Obniżenie Punktu Zamarzania i Podwyższenie Punktu wrzenia: Jedna Przyczyna, Dwa Efekty

Właściwości koligatywne: liczy się liczba cząstek, a nie ich tożsamość

Rozpuszczając dowolny niemurowy rozpuszczalnik w cieście, i obserwując zmiany temperatur fazowe, można zauważyć, że zarówno temperatura zamarzania, jak i temperatury wrzenia podnoszą się. Obie to właściwości koligatywne – zależą od liczby rozpuszconych cząstek na jednostkę cieścia, a nie od tego, z czego są one zbudowane chemicznie. Mole cukru i mole soli (przed uwzględnieniem dysocjacji) obniżają temperaturę zamarzania wody o porównywalne wartości na mol cząstek, nawet jeśli są to substancje chemicznie różne.

Obie równania i dlaczego dzielą tę samą formę

Zarówno te efekty redukują się do tej samej podstawowej przyczyny: dodawanie rozpuszczalnika obniża potencjał chemiczny (w wolnym tłumaczeniu, tendencję ucieczki) rozpuszczalnika w fazie ciekłej, bez wpływu na fazę stałą lub gazową. To powoduje przesunięcie temperatury równowagi między fazą ciekłą a stałą w dół oraz między fazą ciekłą a gazową w górę, proporcjonalnie do molalności rozpuszczalnika:

DeltaT_f = i * Kf * m     // freezing point depression
DeltaT_b = i * Kb * m     // boiling point elevation
// m: molality of solute (mol solute / kg solvent)
// Kf, Kb: cryoscopic and ebullioscopic constants, specific to the solvent
//         (for water: Kf = 1.86 degC*kg/mol, Kb = 0.512 degC*kg/mol)
// i: van't Hoff factor — the number of particles each formula unit yields

Czynniki van't Hoffa: dysocjacja zmienia liczbę cząstek

Niespalony rozpuszczalnik, taki jak cukier (sacharoza), ma i ≈ 1 – jedną rozpuszczoną cząsteczkę, cząstkę. Podczas gdy związek jonowy, który dysocjuje, zmienia liczbę cząstek bezpośrednio: chlorek sodu ulega rozpadowi na Na+ i Cl-, więc i ≈ 2; chlorek wapnia ulega rozpadowi na jeden Ca2+ i dwie Cl-, więc i ≈ 3. To właśnie dlatego chlorek wapnia jest bardziej efektywnym środkiem do rozgrzania dróg na mol, niż zwykły sól stołowa – nie jest to silniejsze oddziaływanie z wodą, a jedynie większa liczba cząstek rozpuszczonych wykonujących tę samą pracę koligatywną. Rozwiązania rzeczywiste wykazują i nieco poniżej wartości całkowitej idealnej w wyższych stężeniach ze względu na wiązanie jonowe, które utrzymuje pewną część rozpuszczonych jonów od działania jako niezależne cząstki.

Koncentracja zamarzania: ruchomy cel

Chłodzenie roztworu nie jest takie proste, jak obserwowanie, w którym punkt zamarzania pojawia się i cała rzecz zastyga. Kiedy czysty rozpuszczalnik krystalizuje się z roztworu (np. lód powstający z soli wodnej), pozostała ciecz staje się bardziej skoncentrowana pod względem rozpuszczalnika, ponieważ rozpuszczalnik jest w dużej mierze wykluczony z rosnącej sieci kryształów lodu. Bardziej skoncentrowana pozostała ciecz ma, zgodnie z tą samą relacją ΔTf = i*Kf*m, nawet niższą temperaturę zamarzania — więc temperatura zamarzania malejącej cieczy utrzymuje się w dół, zamiast pozostawać na stałym poziomie, w miarę postępu mrożenia. Efekt koncentracji zamarzania trwa do momentu, aż cała ciecz zniknie lub (w przypadku rozpuszczalnika o układzie eutyktycznym) pozostała ciecz osiągnie ostatecznie skład eutyktyczny i całkowicie stężeje w jednej stałej temperaturze.

Koncentracja zamarzania jest celowo wykorzystywana w procesach krystalizacji warstwowej i krykoncentracji (używanej do koncentracji soków owocowych oraz do produkcji eiswein/lodu winnego, gdzie częściowe mrożenie beczki i odgarnięcie nadal ciekłej, skoncentrowanej pod względem cukru cieczy zwiększa słodycz) oraz jest to również powód, dla którego sól drogowa działa stopniowo gorzej w miarę spadania temperatur poniżej zera stopnia Celsjusza — ostatecznie brąz, który się tworzy, staje się wystarczająco skoncentrowany, aby zbliżyć się do swojego własnego punktu eutyktycznego i nie jest już skuteczny w roztopieniu lodu.

Dlaczego punkt wrzący i niemierzalność obniżania temperatury otrzymują mniejsze uwagi w życiu codziennym

Zmielanie punktu wrzącego podąża za identyczną formą matematyczną, ale jest znacznie mniej spektakularne w życiu codziennym, ponieważ Kb dla wody (0,512 °C na molal) jest w przybliżeniu o trzeci niż Kf (1,86 °C na molal) — ta sama molalność rozpuszczalnika podnosi temperaturę wrzenia zauważalnie mniej niż obniża temperaturę zamarzania. Dodawanie soli do wody z makaronu, powszechne twierdzenie kulinarijne, podnosi temperaturę wrzenia o niewielką wartość w typowych stężeniach, gdzie w ogóle nie wpływa na przyspieszenie gotowania; praktyczny powód solenia wody z makaronu to smak, a nie termodynamika.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Freezing Point Depression i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.