Landes- und Kommunalverwaltungen verteilen häufig Salz als Enteisungsmittel auf Straßen. Es funktioniert, indem es die Schmelztemperatur des Eises effektiv senkt. Dieses Phänomen – bekannt als Gefrierpunktserniedrigung – liefert auch die Grundlage für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Projekten. Die Projekte können von einfach bis kompliziert reichen – komplett mit mathematischen Vorhersagen – je nach Klassenstufe des Schülers. Außerdem enthält die Liste der benötigten Ausrüstung nur einen Topf und ein Thermometer.
Wenn sich Feststoffe in Wasser lösen, bilden sie kleine, diskrete Partikel. Bei organischen Stoffen wie Zucker bestehen die Partikel aus einzelnen Zuckermolekülen. Bei Salzen wie Kochsalz, auch Natriumchlorid genannt, bestehen die Partikel aus den geladenen Ionen, aus denen das Salz besteht. Das Vorhandensein von Partikeln im Wasser stört die Fähigkeit der Wassermoleküle, sich zu einem Feststoff zu verbinden, wenn sich die Temperatur des Wassers seinem Gefrierpunkt nähert. Gefrierpunktserniedrigung tritt in allen Flüssigkeiten auf, nicht nur in Wasser.
Ein Experimentator muss besonders darauf achten, was er genau misst und wie er es misst. Dabei geht es um die grundsätzliche Frage, die richtigen Fragen zu stellen. Sollte sich der Experimentator in diesem speziellen Fall darum kümmern, was schneller gefriert oder bei welcher Temperatur das Einfrieren auftritt? Die Frage, was schneller gefriert, impliziert, dass, wenn eine Wasserprobe und eine Zuckerwasserprobe gleichzeitig in einen Gefrierschrank gestellt würden, einer von ihnen vor dem anderen gefrieren würde. Aber welche Informationen würde das tatsächlich liefern? Die Geschwindigkeit, mit der ein Stoff gefriert, hängt unter anderem von der Wärmekapazität und die Stoffmenge. Die bessere Wahl wäre in diesem Fall, die Temperatur zu messen, bei der die Lösungen gefrieren, weil dies beantwortet die wichtigere Frage: Beeinflussen Verunreinigungen im Wasser seinen Gefrierpunkt und wenn ja wie? viel?
Chemiker und Physiker haben die Wissenschaft und Mathematik hinter der Gefrierpunktserniedrigung gut etabliert. Für fortgeschrittene Schüler oder solche mit starkem Interesse an Mathematik lautet die Standardgleichung für die Gefrierpunktserniedrigung delta (T) einer Lösung delta (T) = -k * m, wobei k die molale Gefrierpunktserniedrigungskonstante des Lösungsmittels darstellt und m die Molalität der Lösung darstellt, oder die Mole der Partikel dividiert durch die Kilogramm von Lösungsmittel. Dies erscheint komplizierter, als es tatsächlich ist. Unter der Annahme, dass Wasser das einzige im Experiment verwendete Lösungsmittel darstellt, ist k = 1,86. Außerdem weist Zucker, auch Saccharose genannt, ein Molekulargewicht von 342,3 auf. Die Gleichung für die Gefrierpunktserniedrigung vereinfacht sich nun zu Delta (T) = -1,86 * (Gramm Saccharose / 342,3 / kg Wasser). Wenn also zum Beispiel 10 Gramm Saccharose in 100 ml Wasser gelöst wurden, dann 100 ml = 100 g = 0,100 kg und Delta (T) = -1,86 * (10 / 342,3 / 0,1) = -0,54 Grad Celsius. Daher sollte diese Lösung bei einer Temperatur von 0,54 Grad Celsius unter dem Gefrierpunkt von reinem Wasser gefrieren.
Eine Neuordnung der Gleichung aus Schritt 3 würde es einem Experimentator ermöglichen, Delta (T) zu messen und dann nach dem Molekulargewicht, MW, von Saccharose aufzulösen. Das heißt, MW = (-1,86 * Gramm Saccharose) / (Delta (T) * kg Wasser). Tatsächlich führen viele Chemiestudenten auf High-School- und College-Niveau Experimente durch, in denen sie experimentell das Molekulargewicht einer unbekannten Substanz bestimmen. Die Methode funktioniert auch in Bezug auf Siedepunkte, außer dass sich der Wert für k auf 0,52 ändert.