จุดเยือกแข็งในสิ่งที่ประกอบด้วยวิธีการคำนวณและตัวอย่าง

จุดเยือกแข็ง คืออุณหภูมิที่สารผ่านสภาวะสมดุลของการเปลี่ยนสถานะของของแข็งและของเหลว เมื่อพูดถึงสารนี้อาจเป็นสารประกอบบริสุทธิ์หรือส่วนผสม ในทางทฤษฎีทุกสิ่งค้างในขณะที่อุณหภูมิลดลงถึงศูนย์แน่นอน (0K).

อย่างไรก็ตามอุณหภูมิที่สูงที่สุดไม่จำเป็นต้องสังเกตการแช่แข็งของของเหลว ภูเขาน้ำแข็งเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของแหล่งน้ำเย็นฉ่ำ นอกจากนี้ยังสามารถติดตามปรากฏการณ์ได้แบบเรียลไทม์ด้วยอ่างไนโตรเจนเหลวหรือใช้ตู้แช่แข็งธรรมดา.

อะไรคือความแตกต่างระหว่างการแช่แข็งและการทำให้แข็งตัว? กระบวนการแรกนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิความบริสุทธิ์ของของเหลวและเป็นดุลยภาพทางอุณหพลศาสตร์ ในขณะที่ที่สองเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบทางเคมีของสารที่แข็งตัวแม้จะไม่เป็นของเหลวทั้งหมด (วาง).

ดังนั้นการแช่แข็งจึงเป็นการแข็งตัว แต่สิ่งที่ตรงกันข้ามนั้นไม่จริงเสมอไป นอกจากนี้หากต้องการยกเลิกคำว่าการแข็งตัวของคำนั้นจะต้องมีเฟสของเหลวในสมดุลกับของแข็งของสารเดียวกัน ภูเขาน้ำแข็งสอดคล้องกับสิ่งนี้: พวกมันลอยอยู่บนน้ำของเหลว.

ดังนั้นหนึ่งกำลังเผชิญกับการแช่แข็งของของเหลวเมื่อเกิดเฟสของแข็งซึ่งเป็นผลมาจากการลดลงของอุณหภูมิ ความกดดันยังมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางกายภาพนี้แม้ว่าผลกระทบจะลดลงในของเหลวที่มีความดันไอต่ำ.

ดัชนี

• 1 จุดเยือกแข็งคืออะไร??
  • 1.1 การแช่แข็งกับการละลาย
• 2 วิธีการคำนวณ?
  • 2.1 สมการการลดลงของอุณหภูมิ
• 3 ตัวอย่าง
  • 3.1 น้ำ
  • 3.2 แอลกอฮอล์
  • 3.3 นม
  • 3.4 ปรอท
  • 3.5 น้ำมันเบนซิน
• 4 อ้างอิง

จุดเยือกแข็งคืออะไร??

เมื่ออุณหภูมิลดลงพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะลดลงดังนั้นจึงชะลอตัวลงเล็กน้อย เมื่อพวกมันไหลช้าลงในของเหลวมีจุดที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันมากพอที่จะจัดเรียงโมเลกุลให้เป็นระเบียบ นี่คือของแข็งแรกซึ่งคริสตัลขนาดใหญ่จะเติบโต.

หากของแข็งแรก "สั่นคลอน" มากเกินไปก็จะต้องลดอุณหภูมิต่อไปจนกว่าโมเลกุลของมันจะนิ่งเงียบเพียงพอ อุณหภูมิที่สิ่งนี้เกิดขึ้นสอดคล้องกับจุดเยือกแข็ง จากนั้นจะมีการสร้างสมดุลของของเหลวและของแข็ง.

ภาพจำลองก่อนหน้านี้เกิดขึ้นสำหรับสารบริสุทธิ์ แต่ถ้าพวกเขาไม่ใช่?

ในกรณีนั้นโมเลกุลของของแข็งแรกต้องจัดการเพื่อรวมโมเลกุลต่างประเทศ เป็นผลให้เกิดของแข็งที่ไม่บริสุทธิ์ (หรือสารละลายที่เป็นของแข็ง) ซึ่งต้องการอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งสำหรับการก่อตัว.

เรากำลังพูดถึง จุดเยือกแข็งค้าง. ตราบใดที่มีสิ่งแปลกปลอมโมเลกุลหรือพูดถูกต้องสิ่งเจือปนมากขึ้นของเหลวจะหยุดที่อุณหภูมิต่ำกว่ามากขึ้น.

การแช่แข็งกับการละลาย

เมื่อพิจารณาจากส่วนผสมของสองสารประกอบคือ A และ B เมื่ออุณหภูมิลดลง A จะหยุดค้างในขณะที่ B ยังคงเป็นของเหลว.

สถานการณ์คล้ายกับสิ่งที่เพิ่งอธิบาย ส่วนหนึ่งของ A ยังไม่ได้แช่แข็งดังนั้นจึงถูกละลายใน B. ความสมดุลของการละลายได้กล่าวถึงมากขึ้นแล้วว่าการเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งหรือไม่?

คำอธิบายทั้งสองถูกต้อง: การตกตะกอนหรือค้างจาก B เมื่ออุณหภูมิลดลง All A จะตกตะกอนเมื่อไม่มีอะไรเหลืออยู่ในนั้นละลายใน B; ซึ่งเหมือนกับที่บอกว่า A จะแช่แข็งอย่างสมบูรณ์.

อย่างไรก็ตามมันสะดวกกว่าในการรักษาปรากฏการณ์จากมุมมองของการแช่แข็ง ดังนั้น A ค้างก่อนเพราะมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่าในขณะที่ B จะต้องการอุณหภูมิที่เย็นกว่า.

อย่างไรก็ตามจริง ๆ แล้ว "น้ำแข็งของ A" ประกอบด้วยของแข็งที่มีองค์ประกอบยิ่งขึ้นของ A กว่า B; แต่ B ก็อยู่ตรงนั้นเหมือนกัน นี่เป็นเพราะ A + B เป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันและดังนั้นส่วนหนึ่งของความเป็นเนื้อเดียวกันนั้นจะถูกถ่ายโอนไปยังของแข็งที่ถูกแช่แข็ง.

วิธีการคำนวณ?

คุณจะทำนายหรือคำนวณจุดเยือกแข็งของสสารได้อย่างไร มีการคำนวณทางเคมีกายภาพที่ช่วยให้ได้ค่าโดยประมาณของจุดดังกล่าวภายใต้แรงกดดันอื่น ๆ (ต่างจาก 1atm, ความดันบรรยากาศ).

อย่างไรก็ตามการไหลเหล่านี้เข้าสู่เอนทัลปีฟิวชั่น (Δ)_FUS); ตั้งแต่ฟิวชั่นเป็นกระบวนการในทิศทางตรงกันข้ามของการแช่แข็ง.

นอกจากนี้ยังเป็นการทดลองที่ง่ายกว่าในการกำหนดจุดหลอมเหลวของสารหรือของผสมมากกว่าจุดเยือกแข็ง แม้ว่าพวกเขาอาจดูเหมือนกัน แต่พวกเขาแสดงความแตกต่างบางอย่าง.

ตามที่กล่าวไว้ในส่วนก่อนหน้า: ยิ่งความเข้มข้นของสิ่งเจือปนมากเท่าไหร่จุดการแช่แข็งก็ยิ่งมาก สิ่งนี้สามารถพูดได้ด้วยวิธีต่อไปนี้: ยิ่งโมลาร์เศษเล็กเศษน้อยของของแข็งในส่วนผสมมันจะแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า.

สมการการลดลงของอุณหภูมิ

สมการต่อไปนี้เป็นการแสดงออกและสรุปทั้งหมดที่กล่าวไว้:

LnX = - (Δ_FUS/ R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

โดยที่ R คือค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติซึ่งมีประโยชน์เกือบจะเป็นสากล Tºเป็นจุดเยือกแข็งตามปกติ (ที่ความดันบรรยากาศ) และ T คืออุณหภูมิที่ของแข็งจะแข็งที่ส่วนของกราม X.

จากสมการนี้และหลังจากการทำให้เข้าใจง่ายเราได้รับสิ่งต่อไปนี้ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีกว่า:

ΔTc = K_Fm (2)

โดยที่ m คือความผิดปรกติของตัวถูกละลายหรือไม่บริสุทธิ์และ K_F เป็นค่าคงตัว cryoscopic ของส่วนประกอบของตัวทำละลายหรือของเหลว.

ตัวอย่าง

ด้านล่างนี้เป็นคำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับการแช่แข็งของสารบางอย่าง.

น้ำ

น้ำค้างประมาณ0ºC อย่างไรก็ตามค่านี้อาจลดลงหากมีตัวละลายละลายอยู่ จะพูดเกลือหรือน้ำตาล.

ขึ้นอยู่กับปริมาณของตัวถูกละลายละลายมันมี m-molalities ที่แตกต่างกัน และเมื่อเพิ่ม m ลดลง X ซึ่งค่าสามารถแทนในสมการ (1) และทำให้ T ชัดเจน.

ตัวอย่างเช่นถ้าคุณใส่น้ำหนึ่งแก้วในช่องแช่แข็งและอีกอันหนึ่งด้วยน้ำหวาน (หรือเครื่องดื่มที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ) แก้วน้ำจะแช่แข็งก่อน นี่เป็นเพราะผลึกของพวกมันก่อตัวเร็วขึ้นโดยปราศจากการรบกวนของโมเลกุลกลูโคสไอออนหรือสปีชีส์อื่น ๆ.

สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากมีน้ำทะเลใส่ลงในช่องแช่แข็ง ตอนนี้แก้วที่มีน้ำทะเลอาจแข็งหรือไม่แข็งกว่าแก้วด้วยน้ำหวาน ความแตกต่างจะขึ้นอยู่กับปริมาณของตัวถูกละลาย และไม่ใช่ลักษณะทางเคมี.

ด้วยเหตุนี้การลดลงของ Tc (อุณหภูมิเยือกแข็ง) จึงเป็นคุณสมบัติที่สัมพันธ์กัน.

แอลกอฮอล์

แอลกอฮอล์แช่แข็งที่อุณหภูมิเย็นกว่าน้ำของเหลว ตัวอย่างเช่นเอทานอลค้างประมาณ -114 ° C หากผสมกับน้ำและส่วนผสมอื่น ๆ จะมีจุดเยือกแข็งเพิ่มขึ้น.

ทำไม? เนื่องจากน้ำสารของเหลวและผสมกับแอลกอฮอล์จึงหยุดที่อุณหภูมิสูงกว่ามาก (0ºC).

กลับไปที่ตู้เย็นด้วยแก้วด้วยน้ำถ้าครั้งนี้คุณเข้ามาพร้อมกับเครื่องดื่มแอลกอฮอล์นี่จะเป็นครั้งสุดท้ายที่จะแข็งตัว ยิ่งเกรดเอทิลสูงขึ้นช่องแช่แข็งควรทำให้เย็นยิ่งขึ้นเพื่อแช่แข็งเครื่องดื่ม ด้วยเหตุนี้เองที่ทำให้เครื่องดื่มอย่างเตกีล่านั้นแข็งกว่าเดิม.

นม

นมเป็นสารที่มีส่วนประกอบของน้ำซึ่งไขมันจะถูกกระจายไปพร้อมกับแลคโตสและแคลเซียมฟอสเฟตนอกเหนือไปจากไลโปโปรตีนอื่น ๆ.

ส่วนประกอบเหล่านั้นละลายได้ในน้ำมากขึ้นคือองค์ประกอบที่กำหนดว่าจะมีจุดเยือกแข็งกับองค์ประกอบ.

โดยเฉลี่ยแล้วนมจะถูกแช่แข็งที่อุณหภูมิประมาณ-0.54ºC แต่อยู่ในช่วงระหว่าง -0.50 ถึง -0.56 ขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของน้ำ ดังนั้นคุณสามารถรู้ได้ว่านมปลอมปนหรือไม่ และอย่างที่คุณเห็นน้ำนมหนึ่งแก้วจะแข็งตัวเกือบเท่ากับแก้วน้ำ.

นมไม่ได้แช่แข็งที่อุณหภูมิเดียวกันทั้งหมดเพราะองค์ประกอบของมันขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของสัตว์ด้วย.

ปรอท

ปรอทเป็นโลหะชนิดเดียวที่อยู่ในรูปของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ในการตรึงมันจำเป็นต้องลดอุณหภูมิให้อยู่ที่-38.83ºC และครั้งนี้คุณจะหลีกเลี่ยงความคิดที่จะเทมันลงในแก้วและวางไว้ในช่องแช่แข็งเพราะมันอาจนำไปสู่อุบัติเหตุร้ายแรง.

โปรดทราบว่าปรอทค้างก่อนแอลกอฮอล์ นี่อาจเป็นเพราะความจริงที่ว่าผลึกปรอทสั่นสะเทือนน้อยลงเนื่องจากประกอบด้วยอะตอมที่เชื่อมโยงด้วยพันธะโลหะ ในขณะที่เอทานอลจะเป็นโมเลกุลของ CH₃CH₂โอ้ค่อนข้างเบาที่ต้องปรับให้ช้า.

น้ำมันเบนซิน

จากตัวอย่างจุดเยือกแข็งทั้งหมดน้ำมันเบนซินมีความซับซ้อนมากที่สุด เหมือนนมมันเป็นส่วนผสม; แต่ฐานไม่ใช่น้ำ แต่เป็นกลุ่มของไฮโดรคาร์บอนหลายตัวแต่ละตัวมีลักษณะโครงสร้างของตัวเอง โมเลกุลขนาดเล็กบางส่วนและโมเลกุลขนาดใหญ่อื่น ๆ.

ไฮโดรคาร์บอนที่มีความดันไอต่ำกว่าจะหยุดก่อน ในขณะที่คนอื่น ๆ จะยังคงเป็นของเหลวแม้ว่าแก้วน้ำมันจะถูกล้อมรอบด้วยไนโตรเจนเหลว มันจะไม่ก่อตัวเป็น "น้ำมันเบนซินน้ำแข็ง" อย่างเหมาะสม แต่เป็นเจลที่มีโทนสีเหลืองเขียว.

ในการตรึงน้ำมันเบนซินโดยสมบูรณ์อาจจำเป็นต้องทำให้อุณหภูมิเย็นลงถึง-200ºC ที่อุณหภูมินี้มีแนวโน้มว่าน้ำมันเบนซินจะก่อตัวขึ้นเนื่องจากส่วนประกอบทั้งหมดของส่วนผสมจะกลายเป็นน้ำแข็ง นั่นคือจะไม่มีเฟสของเหลวในสมดุลกับของแข็งอีกต่อไป.

การอ้างอิง

1. ภาควิชาฟิสิกส์มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่เออร์บานา - แชมเปญ (2018) คำถาม & คำตอบ: การแช่แข็งน้ำมันเบนซิน สืบค้นจาก: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine (2014) หลักการทางเคมีฟิสิกส์ (ฉบับที่หก) Mc Graw Hill.
3. Glasstone (1970) สนธิสัญญาทางเคมีฟิสิกส์ Aguilar S. A. de Ediciones, Juan Bravo, 38, มาดริด (สเปน).
4. วอลเตอร์เจมัวร์ (1962) เคมีเชิงฟิสิกส์ (ฉบับที่สี่) Longmans.
5. Sibagropribor (2015) การหาจุดเยือกแข็งของนม ดึงจาก: sibagropribor.ru