Wenn ein Lösungsmittel gefriert, werden die Partikel dieses Lösungsmittels geordneter. Die intermolekularen Kräfte, die auf diese Teilchen wirken, werden „permanenter“, da die Teilchen nun näher beieinander liegen. Wenn beispielsweise Wasser zu Eis gefriert, bilden die Wasserstoffbrücken, die dem Wasser viele seiner einzigartigen Eigenschaften verleihen, ein hexagonales Netzwerk von Molekülen, das der Struktur des Eises inhärent ist.
Was passiert also, wenn ein gelöster Stoff zu Wasser oder reinem Lösungsmittel hinzugefügt wird? Die Zugabe von gelöstem Stoff führt dazu, dass die Ordnung der Lösungsmittelmoleküle gestört wird. Das bedeutet, dass der Lösung mehr Energie entzogen werden muss, um sie einzufrieren.
Wenn beispielsweise Wasser Salz zugesetzt wird, unterbrechen die resultierenden Ionen im Wasser das übliche Netzwerk von Wasserstoffbrücken, das beim Gefrieren entsteht. Dadurch ist der Gefrierpunkt der Lösung niedriger als beim reinen Lösungsmittel. Dies wird als Gefrierpunktserniedrigung bezeichnet.
Gefrierpunktserniedrigung definieren
Die Abnahme des Gefrierpunkts ist direkt proportional zur Molalität des gelösten Stoffes:
In dieser Gleichung ist Kf die molale Gefrierpunktserniedrigungskonstante ist und m die Molalität des gelösten Stoffes ist. Merken, Molalität ist die Molzahl des gelösten Stoffes pro kg Lösungsmittel. Der Van't Hoff-Faktor ist i, der sich auf die Anzahl der Ionen in Lösung für jedes gelöste Molekül des gelösten Stoffes bezieht. Dies wäre beispielsweise 2 für NaCl.
Grundsätzlich bedeutet dies, dass die Gefriertemperatur umso stärker sinkt, je mehr gelöste Stoffe vorhanden sind.
Gefrierpunkterniedrigung ist definiert durch den Gefrierpunkt des reinen Lösungsmittels minus dem Gefrierpunkt der jeweiligen Lösung:
Auf diese Weise können Sie den neuen Gefrierpunkt im Vergleich zum reinen Lösungsmittel ermitteln.
Warum ist eine Gefrierpunktserniedrigung sinnvoll?
Die zwei häufigsten realen Anwendungen der Gefrierpunktserniedrigung sind Frostschutzmittel und das Einsalzen von Straßen im Winter.
Ethylenglykol ist eine häufig in Frostschutzmitteln verwendete Verbindung, da der Gefrierpunkt von Wasser sinkt, wenn es zu Wasser hinzugefügt wird. Dies kann dazu beitragen, dass das Wasser im Kühler Ihres Autos nicht gefriert.
Wenn im Winter Salz auf die Straße gegeben wird, schmilzt das Eis bei einer niedrigeren Temperatur, was die Sicherheit erhöht, da weniger Eis auf der Straße liegt.
Schauen Sie sich das folgende Beispiel an, das zeigt, wie die Zugabe von Salz zu Wasser zu einer Senkung des Gefrierpunkts der Lösung führt.
Wie hoch ist die Gefriertemperatur einer Lösung, in der 100 Gramm NaCl auf 1 Kilogramm Wasser gegeben wurden? Mit anderen Worten, was ist der Gefrierpunkt von Salzwasser?
Sie können die folgende Gleichung verwenden:
Das Kf für Wasser beträgt 1,86 °C/m. Diese Nummer ist in einer Tabelle wie der in der ersten Referenz zu finden. Da NaCl in zwei Ionen dissoziiert, beträgt der Van't-Hoff-Faktor 2. Schließlich müssen Sie die Molalität der Lösung berechnen.
Dazu müssen Sie zunächst die Gramm NaCl in Mol umrechnen:
Jetzt müssen Sie die Mole NaCl durch die Masse des Lösungsmittels teilen, um die Molalität zu ermitteln:
Als nächstes können Sie dies in die folgende Gleichung einsetzen:
So:
So wie,
Jetzt können Sie die Gleichung für die Gefrierpunktserniedrigung verwenden, um den neuen Gefrierpunkt der Lösung zu finden. (Denken Sie daran, dass der Gefrierpunkt von reinem Wasser 0 ° C beträgt.)
So:
So würde die Zugabe von 100 Gramm Salz zu 1 Kilogramm Wasser den Gefrierpunkt auf -6,4 °C senken.
Tipps
Der Gefrierpunkt einer Lösung liegt immer unter dem Gefrierpunkt des reinen Lösungsmittels. Das bedeutet, dass die Lösung auf eine niedrigere Temperatur gebracht werden muss, damit sie gefriert. Dies bedeutet auch, dass das Schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet als beim reinen Lösungsmittel.