מדוע סוכר משפיע על נקודת הקפאה של מים?

מים קופאים בטמפרטורה של 32 מעלות צלזיוס (0 מעלות צלזיוס), אך כאשר מוסיפים מומס כמו סוכר, נקודת הקפאה משתנה. מולקולות הסוכר מונעות מהמים ליצור קשרי מימן, הנדרשים למוצקות, והמים צריכים להיות קרים עוד יותר לפני שהם מגיעים לנקודת הקפאה שלהם.

הטמפרטורה בה נוזל הופך למוצק ידועה כנקודת הקפאה שלו. בתיאוריה, נקודת ההיתוך של מוצק צריכה להיות זהה לנקודת הקפאה של הנוזל. לדוגמא, בטמפרטורה של 32 מעלות פרנהייט (0 מעלות צלזיוס), יש שיווי משקל בין הקפאת מים להמיסת קרח. מולקולות של קרח נמסות, ומולקולות של מים נדבקות לקרח והופכות קפואות באותו זמן. המים נראים קפואים בשלב זה.

מולקולת מים מורכבת מאטום חמצן אחד ושני אטומי מימן. הטמפרטורה מודדת כמה אנרגיה נוצרת על ידי מולקולות נעות. כשמולקולות מים קרות, אין להן הרבה אנרגיה, ולכן הן לא מסתובבות הרבה. במקום זאת הם נעים יחד ויוצרים קשרי מימן ליצירת מבנה מוצק הנקרא קרח.

כשמוסיפים סוכר למים, המים (הממיס) הופכים לתמיסה (מומס המומס בממיס). הוספת סוכר משבשת את המצב הנוזלי מכיוון שמולקולות הסוכר מסתובבות ללא מטרה, מה שהופך את מולקולות המים הנוזליות לפחות מאורגנות. מולקולות סוכר אינן אורזות יחד עם מולקולות מים, ולכן כאשר מולקולות המים מתחילות לקפוא, מולקולות הסוכר נשארות במים הנוזליים. כאשר מולקולות המים יוצרות קרח, למולקולות הסוכר יש נפח נוזל קטן יותר לתנועה.

חלקיקי סוכר מסוגלים להתמוסס רק בממיס נוזלי ולא יתמוססו כאשר הממס במצב מוצק. לכן, הוספת סוכר למים מורידה את הפוטנציאל הכימי של התמיסה, מה שמוריד גם את נקודת הקפאה שלו. במילים אחרות, יש לקרר תמיסת סוכר מומסת במים לטמפרטורה נמוכה יותר מהממס הטהור על מנת שהקפאה תתרחש. כאשר נקודת הקפאה של נוזל יורדת על ידי נוכחות של תוסף, מתרחשת דיכאון בנקודת הקפאה. נקודת הקפאה המדויקת נקבעת על ידי כמות החלקיקים המומסים המומסים בממיס. ככל שיש יותר חלקיקים מומסים במים, כך דיכאון נקודת הקפאה של התמיסה גדול יותר.