UŽŠALIMO TAŠKAS: KAIP JĮ APSKAIČIUOTI IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Užšalimo temperatūra yra temperatūra, kuriai esant medžiaga patiria skystą kieta pereinamąjį pusiausvyrą. Kalbant apie medžiagą, tai gali būti junginys, grynas elementas arba mišinys. Teoriškai visa medžiaga užšąla, kai temperatūra nukrenta iki absoliutaus nulio (0K).

Tačiau norint stebėti skysčių užšalimą, kraštutinė temperatūra nėra būtina. Aisbergai yra vienas iš akivaizdžiausių užšalusių vandens telkinių pavyzdžių. Panašiai reiškinį galima atsekti realiuoju laiku naudojant skysto azoto vonias arba naudojant paprastą šaldiklį.

Šaltinis: Pxhere

Kuo skiriasi užšaldymas ir sukietėjimas? Pirmasis procesas labai priklauso nuo temperatūros, skysčio grynumo ir yra termodinaminė pusiausvyra; o antrasis yra labiau susijęs su kietos medžiagos cheminės sudėties pokyčiais, net nebūdamas visiškai skystu (pasta).

Todėl užšalimas yra kietėjimas; bet atvirkščiai ne visada tiesa. Be to, norint atmesti kietėjimo terminą, pusiausvyroje su tos pačios medžiagos kieta medžiaga turi būti skystoji fazė; ledkalniai tai daro: jie plūduriuoja ant skysto vandens.

Taigi, kai dėl temperatūros sumažėjimo susidaro kieta fazė, susiduriama su skysčio užšalimu. Slėgis taip pat daro įtaką šiai fizinei savybei, nors skysčiai, kurių garų slėgis yra mažesnis, jo poveikis mažesnis.

Kas yra užšalimo taškas?

Mažėjant temperatūrai, mažėja vidutinė molekulių kinetinė energija, todėl jos šiek tiek sulėtėja. Kai lėčiau einate skysčiu, ateina taškas, kuriame jie pakankamai sąveikauja, kad sudarytų tvarkingą molekulių išdėstymą; tai yra pirmoji kieta medžiaga, iš kurios išaugs didesni kristalai.

Jei šis pirmasis kietas „banguoja“ per daug, tuomet temperatūrą reikės dar labiau nuleisti, kol jo molekulės liks dar pakankamai. Temperatūra, kurioje tai pasiekiama, atitinka užšalimo tašką; iš ten nustatoma skysto ir kieto pusiausvyra.

Ankstesnis scenarijus yra grynų medžiagų atveju; o kas, jei jų nėra?

Tokiu atveju pirmosios kietosios molekulės turi sugebėti įtraukti svetimas molekules. Dėl to susidaro nešvari kieta medžiaga (arba kietas tirpalas), kuriai susidaryti reikalinga žemesnė nei užšalimo temperatūra.

Tada kalbame apie užšalimo taško sumažėjimą. Kadangi yra daugiau pašalinių molekulių arba teisingiau tariant, priemaišų, skystis užšąla ir žemesnėje, ir žemesnėje temperatūroje.

Užšalimas vs tirpumas

Duotų dviejų junginių, A ir B, mišinys, mažėjant temperatūrai, A užšąla, o B išlieka skystas.

Scenarijus yra panašus į ką tik paaiškintą. Dalis A dar neužšąla, todėl ištirpsta B. Ar kalbame apie tirpumo pusiausvyrą, o ne apie skysčio-kietojo perėjimą?

Galioja abu aprašymai: A iškrenta arba užšąla, atsiskiria nuo B, kai temperatūra krenta. Visi A bus iškritę, kai nebeliks nieko ištirpinto B; o tai yra tas pats, kas sakyti, kad A bus visiškai sušalęs.

Vis dėlto patogiau šį reiškinį gydyti užšalimo požiūriu. Taigi A pirmiausia užšąla, nes turi žemesnę užšalimo temperatūrą, o B reikės vėsesnės temperatūros.

Tačiau „A ledas“ iš tikrųjų susideda iš kietos medžiagos, turinčios turtingesnę A sudėtį nei B; bet yra ir B. Taip yra todėl, kad A + B yra homogeninis mišinys, todėl dalis šio homogeniškumo pereina į sušalusią kietą medžiagą.

Kaip tai apskaičiuoti?

Kaip galima numatyti ar apskaičiuoti medžiagos užšalimo tašką? Yra fizikiniai ir cheminiai skaičiavimai, leidžiantys gauti apytikslę šio taško vertę esant kitiems slėgiams (išskyrus 1atm, aplinkos slėgį).

Tačiau tai lemia suliejimo (py _Fus ) entalpiją ; nes susiliejimas yra priešinga prasme užšalimo procesas.

Be to, eksperimentiniu būdu yra lengviau nustatyti medžiagos ar mišinio lydymosi tašką nei jo užšalimo temperatūra; Nors jie gali atrodyti vienodi, jie rodo tam tikrus skirtumus.

Kaip minėta ankstesniame skyriuje: kuo didesnė priemaišų koncentracija, tuo didesnis užšalimo taško kritimas. Tai taip pat galima pasakyti taip: kuo mažesnė mišinyje esančios kietosios medžiagos molinė frakcija X, tuo žemesnė temperatūra užšals.

Temperatūros mažėjimo lygtis

Ši lygtis išreiškia ir apibendrina viską, kas buvo pasakyta:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Kur R yra ideali dujų konstanta, kuri beveik naudojama. Tº yra normalus užšalimo taškas (esant aplinkos slėgiui), o T yra temperatūra, kurioje kieta medžiaga užšąla iki molinės frakcijos X.

Iš šios lygties ir po daugybės supaprastinimų gaunami šie, geriau žinomi:

ΔTc = K _F m (2)

Kur m yra tirpinio arba priemaiša molality, ir K _F yra cryoscopic konstanta tirpiklyje arba skysto komponento.

Pavyzdžiai

Trumpai aprašomas kai kurių medžiagų užšalimas.

Vanduo

Vanduo užšąla apie 0ºC. Tačiau ši vertė gali sumažėti, jei joje yra tirpios medžiagos; pasakyti, druska ar cukrus.

Priklausomai nuo ištirpintos tirpios medžiagos masės, yra skirtingos molinės vertės; ir didėjant m, X mažėja, kurio reikšmę galima pakeisti lygtimi (1) ir taip išspręsti T.

Pvz., Jei įdėsite stiklinę vandens į šaldiklį, o kitą - su pasaldintu vandeniu (arba bet kokiu vandens pagrindu pagamintu gėrimu), stiklinė vandens pirmiausia užšals. Taip yra todėl, kad jo kristalai susidaro greičiau, netrikdydami gliukozės molekulių, jonų ar kitų rūšių.

Tas pats nutiktų, jei į šaldiklį įdėtumėte stiklinę jūros vandens. Dabar jūros vandens stiklinė gali būti užšaldyta arba ne, pirmiausia nei saldinto vandens stiklinė; skirtumas priklausys nuo tirpios medžiagos kiekio, o ne nuo jo cheminės prigimties .

Būtent dėl ​​šios priežasties Tc (užšalimo temperatūros) sumažėjimas yra bendra priemonė.

Alkoholis

Šaltinis: „Pixabay“

Alkoholiai užšąla šaltesnėje temperatūroje nei skystas vanduo. Pavyzdžiui, etanolis užšąla maždaug -114 ° C temperatūroje. Sumaišius su vandeniu ir kitais ingredientais, užšalimo temperatūra padidės, priešingai.

Kodėl? Nes vanduo, skystas mišinys, maišantis su alkoholiu, užšąla kur kas aukštesnėje temperatūroje (0ºC).

Grįžimas į šaldytuvą su vandens taurėmis, jei šį kartą bus įvestas vienas su alkoholiniu gėrimu, tai bus paskutinis, kuris užšaldo. Kuo aukštesnė etilo rūšis, tuo šaldiklyje jį reikės dar atvėsinti, kad gėrimas būtų užšaldytas. Dėl šios priežasties tokius gėrimus kaip tekila sunkiau užšaldyti.

Pienas

Šaltinis: „Pixabay“

Pienas yra vandens pagrindo medžiaga, kurioje, be kitų lipoproteinų, riebalai pasiskirsto kartu su laktoze ir kalcio fosfatais.

Tie komponentai, kurie geriau tirpsta vandenyje, lemia, kiek jo užšalimo temperatūra skirsis priklausomai nuo sudėties.

Vidutiniškai pienas užšąla maždaug -0,54ºC temperatūroje, tačiau jis svyruoja nuo -0,50 iki -0,56, atsižvelgiant į vandens procentą. Taigi galima sužinoti, ar pienas buvo padirbtas. Ir kaip matote, stiklinė pieno užšals beveik tiek pat, kiek ir stiklinė vandens.

Ne visas pienas užšąla toje pačioje temperatūroje, nes jo sudėtis priklauso ir nuo gyvulinės kilmės.

Gyvsidabris

Gyvsidabris yra vienintelis skystas metalas kambario temperatūroje. Norėdami jį užšaldyti, būtina sumažinti temperatūrą iki –38,83ºC; Ir šį kartą bus išvengta idėjos jį supilti į stiklinę ir sudėti į šaldiklį, nes tai gali sukelti skaudžių avarijų.

Atminkite, kad gyvsidabris užšąla prieš alkoholį. Taip gali būti dėl to, kad gyvsidabrio kristalas mažiau vibruoja, nes jį sudaro atomai, sujungti metaliniais ryšiais; tuo tarpu etanolyje jie yra palyginti lengvos CH ₃ CH ₂ OH molekulės, kurios turi būti laikomos lėtai.

Benzinas

Iš visų užšalimo taškų pavyzdžių benzinas yra pats sudėtingiausias. Kaip pienas, tai yra mišinys; tačiau jo pagrindas yra ne vanduo, o grupė įvairių angliavandenilių, kurių kiekviena turi savo struktūrines savybes. Kai kurios mažos molekulės, o kai kurios didelės.

Pirmiausia užšals tie angliavandeniliai, kurių garų slėgis yra mažesnis; o kiti liks skysti, net jei stiklinė benzino būtų apsupta skysto azoto. Tai tinkamai nesudarys „benzino ledo“, o gelio su gelsvai žaliais tonais.

Norint visiškai užšaldyti benziną, gali tekti atvėsinti temperatūrą iki -200ºC. Esant tokiai temperatūrai gali susidaryti benzino ledas, nes visi mišinio komponentai bus užšalę; y., pusiausvyroje su kieta medžiaga nebebus skystos fazės.

Nuorodos

1. Ilinojaus universiteto Fizikos katedra, Urbana-Champaign. (2018 m.). Klausimai ir atsakymai: benzino užšalimas. Atkurta iš: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Fizikochemijos principai. (Šeštas leidimas). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fizikocheminė sutartis. „Aguilar SA de Ediciones“, Juanas Bravo, 38 m., Madridas (Ispanija).
4. Walteris J. Moore'as. (1962). Fizikinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Longmanai.
5. Sibagropribor. (2015). Pieno užšalimo taško nustatymas. Atkurta iš: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 m. Birželio 22 d.). Alkoholio užšalimo temperatūra. Atgauta iš: thinkco.com