Kāpēc cukurs ietekmē ūdens sasalšanas punktu?

Ūdens sasalst 32 grādos pēc Fārenheita (0 grādi pēc Celsija), bet, ja pievieno izšķīdušo vielu, piemēram, cukuru, sasalšanas temperatūra mainās. Cukura molekulas neļauj ūdenim izveidot ūdeņraža saites, kas nepieciešamas cietībai, un ūdenim ir jākļūst vēl aukstākam, pirms tas sasniedz sasalšanas temperatūru.

Temperatūra, kurā šķidrums pārvēršas par cietu vielu, ir pazīstama kā tā sasalšanas temperatūra. Teorētiski cietas vielas kušanas temperatūrai jābūt vienādai ar šķidruma sasalšanas temperatūru. Piemēram, 32 grādos pēc Fārenheita (0 grādi pēc Celsija) pastāv līdzsvars starp ūdens sasalšanu un ledus kušanu. Ledus molekulas kūst, un ūdens molekulas vienlaikus pielīp pie ledus un kļūst sasalušas. Šajā brīdī ūdens izskatās sasalis.

Ūdens molekula sastāv no viena skābekļa atoma un diviem ūdeņraža atomiem. Temperatūra mēra, cik daudz enerģijas rada kustīgas molekulas. Kad ūdens molekulas ir aukstas, tām nav daudz enerģijas, tāpēc tās daudz nepārvietojas. Tā vietā viņi pārvietojas kopā un veido ūdeņraža saites, lai izveidotu cietu struktūru, ko sauc par ledu.

Pievienojot ūdenim cukuru, ūdens (šķīdinātājs) kļūst par šķīdumu (šķīdinātājs, kas izšķīdināts šķīdinātājā). Cukura pievienošana izjauc šķidro stāvokli, jo cukura molekulas pārvietojas bezmērķīgi, padarot šķidrās ūdens molekulas mazāk organizētas. Cukura molekulas nav iepakotas kopā ar ūdens molekulām, tāpēc, kad ūdens molekulas sāk sasalt, cukura molekulas paliek šķidrā ūdenī. Kad ūdens molekulas rada ledu, cukura molekulām ir mazāks šķidruma tilpums, kurā pārvietoties.

Cukura daļiņas spēj izšķīst tikai šķidrā šķīdinātājā un neizšķīst, ja šķīdinātājs ir cietā stāvoklī. Tāpēc cukura pievienošana ūdenim pazemina šķīduma ķīmisko potenciālu, kas pazemina arī tā sasalšanas temperatūru. Citiem vārdiem sakot, lai izsaltu, ūdenī izšķīdināts cukura šķīdums ir jāatdzesē līdz zemākai temperatūrai nekā tīrs šķīdinātājs. Kad šķidruma sasalšanas temperatūra tiek pazemināta ar piedevas klātbūtni, rodas sasalšanas temperatūras pazemināšanās. Precīzu sasalšanas temperatūru nosaka izšķīdušās daļiņas, kas izšķīdinātas šķīdinātājā. Jo vairāk izšķīdušās daļiņas ir ūdenī, jo lielāka ir šķīduma sasalšanas punkta pazemināšanās.