Het vriespunt in wat het bevat, hoe het te berekenen en voorbeelden

de vriespunt is de temperatuur waarbij een stof een vloeistof-vast overgangsevenwicht ondergaat. Wanneer het over substantie gaat, kan dit een samengesteld, puur element of een mengsel zijn. Theoretisch bevriest alle materie als de temperatuur daalt tot het absolute nulpunt (0K).

Extreme temperaturen zijn echter niet nodig om het bevriezen van vloeistoffen te observeren. IJsbergen zijn een van de meest voor de hand liggende voorbeelden van bevroren waterlichamen. Ook kan het fenomeen in real time worden gevolgd door baden met vloeibare stikstof of met behulp van een eenvoudige vriezer.

Wat is het verschil tussen bevriezen en stollen? Dat het eerste proces in hoge mate afhankelijk is van temperatuur, van de zuiverheid van de vloeistof en een thermodynamisch evenwicht is; terwijl de tweede meer verband houdt met veranderingen in de chemische samenstelling van de stof die stolt, zelfs zonder volledig vloeibaar te zijn (een pasta).

Daarom is bevriezen een verharding; maar het tegenovergestelde is niet altijd waar. Verder, om de term stolling te verwerpen, moet er een vloeibare fase in evenwicht zijn met de vaste stof van dezelfde stof; de ijsbergen voldoen hieraan: ze drijven op vloeibaar water.

Aldus wordt men geconfronteerd met het bevriezen van een vloeistof wanneer een vaste fase wordt gevormd als gevolg van een verlaging van de temperatuur. Druk heeft ook invloed op deze fysieke eigenschap, hoewel de effecten ervan lager zijn in vloeistoffen met lage dampdrukken.

index

• 1 Wat is het vriespunt??
  • 1.1 Bevriezen versus oplosbaarheid
• 2 Hoe het te berekenen?
  • 2.1 Vergelijking van de temperatuurval
• 3 voorbeelden
  • 3.1 Water
  • 3.2 Alcohol
  • 3.3 Melk
  • 3.4 Mercurius
  • 3.5 Benzine
• 4 Referenties

Wat is het vriespunt??

Naarmate de temperatuur daalt, neemt de gemiddelde kinetische energie van de moleculen af ​​en daarom vertragen ze een beetje. Naarmate ze langzamer gaan in de vloeistof, komt er een punt waarop ze voldoende interacteren om een ​​geordende ordening van het molecuul te vormen; dit is de eerste vaste stof, waaruit grotere kristallen zullen groeien.

Als deze eerste vaste stof te veel "wiebelt", dan zal het nodig zijn om de temperatuur verder te verlagen totdat zijn moleculen voldoende stil blijven. De temperatuur waarbij dit wordt bereikt, komt overeen met het vriespunt; vanaf daar wordt het evenwicht tussen vloeistof en vaste stof tot stand gebracht.

Het vorige scenario gebeurt voor pure stoffen; maar wat als ze dat niet zijn?

In dat geval moeten de moleculen van de eerste vaste stof de vreemde moleculen opnemen. Dientengevolge wordt een onzuivere vaste stof (of vaste oplossing) gevormd, die een lagere temperatuur nodig heeft dan het vriespunt voor de vorming ervan.

We hebben het over de Bevriezing punt daling. Zolang er meer vreemde moleculen zijn, of meer correct gesproken, onzuiverheden, zal de vloeistof bevriezen bij steeds lagere temperaturen.

Bevriezing versus oplosbaarheid

Gegeven een mengsel van twee verbindingen, A en B, wanneer de temperatuur daalt, bevriest A, terwijl B vloeibaar blijft.

Het scenario is vergelijkbaar met wat net is uitgelegd. Een deel van A is nog niet bevroren en wordt daarom opgelost in B. Wordt het oplosbaarheidsevenwicht meer besproken dan dat van een vloeistof-vaste stof overgang??

Beide beschrijvingen zijn geldig: een precipitaat of bevriest weg van B wanneer de temperatuur daalt. Alle A zal zijn neergeslagen als er niets meer van is opgelost in B; wat hetzelfde is als te zeggen dat A volledig is bevroren.

Het is echter handiger om het fenomeen vanuit het oogpunt van bevriezing te behandelen. Dus A bevriest eerst omdat het een lager vriespunt heeft, terwijl B lagere temperaturen nodig heeft.

Echter, feitelijk bestaat het "ijs van A" uit een vaste stof met een rijkere samenstelling van A dan van B; maar B is er ook. Dit komt omdat A + B een homogeen mengsel is en daarom wordt een deel van die homogeniteit overgedragen naar de bevroren vaste stof.

Hoe het te berekenen?

Hoe kun je het vriespunt van een stof voorspellen of berekenen? Er zijn fysisch-chemische berekeningen die toelaten om een ​​geschatte waarde van dat punt onder andere drukken te verkrijgen (verschillend van 1 atm, de omgevingsdruk).

Deze stromen echter in de fusie-enthalpie (Δ_fus); omdat de fusie het proces is in de tegenovergestelde richting van het bevriezen.

Bovendien is het experimenteel gemakkelijker om het smeltpunt van een stof of mengsel te bepalen dan het vriespunt; Hoewel ze hetzelfde lijken, vertonen ze bepaalde verschillen.

Zoals vermeld in het vorige gedeelte: hoe hoger de concentratie van onzuiverheden, hoe groter de daling van het vriespunt. Dit kan ook op de volgende manier worden gezegd: hoe kleiner de molfractie X van de vaste stof in het mengsel, het zal bevriezen bij een lagere temperatuur.

Vergelijking van de temperatuurval

De volgende vergelijking drukt en vat alles samen wat gezegd is:

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

Waarbij R de ideale gasconstante is, die een vrijwel universeel gebruik heeft. Tº is het normale vriespunt (bij omgevingsdruk) en T is de temperatuur waarbij de vaste stof zal vriezen bij een molaire fractie X.

Uit deze vergelijking en na een reeks vereenvoudigingen krijgen we het volgende, beter bekend:

ΔTc = K_Fm (2)

Waarbij m de molaliteit van de opgeloste stof of onzuiverheid is, en K_F is de cryoscopische constante van het oplosmiddel of de vloeibare component.

Voorbeelden

Hieronder volgt een korte beschrijving van het invriezen van sommige stoffen.

water

Het water bevriest rond 0ºC. Deze waarde kan echter afnemen als er een opgeloste stof in zit; om te zeggen, zout of suiker.

Afhankelijk van de hoeveelheid opgeloste opgeloste stof, heeft het verschillende m-molaliteiten; en als m wordt verhoogd, wordt X verlaagd, waarvan de waarde kan worden vervangen in vergelijking (1) en dus T wordt gewist.

Indien bijvoorbeeld geïntroduceerd in een vriezer een glas water en een met onthard water (of water gebaseerde dranken), het glas zal water bevriest. Dit komt omdat hun kristallen sneller vormen zonder de verstoring van glucosemoleculen, ionen of andere soorten.

Hetzelfde zou gebeuren als een glas zeewater in de vriezer werd gelegd. Nu kan het glas met zeewater wel of niet eerst bevriezen dan het glas met gezoet water; het verschil hangt af van de hoeveelheid opgeloste stof en niet de chemische aard ervan.

Het is om deze reden dat de daling in Tc (vriestemperatuur) een colligatieve eigenschap is.

alcohol

Alcoholen bevriezen bij lagere temperaturen dan vloeibaar water. Ethanol bevriest bijvoorbeeld rond -114 ° C. Als het wordt gemengd met water en andere ingrediënten, zal het vriespunt toenemen.

Waarom? Omdat water, vloeibare substantie en mengbaar met alcohol, bevriest bij een veel hogere temperatuur (0ºC).

Keer terug naar de koelkast met de glazen met water. Als u deze keer een alcoholische drank invoert, is dit de laatste die bevriest. Hoe hoger de ethylklasse, de vriezer moet deze verder afkoelen om de drank te bevriezen. Het is om deze reden dat dranken zoals tequila moeilijker te bevriezen zijn.

melk

Melk is een stof op waterbasis, waarin naast lipoproteïnen vet wordt gedispergeerd samen met lactose en calciumfosfaten.

Die componenten die meer oplosbaar zijn in water zijn die welke bepalen hoeveel het vriespunt zal variëren met de samenstelling.

Gemiddeld wordt de melk bevroren bij een temperatuur van ongeveer -0.54ºC maar -0,50 en -0,56 varieert afhankelijk van het watergehalte. U kunt dus weten of de melk is vervalst. En zoals u kunt zien, bevriest een glas melk bijna op hetzelfde niveau als het glas water.

Niet alle melk bevriest bij dezelfde temperatuur, omdat de samenstelling ervan ook afhangt van de dierlijke bron.

kwik

Kwik is het enige metaal dat in vloeibare vorm is bij kamertemperatuur. Om het te bevriezen, moet de temperatuur worden verlaagd tot -38,83 ° C; en deze keer vermijd je het idee om het in een glas te gieten en het in de vriezer te leggen, omdat dit tot vreselijke ongelukken kan leiden.

Merk op dat kwik bevriest voor alcohol. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat het kwikglas minder trilt omdat het bestaat uit atomen die zijn verbonden door metaalbindingen; terwijl ze in ethanol zijn, zijn ze CH-moleculen₃CH₂OH relatief licht dat langzaam moet worden opgevangen.

benzine

Van alle vriespuntvoorbeelden is benzine het meest complex. Net als melk is het een mengsel; maar de basis is geen water, maar een groep van verschillende koolwaterstoffen, elk met zijn eigen structurele kenmerken. Een paar kleine moleculen en andere grote.

Die koolwaterstoffen met lagere dampdrukken zullen eerst bevriezen; terwijl de anderen vloeibaar blijven, zelfs als een glas benzine wordt omringd door vloeibare stikstof. Het zal niet echt een "benzine-ijs" vormen, maar een gel met geel-groene tonen.

Om de benzine volledig te bevriezen, kan het nodig zijn om de temperatuur tot -200 ° C te laten afkoelen. Bij deze temperatuur is het waarschijnlijk dat zich benzine zal vormen, omdat alle componenten van het mengsel bevroren zijn; dat wil zeggen, er zal niet langer een vloeibare fase in evenwicht zijn met een vaste stof.

referenties

1. Afdeling Natuurkunde, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. (2018). V & A: bevriezing van benzine. Teruggeplaatst van: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Principes van de fysicochemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Verdrag van de fysicochemie. Aguilar S. A. de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spanje).
4. Walter J. Moore. (1962). Fysische chemie (Vierde editie). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Bepaling van het vriespunt van melk. Teruggeplaatst van: sibagropribor.ru