Når et opløsningsmiddel fryser, bliver partiklerne af dette opløsningsmiddel mere ordnede. De intermolekylære kræfter, der virker på disse partikler, bliver mere "permanente", da partiklerne nu er tættere på hinanden. For eksempel, når vand fryser ned i is, udgør hydrogenbindingerne, der giver vand mange af dets unikke egenskaber, et sekskantformet netværk af molekyler, der er forbundet med isens struktur.
Så hvad sker der, når et opløst stof tilsættes til vand eller et rent opløsningsmiddel? Tilsætningen af opløst stof resulterer i, at opløsningen af opløsningsmiddelmolekylerne forstyrres. Det betyder, at mere energi skal fjernes fra opløsningen for at fryse den.
For eksempel, når salt tilsættes til vand, forstyrrer de resulterende ioner i vandet det sædvanlige netværk af hydrogenbindinger dannet ved frysning. Som et resultat er frysepunktet for opløsningen lavere end for det rene opløsningsmiddel. Dette kaldes frysepunktsdepression.
Definition af frysepunktsdepression
Faldet i frysepunktet er direkte proportionalt med det opløste stofs molalitet:
I denne ligning Kf er molalt frysepunktsdepression konstant, og m er molaliteten af det opløste stof. Husk, molalitet er antallet af mol opløst stof pr. kg opløsningsmiddel. Van't Hoff-faktoren er i, som vedrører antallet af ioner i opløsning for hvert opløst opløst molekyle. For eksempel ville dette være 2 for NaCl.
Dybest set betyder dette, at jo mere opløst stof der er, jo større er faldet i frysetemperaturen.
Frysepunktsdepression er defineret ved frysepunktet for rent opløsningsmiddel minus frysepunktet for den pågældende opløsning:
Dette giver dig mulighed for at finde ud af, hvad det nye frysepunkt er sammenlignet med det rene opløsningsmiddel.
Hvorfor er frysepunktsdepression nyttig?
De to mest almindelige anvendelser i den virkelige verden af frysepunktsdepression er frostvæske og saltning af veje om vinteren.
Ethylenglycol er en forbindelse, der ofte bruges i frostvæske, fordi når det tilsættes til vand, falder vandets frysepunkt. Dette kan hjælpe med at sikre, at vandet i din bils radiator ikke fryser.
Når der tilsættes salt til vejen om vinteren, smelter is ved en lavere temperatur, hvilket gør det sikrere, fordi der ikke er så meget is på vejen.
Se på følgende eksempel, som viser, hvordan salt tilsættes til vand, vil resultere i et fald i opløsningens frysepunkt.
Hvad er frysetemperaturen for en opløsning, hvor 100 gram NaCl er tilsat til 1 kg vand? Med andre ord, hvad er saltvandets frysepunkt?
Du kan bruge følgende ligning:
Kf for vand er 1,86 ° C / m. Dette nummer kan findes i en tabel som den i den første reference. Da NaCl dissocieres i to ioner, er van't Hoff-faktoren 2. Endelig skal du beregne opløsningens molalitet.
For at gøre dette skal du først konvertere gram NaCl til mol:
Nu skal du dele mol NaCl med opløsningsmidlets masse for at finde molaliteten:
Dernæst kan du tilslutte dette til følgende ligning:
Så:
Som sådan,
Nu kan du bruge frysepunktets depression ligning til at finde løsningens nye frysepunkt. (Husk, frysepunktet for rent vand er 0 ° C.)
Så:
Således vil tilsætning af 100 gram salt til 1 kg vand reducere frysepunktet til -6,4 ° C.
Tips
En opløsnings frysepunkt er altid mindre end frysepunktet for det rene opløsningsmiddel. Dette betyder, at opløsningen skal bringes til en lavere temperatur for at den kan fryse. Dette betyder også, at smeltning sker ved en lavere temperatur end for det rene opløsningsmiddel.