Kodėl cukrus tirpdo ledą?

•••„Modfos“ / „iStock“ / „GettyImages“

Įprasta ledą skleisti keliuose, kad ištirptų žiemos ledas, tačiau, jei ledo nėra, galite naudoti ir cukrų. Tiesą sakant, galite naudoti bet kokią medžiagą, kuri ištirpsta vandenyje. Cukrus neveiktų taip gerai, kaip druska, ir yra klausimas, kad visas lipnus vanduo paverčia pakelės purvą purvinu. Bet kadangi jis sumažina vandens užšalimo tašką, ledas ištirps, jei lauko temperatūra nėra per šalta. Priežastis, kad taip atsitinka, yra ta, kad bet koks vandenyje ištirpęs tirpalas trukdo vandens molekulėms susilieti į kietą formą.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Cukrus sumažina vandens užšalimo temperatūrą, susijungdamas su vandens molekulėmis ir tarp jų sukurdamas daugiau vietos. Tai padeda jiems įveikti elektrostatines jėgas, jungiančias juos į tvirtą struktūrą. Tas pats pasakytina apie bet kokią medžiagą, kuri ištirpsta vandenyje.

•••Jonathano Percy nuotrauka „Unsplash“

Kai vanduo yra kietoje ledo būsenoje, molekulės jungiasi viena su kita į kristalų struktūrą, iš kurios nė viena neturi energijos pabėgti. Kylant temperatūrai, molekulės įgauna vibracinę energiją ir judėjimo laisvę. Kritiniu momentu jie gali išsivaduoti iš elektrostatinių jėgų, kurios juos suriša į kristalinę struktūrą, ir laisviau judėti skystoje būsenoje. Jūs gerai žinote šį kritinį tašką, nes jo lydymosi temperatūra yra 32 laipsniai Fahrenheito (0 laipsnių Celsijaus).

Kai vanduo yra skystos būsenos, o jūs žeminate temperatūrą, molekulės praranda energiją ir galiausiai susijungia į kristalų struktūrą. Esant tokiai kritinei temperatūrai, užšalimo taškui, molekulės neturi pakankamai energijos, kad galėtų ištrūkti iš elektrostatinių ryšių jie veikia vieni kitus, todėl įsitaiso „miegančioje“ būsenoje, pavyzdžiui, grupė kačių susibėga kartu pabėgti nuo žiemos atšalimas. Vėlgi, tai sukelia elektrostatines traukos jėgas, kurias jos veikia viena kitai.

•••„Wavebreakmedia Ltd“ / „Wavebreak Media“ / „Getty Images“

Bet koks ištirpęs vanduo, kuris ištirps vandenyje, užšalimo temperatūrą sumažina dėl gana paprastos priežasties. Kai medžiaga ištirpsta, vandens molekulės ją supa ir elektrostatiškai prisijungia. Tirpiklis suteikia erdvę tarp vandens molekulių ir sumažina jų trauką viena kitai. Todėl jiems reikia mažiau energijos, kad išlaikytų judėjimo laisvę, o esant žemesnei temperatūrai, jie išliks skysti.

Taip atsitinka, jei ištirpusios dalelės yra atskiri jonai, pavyzdžiui, druskos natrio ir chlorido jonai, ar didelės, sudėtingos molekulės, tokios kaip sacharozė (stalo cukrus), kurios cheminė formulė C₁₂H₂₂O₁₁. Turėdamas 45 atomus vienoje molekulėje, cukrus vandens molekules išskiria ne taip efektyviai, kaip mažesni, stipriau įkrauti jonai, todėl cukrus ne taip efektyviai sumažina lydymosi temperatūrą kaip druska. Kita susijusi priežastis yra tai, kad poveikis užšalimo temperatūrai priklauso nuo ištirpusio tirpalo kiekio. Kadangi cukraus molekulės yra daug didesnės už druskos jonus, mažiau jų telpa į tam tikrą vandens kiekį.

•••Vladas Turchenko / „iStock“ / „Getty Images“

Šiek tiek netikslu sakyti, kad cukrus tirpdo ledą. Iš tikrųjų vyksta tai, kad jis sumažina užšalimo tašką, todėl vanduo gali likti skystas esant šaltesnei temperatūrai. Tai daro užtikrindamas tarpą tarp vandens molekulių ir sumažindamas jų trauką viena kitos atžvilgiu. Jei meskite cukrų ant ledo esant 30 laipsnių pagal Celsijų (-1,1 laipsnio Celsijaus), ledas ištirps, tačiau jei temperatūra nukris žemiau, vanduo galiausiai užšals. Naujoji užšalimo temperatūra yra žemesnė nei gryno vandens, tačiau aukštesnė, nei būtų, jei ant ledo užmestumėte druską.