Miért befolyásolja a cukor a víz fagypontját?

A víz 32 Fahrenheit fokon (0 Celsius fok) fagy, de ha oldott anyagot, például cukrot adunk hozzá, akkor a fagyáspont megváltozik. A cukormolekulák megakadályozzák a víz hidrogénkötéseit, amelyek a szilárdsághoz szükségesek, és a víznek még hidegebbé kell válnia, mielőtt eléri a fagyáspontját.

Az a hőmérséklet, amelyen a folyadék szilárd anyaggá alakul, fagyáspontjának nevezzük. Elméletileg a szilárd anyag olvadáspontjának meg kell egyeznie a folyadék fagyáspontjával. Például 32 Fahrenheit fokon (0 Celsius fok) egyensúly van a víz fagyása és a jégolvadás között. A jégmolekulák olvadnak, és a vízmolekulák egyszerre tapadnak a jéghez és fagynak meg. A víz ekkor fagyosnak tűnik.

A vízmolekula egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll. A hőmérséklet azt méri, hogy a mozgó molekulák mennyi energiát hoznak létre. Ha a vízmolekulák hidegek, nincs sok energiájuk, ezért nem sokat mozognak. Ehelyett együtt mozognak és hidrogénkötéseket alkotnak, hogy szilárd szerkezetet hozzanak létre, amelyet jégnek neveznek.

Ha cukrot adunk a vízhez, a víz (az oldószer) oldattá válik (oldószerben oldott oldott anyag). A cukor hozzáadása megzavarja a folyékony állapotot, mert a cukormolekulák céltalanul mozognak, így a folyékony vízmolekulák kevésbé szerveződnek. A cukormolekulák nem pakolódnak össze a vízmolekulákkal, így amikor a vízmolekulák fagyni kezdenek, a cukormolekulák a folyékony vízben maradnak. Amikor a vízmolekulák jeget teremtenek, a cukormolekulák kisebb folyadékmennyiséggel rendelkeznek, amelyben mozoghatnak.

A cukor részecskék csak folyékony oldószerben képesek feloldódni, és nem oldódnak fel, ha az oldószer szilárd állapotban van. Ezért a cukor vízhez adása csökkenti az oldat kémiai potenciálját, ami csökkenti a fagyáspontját is. Más szavakkal, a vízben oldott cukoroldatot alacsonyabb hőmérsékletre kell hűteni, mint a tiszta oldószert, hogy a fagyás megtörténjen. Amikor egy folyadék fagyáspontját valamely adalék jelenléte csökkenti, fagyáspont-csökkenés következik be. A pontos fagyáspontot az oldószerben oldott oldott részecskék mennyisége határozza meg. Minél több oldott részecske van a vízben, annál nagyobb az oldat fagyáspont-depressziója.