لماذا يؤثر السكر على درجة تجمد الماء؟

يتجمد الماء عند 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية) ، ولكن عند إضافة مادة مذابة مثل السكر ، تتغير درجة التجمد. تمنع جزيئات السكر الماء من تكوين روابط هيدروجينية ضرورية للصلابة ، ويجب أن يصبح الماء أكثر برودة قبل أن يصل إلى نقطة التجمد.

تُعرف درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى مادة صلبة باسم نقطة التجمد. من الناحية النظرية ، يجب أن تكون نقطة انصهار المادة الصلبة هي نفس درجة تجمد السائل. على سبيل المثال ، عند 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية) ، هناك توازن بين تجمد الماء وذوبان الجليد. تذوب جزيئات الجليد ، وتلتصق جزيئات الماء بالجليد وتتجمد في نفس الوقت. يبدو الماء متجمدًا في هذه المرحلة.

يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين. تقيس درجة الحرارة مقدار الطاقة الناتجة عن تحريك الجزيئات. عندما تكون جزيئات الماء باردة ، فإنها تفتقر إلى الكثير من الطاقة ، لذا فهي لا تتحرك كثيرًا. بدلاً من ذلك ، يتحركون معًا ويشكلون روابط هيدروجينية لإنشاء بنية صلبة تسمى الجليد.

عند إضافة السكر إلى الماء ، يتحول الماء (المذيب) إلى محلول (مذاب مذاب في مذيب). تؤدي إضافة السكر إلى تعطيل الحالة السائلة لأن جزيئات السكر تتحرك بلا هدف ، مما يجعل جزيئات الماء السائل أقل تنظيمًا. لا تتراكم جزيئات السكر مع جزيئات الماء ، لذلك عندما تبدأ جزيئات الماء في التجمد ، تبقى جزيئات السكر في الماء السائل. عندما تخلق جزيئات الماء الجليد ، يكون لجزيئات السكر حجم أصغر من السائل تتحرك فيه.

جزيئات السكر قادرة على الذوبان فقط في مذيب سائل ولن تذوب عندما يكون المذيب في حالة صلبة. لذلك ، فإن إضافة السكر إلى الماء يقلل من الإمكانات الكيميائية للمحلول ، مما يقلل أيضًا من درجة التجمد. بمعنى آخر ، يجب تبريد محلول السكر المذاب في الماء إلى درجة حرارة أقل من المذيب النقي حتى يحدث التجميد. عندما تنخفض نقطة تجمد السائل بسبب وجود مادة مضافة ، يحدث انخفاض في نقطة التجمد. يتم تحديد نقطة التجمد الدقيقة بواسطة كمية الجسيمات المذابة في المذيب. كلما زادت الجسيمات الذائبة في الماء ، زاد انخفاض درجة التجمد في المحلول.