Miksi sokeri vaikuttaa veden jäätymispisteeseen?

Vesi jäätyy 32 astetta Fahrenheit-astetta (0 astetta), mutta kun lisätään liuenneita aineita, kuten sokeria, jäätymispiste muuttuu. Sokerimolekyylit estävät vettä muodostamasta vetysidoksia, joita tarvitaan kiinteydeksi, ja veden on oltava vielä kylmempiä ennen kuin se saavuttaa jäätymispisteen.

Lämpötila, jossa neste muuttuu kiinteäksi aineeksi, kutsutaan sen jäätymispisteeksi. Teoriassa kiinteän aineen sulamispisteen tulisi olla sama kuin nesteen jäätymispiste. Esimerkiksi 32 astetta Fahrenheit-astetta (0 astetta) on tasapaino veden jäätymisen ja jään sulamisen välillä. Jäämolekyylit sulavat, ja vesimolekyylit tarttuvat jäähän ja jäätyvät samaan aikaan. Vesi näyttää jäätyneeltä tässä vaiheessa.

Vesimolekyyli koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Lämpötila mittaa kuinka paljon energiaa syntyy liikkuvien molekyylien avulla. Kun vesimolekyylit ovat kylmiä, niillä ei ole paljon energiaa, joten ne eivät liiku paljon. Sen sijaan ne liikkuvat yhdessä ja muodostavat vetysidoksia luodakseen kiinteän rakenteen, jota kutsutaan jääksi.

Kun lisäät sokeria veteen, vedestä (liuotin) tulee liuos (liuottimeen liuotettu liuotin). Sokerin lisääminen häiritsee nestemäistä tilaa, koska sokerimolekyylit liikkuvat tarkoituksetta, mikä tekee nestemäisistä vesimolekyyleistä vähemmän järjestäytyneitä. Sokerimolekyylit eivät pakkaa yhdessä vesimolekyylien kanssa, joten kun vesimolekyylit alkavat jäätyä, sokerimolekyylit pysyvät nestemäisessä vedessä. Kun vesimolekyylit luovat jäätä, sokerimolekyyleillä on pienempi nestemäärä, jossa ne voivat liikkua.

Sokeripartikkelit pystyvät liukenemaan vain nestemäiseen liuottimeen eivätkä liukene, kun liuotin on kiinteässä tilassa. Siksi sokerin lisääminen veteen alentaa liuoksen kemiallista potentiaalia, mikä myös alentaa sen jäätymispistettä. Toisin sanoen veteen liuotetun sokeriliuos on jäähdytettävä alempaan lämpötilaan kuin puhdas liuotin, jotta jäätyminen tapahtuu. Kun nesteen jäätymispiste laskee lisäaineen läsnä ollessa, tapahtuu jäätymispisteen masennus. Tarkka jäätymispiste määritetään liuottimeen liuotettujen liuenneiden hiukkasten määrän perusteella. Mitä enemmän liuenneita hiukkasia on vedessä, sitä suurempi on liuoksen jäätymispisteen lasku.