The bod mrazu je teplota, při které látka prochází rovnováhou přechodu kapalina-pevná látka. Když mluvíme o látce, může to být sloučenina, čistý prvek nebo směs. Teoreticky veškerá hmota zmrzne, když teplota klesne na absolutní nulu (0K).
K pozorování zamrzání kapalin však nejsou nutné extrémní teploty. Ledovce jsou jedním z nejviditelnějších příkladů zmrzlých vodních ploch. Podobně lze jev sledovat v reálném čase pomocí lázní s kapalným dusíkem nebo pomocí jednoduché mrazničky..
Jaký je rozdíl mezi zmrazením a tuhnutím? Že první proces je vysoce závislý na teplotě, na čistotě kapaliny a je termodynamickou rovnováhou; zatímco druhá je více spojena se změnami chemického složení látky, která tuhne, i když není zcela kapalná (pasta).
Proto je zmrazení tuhnutím; ale opak není vždy pravdivý. Kromě toho, abychom se zbavili pojmu tuhnutí, musí existovat kapalná fáze v rovnováze s pevnou látkou stejné látky; ledovce to dělají: plavou na tekuté vodě.
Člověk tedy čelí zamrzání kapaliny, když se v důsledku snížení teploty vytvoří pevná fáze. Tlak také ovlivňuje tuto fyzikální vlastnost, i když jeho účinky jsou menší u kapalin s nízkým tlakem par..
Rejstřík článků
Jak teplota klesá, průměrná kinetická energie molekul klesá, a proto se trochu zpomalují. Jak budete v kapalině postupovat pomaleji, dojde k bodu, kdy interagují natolik, aby vytvořili uspořádané uspořádání molekuly; toto je první pevná látka, ze které vyrostou větší krystaly.
Pokud se tato první pevná látka „kolísá“ příliš, pak bude nutné teplotu ještě snížit, dokud její molekuly nezůstanou dostatečně nehybné. Teplota, při které se toho dosáhne, odpovídá bodu tuhnutí; odtud se vytvoří rovnováha kapalina-pevná látka.
Výše uvedený scénář nastává u čistých látek; ale co když nejsou?
V takovém případě musí molekuly první pevné látky dokázat začlenit cizí molekuly. Ve výsledku se vytvoří nečistá pevná látka (nebo pevný roztok), která pro svou tvorbu vyžaduje teplotu nižší než je bod mrazu..
Potom se o tom mluví pokles bodu mrazu. Jelikož existuje více cizích molekul, přesněji řečeno nečistot, kapalina zamrzne při nižších a nižších teplotách..
Vzhledem ke směsi dvou sloučenin, A a B, jak teplota klesá, A zmrzne, zatímco B zůstane kapalný.
Scénář je podobný tomu, co bylo právě vysvětleno. Část A ještě nezmrzla, a proto je rozpuštěna v B. Je to tedy spíše otázka rovnováhy rozpustnosti než přechodu kapalina-pevná látka?
Oba popisy jsou platné: A se vysráží nebo zamrzne a od teploty B klesá s B. Vše A se vysráží, když už nebude nic rozpuštěno v B; což je stejné jako říkat, že A bude úplně zmrzlé.
Je však pohodlnější zacházet s fenoménem z hlediska zmrazení. A tedy nejprve zamrzne, protože má nižší bod tuhnutí, zatímco B bude potřebovat chladnější teploty..
„Led A“ však ve skutečnosti sestává z pevné látky, která má bohatší složení A než B; ale B je tam taky. Je to proto, že A + B je homogenní směs, a proto se část této homogenity přenáší na zmrazenou pevnou látku..
Jak můžete předpovědět nebo vypočítat bod tuhnutí látky? Existují fyzikálně-chemické výpočty, které umožňují získat přibližnou hodnotu tohoto bodu za jiných tlaků (jiných než 1 atm, tlak okolí).
Ty však vedou k entalpii fúze (ΔFus); protože fúze je proces v opačném směru, než je zmrazení.
Kromě toho je experimentálně snazší určit teplotu tání látky nebo směsi než její bod tuhnutí; I když se mohou zdát stejné, vykazují určité rozdíly.
Jak bylo uvedeno v předchozí části: čím vyšší je koncentrace nečistot, tím větší je pokles bodu tuhnutí. To lze také říci následovně: čím nižší je molární podíl X pevné látky ve směsi, tím nižší je teplota, kterou zamrzne..
Následující rovnice vyjadřuje a shrnuje vše, co bylo řečeno:
LnX = - (ΔFus/ R) (1 / T - 1 / Tº) (1)
Kde R je ideální plynová konstanta, která má téměř univerzální použití. T ° je normální bod tuhnutí (při okolním tlaku) a T je teplota, při které tuhá látka zmrzne na molární zlomek X.
Z této rovnice a po řadě zjednodušení se získá následující, známější:
ΔTc = K.Fm (2)
Kde m je molalita rozpuštěné látky nebo nečistoty a K.F je kryoskopická konstanta rozpouštědlové nebo kapalné složky.
Stručný popis zmrazení některých látek bude uveden níže.
Voda zmrzne kolem 0 ° C. Tato hodnota se však může snížit, pokud obsahuje rozpuštěnou látku; řekněme, sůl nebo cukr.
V závislosti na množství rozpuštěné rozpuštěné látky existují různé molality m; a jak m roste, X klesá, jehož hodnota může být dosazena v rovnici (1) a tím vyřešena pro T.
Například pokud dáte sklenici vody do mrazničky a další sladkou vodou (nebo jakýmkoli nápojem na bázi vody), sklenice vody nejprve zmrzne. Je to proto, že jeho krystaly se tvoří rychleji bez narušení molekul glukózy, iontů nebo jiných druhů..
Totéž by se stalo, kdybyste do mrazničky vložili sklenici mořské vody. Sklenice mořské vody nyní může, ale nemusí být zmrzlá jako první, než sklenice slazené vody; rozdíl bude záviset na množství rozpuštěné látky a nikoli jeho chemické povahy.
Z tohoto důvodu je pokles Tc (teplota tuhnutí) koligativní vlastností.
Alkoholy zmrznou při nižších teplotách než kapalná voda. Například ethanol mrzne kolem -114 ° C. Pokud je smíchán s vodou a jinými přísadami, dojde ke zvýšení bodu tuhnutí..
Proč? Protože voda, kapalná látka mísitelná s alkoholem, zamrzá při mnohem vyšší teplotě (0 ° C).
Když se vrátíte do lednice s brýlemi s vodou, pokud tentokrát zavedete jeden s alkoholickým nápojem, bude to poslední zmrazení. Čím vyšší je stupeň ethylu, tím mrazák bude muset nápoj dále ochladit. Z tohoto důvodu je obtížné zmrazit nápoje jako tequila..
Mléko je látka na bázi vody, ve které je kromě jiných lipoproteinů dispergován tuk spolu s laktózou a fosforečnany vápenatými..
Složky, které jsou rozpustnější ve vodě, jsou ty, které určují, jak moc se jeho bod tuhnutí bude lišit podle složení..
Mléko v průměru mrzne při teplotě kolem -0,54 ° C, ale pohybuje se mezi -0,50 a -0,56 v závislosti na procentu vody. Je tedy možné zjistit, zda bylo mléko znehodnoceno. A jak vidíte, sklenice mléka zmrzne téměř na stejné úrovni jako sklenice vody..
Ne všechna mléka zmrznou při stejné teplotě, protože jejich složení závisí také na zdroji zvířat.
Rtuť je jediným kovem, který je při pokojové teplotě v kapalné formě. Pro jeho zmrazení je nutné snížit teplotu na -38,83 ° C; a tentokrát bude zabráněno myšlence nalít ji do sklenice a dát ji do mrazničky, protože by to mohlo vést ke strašným nehodám.
Pamatujte, že rtuť před alkoholem zmrzne. To může být způsobeno skutečností, že rtuťový krystal vibruje méně, protože se skládá z atomů spojených kovovými vazbami; zatímco v ethanolu jsou to molekuly CH3CHdvaRelativně lehký OH, který se musí pomalu usadit.
Ze všech příkladů bodu mrazu je nejsložitější benzín. Stejně jako mléko je to směs; ale jeho základem není voda, ale skupina různých uhlovodíků, z nichž každý má své vlastní strukturální vlastnosti. Některé malé molekuly a jiné velké.
Ty uhlovodíky s nižším tlakem par nejprve zmrznou; zatímco ostatní zůstanou v kapalném stavu, i když je sklenice benzínu obklopena kapalným dusíkem. Nebude správně tvořit „benzínový led“, ale gel se žlutozelenými odstíny.
K úplnému zmrazení benzínu může být nutné ochladit teplotu na -200 ° C. Při této teplotě je pravděpodobné, že se vytvoří benzínový led, protože všechny složky směsi budou zmrzlé; to znamená, že již nebude kapalná fáze v rovnováze s pevnou látkou.
Zatím žádné komentáře