο, είναι πιο βολικό να αντιμετωπίζεται το φαινόμενο από την άποψη της κατάψυξης. Έτσι, το Α παγώνει πρώτα επειδή έχει χαμηλότερο σημείο πήξης, ενώ το Β θα χρειαστεί ψυχρότερες θερμοκρασίες.

Ωστόσο, στην πραγματικότητα ο «πάγος του Α» αποτελείται από ένα στερεό που έχει μια πλουσιότερη σύνθεση του Α από το Β. αλλά το Β είναι και εκεί. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το Α + Β είναι ένα ομοιογενές μείγμα και επομένως ένα μέρος αυτής της ομοιογένειας μεταφέρεται στο παγωμένο στερεό.

Πώς να το υπολογίσετε?

Πώς μπορείτε να προβλέψετε ή να υπολογίσετε το σημείο πήξης μιας ουσίας; Υπάρχουν φυσικοχημικοί υπολογισμοί που επιτρέπουν την επίτευξη μιας κατά προσέγγιση τιμής του εν λόγω σημείου κάτω από άλλες πιέσεις (διαφορετικές από 1atm, την πίεση περιβάλλοντος).

Ωστόσο, αυτά ρέουν στην ενθαλπία σύντηξης (Δ_Fus) · καθώς η σύντηξη είναι η διαδικασία στην αντίθετη κατεύθυνση της κατάψυξης.

Επιπλέον, είναι πειραματικά ευκολότερο να προσδιοριστεί το σημείο τήξης μιας ουσίας ή ενός μείγματος από το σημείο πήξης της. Παρόλο που μπορεί να φαίνονται τα ίδια, παρουσιάζουν ορισμένες διαφορές.

Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα: όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των προσμείξεων, τόσο μεγαλύτερη είναι η πτώση του σημείου πήξης. Αυτό μπορεί επίσης να ειπωθεί με τον ακόλουθο τρόπο: όσο μικρότερο είναι το γραμμομοριακό κλάσμα Χ του στερεού στο μείγμα, θα παγώσει σε χαμηλότερη θερμοκρασία.

Εξίσωση πτώσης θερμοκρασίας

Η ακόλουθη εξίσωση εκφράζει και συνοψίζει όλα αυτά που έχουν ειπωθεί:

LnX = - (Δ_Fus/ R) (1 / Τ-1 / Τδ) (1)

Όπου R είναι η ιδανική σταθερά αερίου, η οποία έχει σχεδόν καθολική χρήση. Το Tº είναι το κανονικό σημείο ψύξης (σε πίεση περιβάλλοντος) και το Τ είναι η θερμοκρασία στην οποία το στερεό θα καταψυχθεί σε γραμμομοριακό κλάσμα X.

Από αυτή την εξίσωση και μετά από μια σειρά απλουστεύσεων, παίρνουμε τα πιο γνωστά:

ΔTc = K_Fm (2)

Όπου m είναι η γραμμικότητα της διαλελυμένης ουσίας ή της ακαθαρσίας, και Κ_F είναι η κρυοσκοπική σταθερά του διαλύτη ή του υγρού συστατικού.

Παραδείγματα

Παρακάτω υπάρχει μια σύντομη περιγραφή της κατάψυξης ορισμένων ουσιών.

Νερό

Το νερό παγώνει γύρω στους 0 ° C. Ωστόσο, αυτή η τιμή μπορεί να μειωθεί εάν περιέχει μια διαλελυμένη ουσία που διαλύεται σε αυτήν. για παράδειγμα αλάτι ή ζάχαρη.

Ανάλογα με την ποσότητα της διαλελυμένης διαλελυμένης ουσίας, έχει διαφορετικές μοριακές τιμές. και όταν αυξάνουμε το m, μειώνεται το X, του οποίου η τιμή μπορεί να υποκατασταθεί στην εξίσωση (1) και συνεπώς καθαρή T.

Για παράδειγμα, εάν βάζετε ένα ποτήρι νερό σε μια κατάψυξη και άλλο με ζεστό νερό (ή οποιοδήποτε ποτό με βάση το νερό), το ποτήρι νερό θα παγώσει πρώτα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι κρύσταλλοι τους σχηματίζονται γρηγορότερα χωρίς τη διαταραχή των μορίων γλυκόζης, των ιόντων ή άλλων ειδών.

Το ίδιο θα συνέβαινε αν ένα ποτήρι θαλασσινού νερού είχε τοποθετηθεί στον καταψύκτη. Τώρα, το ποτήρι με θαλασσινό νερό μπορεί ή δεν μπορεί να παγώσει πρώτα από το ποτήρι με ζεστό νερό. η διαφορά θα εξαρτηθεί από την ποσότητα της διαλυμένης ουσίας και όχι τη χημική της φύση.

Για το λόγο αυτό, η μείωση στην Tc (θερμοκρασία ψύξης) είναι μια ιδιοσυστατική ιδιότητα.

Αλκοόλ

Οι αλκοόλες καταψύχονται σε ψυχρότερες θερμοκρασίες από το υγρό νερό. Για παράδειγμα, η αιθανόλη παγώνει γύρω στους -114 ° C. Εάν αναμιχθεί με νερό και άλλα συστατικά, θα υπάρξει αύξηση του σημείου πήξης.

Γιατί; Επειδή το νερό, η υγρή ουσία και το αναμίξιμο με το αλκοόλ, παγώνει σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία (0 ° C).

Επιστρέφοντας στο ψυγείο με τα ποτήρια με νερό, αν αυτή τη φορά εισάγετε ένα με αλκοολούχο ποτό, αυτό θα είναι το τελευταίο που θα παγώσει. Όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός αιθυλίου, ο καταψύκτης πρέπει να ψύχει περαιτέρω για να παγώσει το ποτό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ποτά όπως το τεκίλα είναι πιο δύσκολο να παγώσουν.

Γάλα

Το γάλα είναι μια ουσία με βάση το νερό, στην οποία το λίπος διασκορπίζεται μαζί με λακτόζη και φωσφορικά ασβέστιο, εκτός από άλλες λιποπρωτεΐνες.

Αυτά τα συστατικά πιο διαλυτά στο νερό είναι εκείνα που καθορίζουν πόσο θα αλλάξει το σημείο κατάψυξης του με τη σύνθεση.

Κατά μέσο όρο, το γάλα καταψύχεται σε θερμοκρασία περίπου -0,54ºC, αλλά κυμαίνεται μεταξύ -0,50 και -0,56 ανάλογα με το ποσοστό του νερού. Έτσι, μπορείτε να ξέρετε εάν το γάλα έχει νοθευτεί. Και όπως μπορείτε να δείτε, ένα ποτήρι γάλα θα παγώσει σχεδόν στο ίδιο επίπεδο με το ποτήρι νερό.

Όχι όλο το γάλα παγώνει στην ίδια θερμοκρασία, επειδή η σύνθεση του εξαρτάται επίσης από την πηγή του.

Υδράργυρος

Ο υδράργυρος είναι το μόνο μέταλλο που βρίσκεται σε υγρή μορφή σε θερμοκρασία δωματίου. Για να το παγώσετε, είναι απαραίτητο να χαμηλώσετε τη θερμοκρασία στους -38.83ºC. και αυτή τη φορά θα αποφύγετε την ιδέα να το ρίξετε σε ένα ποτήρι και να το βάλετε σε κατάψυξη, καθώς θα μπορούσε να οδηγήσει σε τρομερά ατυχήματα.

Σημειώστε ότι ο υδράργυρος παγώνει πριν το αλκοόλ. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι ο κρύσταλλος υδραργύρου δονείται λιγότερο επειδή αποτελείται από άτομα συνδεδεμένα με δεσμούς μετάλλων. ενώ σε αιθανόλη, είναι μόρια CH₃CH₂OH σχετικά ελαφρύ που πρέπει να προσαρμοστεί αργά.

Βενζίνη

Από όλα τα παραδείγματα σημείου πήξης, η βενζίνη είναι η πιο πολύπλοκη. Όπως το γάλα, είναι ένα μείγμα. αλλά η βάση του δεν είναι νερό, αλλά ομάδα πολλών υδρογονανθράκων, καθένα με τα δικά του δομικά χαρακτηριστικά. Μερικά από τα μικρά μόρια και άλλα μεγάλα.

Αυτοί οι υδρογονάνθρακες με χαμηλότερες πιέσεις ατμών θα παγώσουν πρώτα. ενώ τα υπόλοιπα θα παραμείνουν υγρά, ακόμη και αν ένα ποτήρι βενζίνης περιβάλλεται από υγρό άζωτο. Δεν θα αποτελέσει σωστά έναν "πάγο βενζίνης", αλλά ένα τζελ με κίτρινους-πράσινους τόνους.

Για να παγώσετε πλήρως τη βενζίνη, μπορεί να χρειαστεί να ψήσετε τη θερμοκρασία στους -200 ° C. Σε αυτή τη θερμοκρασία είναι πιθανό να σχηματιστεί βενζίνη, επειδή όλα τα συστατικά του μίγματος θα έχουν καταψυχθεί. δηλαδή, δεν θα υπάρχει πλέον μια υγρή φάση σε ισορροπία με ένα στερεό.

Αναφορές

1. Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Ιλινόις στην Urbana-Champaign. (2018). Q & A: Κατάψυξη βενζίνης. Ανακτήθηκε από: van.physics.illinois.edu
2. Ηρά Ν. Λεβέν. (2014). Αρχές φυσικοχημείας. (Έκτη έκδοση). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Συνθήκη φυσικοχημείας. Aguilar S. Α. De Ediciones, Juan Bravo, 38, Μαδρίτη (Ισπανία).
4. Walter J. Moore. (1962). Φυσική Χημεία (Τέταρτη έκδοση). Longmans.
5. Sibagropribor (2015). Προσδιορισμός του σημείου πήξης του γάλακτος. Ανακτήθηκε από: sibagropribor.ru