Waarom beïnvloedt suiker het vriespunt van water?

Water bevriest bij 32 graden Fahrenheit (0 graden Celsius), maar wanneer een opgeloste stof zoals suiker wordt toegevoegd, verandert het vriespunt. De suikermoleculen voorkomen dat het water waterstofbruggen maakt, die nodig zijn voor de stevigheid, en het water moet nog kouder worden voordat het het vriespunt bereikt.

De temperatuur waarbij een vloeistof in een vaste stof verandert, staat bekend als het vriespunt. In theorie zou het smeltpunt van een vaste stof hetzelfde moeten zijn als het vriespunt van de vloeistof. Bij 32 graden Fahrenheit (0 graden Celsius) is er bijvoorbeeld een evenwicht tussen bevriezen van water en smelten van ijs. IJsmoleculen smelten en watermoleculen kleven aan het ijs en worden tegelijkertijd bevroren. Het water lijkt op dit punt bevroren.

Een watermolecuul bestaat uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Temperatuur meet hoeveel energie wordt gecreëerd door bewegende moleculen. Als watermoleculen koud zijn, hebben ze niet veel energie, dus bewegen ze niet veel. In plaats daarvan bewegen ze samen en vormen waterstofbruggen om een ​​vaste structuur te creëren die ijs wordt genoemd.

Wanneer je suiker aan water toevoegt, wordt het water (het oplosmiddel) een oplossing (een opgeloste stof opgelost in een oplosmiddel). Het toevoegen van suiker verstoort de vloeibare toestand omdat suikermoleculen doelloos bewegen, waardoor de vloeibare watermoleculen minder georganiseerd worden. Suikermoleculen pakken niet samen met watermoleculen, dus wanneer de watermoleculen beginnen te bevriezen, blijven de suikermoleculen in het vloeibare water. Wanneer de watermoleculen ijs maken, hebben de suikermoleculen een kleiner vloeistofvolume om in te bewegen.

Suikerdeeltjes kunnen alleen oplossen in een vloeibaar oplosmiddel en lossen niet op als het oplosmiddel in vaste toestand is. Daarom verlaagt het toevoegen van suiker aan water het chemische potentieel van de oplossing, wat ook het vriespunt verlaagt. Met andere woorden, een oplossing van suiker opgelost in water moet worden afgekoeld tot een lagere temperatuur dan het zuivere oplosmiddel om te bevriezen. Wanneer het vriespunt van een vloeistof wordt verlaagd door de aanwezigheid van een additief, treedt vriespuntverlaging op. Het exacte vriespunt wordt bepaald door de hoeveelheid opgeloste deeltjes die in het oplosmiddel zijn opgelost. Hoe meer opgeloste deeltjes er in het water zijn, hoe groter de vriespuntverlaging van de oplossing.