Warum beeinflusst Zucker den Gefrierpunkt von Wasser?

Wasser gefriert bei 32 Grad Fahrenheit (0 Grad Celsius), aber wenn ein gelöster Stoff wie Zucker hinzugefügt wird, ändert sich der Gefrierpunkt. Die Zuckermoleküle verhindern, dass das Wasser Wasserstoffbrückenbindungen eingeht, die für die Festigkeit erforderlich sind, und das Wasser muss noch kälter werden, bevor es seinen Gefrierpunkt erreicht.

Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit in einen Feststoff übergeht, wird als Gefrierpunkt bezeichnet. Theoretisch sollte der Schmelzpunkt eines Feststoffs dem Gefrierpunkt einer Flüssigkeit entsprechen. Bei 32 Grad Fahrenheit (0 Grad Celsius) gibt es beispielsweise ein Gleichgewicht zwischen dem Gefrieren von Wasser und dem Schmelzen von Eis. Eismoleküle schmelzen, Wassermoleküle bleiben am Eis haften und erstarren gleichzeitig. Das Wasser sieht an dieser Stelle gefroren aus.

Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Die Temperatur misst, wie viel Energie durch sich bewegende Moleküle erzeugt wird. Wenn Wassermoleküle kalt sind, haben sie nicht viel Energie und bewegen sich daher nicht viel. Stattdessen bewegen sie sich zusammen und bilden Wasserstoffbrücken, um eine feste Struktur namens Eis zu bilden.

Wenn Sie Wasser zu Zucker hinzufügen, wird das Wasser (das Lösungsmittel) zu einer Lösung (ein gelöster Stoff in einem Lösungsmittel). Die Zugabe von Zucker stört den flüssigen Zustand, da sich Zuckermoleküle ziellos bewegen, wodurch die flüssigen Wassermoleküle weniger organisiert werden. Zuckermoleküle packen sich nicht mit Wassermolekülen zusammen. Wenn die Wassermoleküle zu gefrieren beginnen, bleiben die Zuckermoleküle im flüssigen Wasser. Wenn die Wassermoleküle Eis erzeugen, haben die Zuckermoleküle ein geringeres Flüssigkeitsvolumen, in dem sie sich bewegen können.

Zuckerpartikel können sich nur in einem flüssigen Lösungsmittel auflösen und lösen sich nicht auf, wenn das Lösungsmittel in einem festen Zustand ist. Daher senkt die Zugabe von Zucker zu Wasser das chemische Potenzial der Lösung, was auch ihren Gefrierpunkt senkt. Mit anderen Worten, eine in Wasser gelöste Zuckerlösung muss auf eine niedrigere Temperatur als das reine Lösungsmittel abgekühlt werden, damit das Gefrieren stattfindet. Wenn der Gefrierpunkt einer Flüssigkeit durch die Anwesenheit eines Additivs gesenkt wird, tritt eine Gefrierpunktserniedrigung auf. Der genaue Gefrierpunkt wird durch die Menge der im Lösungsmittel gelösten gelösten Partikel bestimmt. Je mehr gelöste Partikel im Wasser vorhanden sind, desto stärker ist die Gefrierpunktserniedrigung der Lösung.