Dlaczego cukier wpływa na punkt zamarzania wody?

Woda zamarza w temperaturze 32 stopni Fahrenheita (0 stopni Celsjusza), ale po dodaniu substancji rozpuszczonej, takiej jak cukier, zmienia się punkt zamarzania. Cząsteczki cukru zapobiegają tworzeniu się w wodzie wiązań wodorowych, które są wymagane do zestalenia, a woda musi stać się jeszcze zimniejsza, zanim osiągnie punkt zamarzania.

Temperatura, w której ciecz zamienia się w ciało stałe, nazywana jest jej temperaturą zamarzania. Teoretycznie temperatura topnienia ciała stałego powinna być taka sama jak temperatura zamarzania cieczy. Na przykład przy 32 stopniach Fahrenheita (0 stopni Celsjusza) istnieje równowaga między zamarzaniem wody a topnieniem lodu. Cząsteczki lodu topią się, a cząsteczki wody przyklejają się do lodu i jednocześnie zamarzają. W tym momencie woda wygląda na zamarzniętą.

Cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Temperatura mierzy ilość energii wytwarzanej przez poruszające się cząsteczki. Gdy cząsteczki wody są zimne, nie mają dużo energii, więc nie poruszają się zbytnio. Zamiast tego poruszają się razem i tworzą wiązania wodorowe, tworząc solidną strukturę zwaną lodem.

Po dodaniu cukru do wody woda (rozpuszczalnik) staje się roztworem (substancją rozpuszczoną w rozpuszczalniku). Dodanie cukru zakłóca stan płynny, ponieważ cząsteczki cukru poruszają się bez celu, co sprawia, że ​​cząsteczki płynnej wody są mniej zorganizowane. Cząsteczki cukru nie łączą się z cząsteczkami wody, więc gdy cząsteczki wody zaczynają zamarzać, cząsteczki cukru pozostają w płynnej wodzie. Kiedy cząsteczki wody tworzą lód, cząsteczki cukru mają mniejszą objętość płynu, w którym mogą się poruszać.

Cząsteczki cukru są w stanie rozpuszczać się tylko w ciekłym rozpuszczalniku i nie rozpuszczą się, gdy rozpuszczalnik jest w stanie stałym. Dlatego dodanie cukru do wody obniża potencjał chemiczny roztworu, co również obniża jego temperaturę zamarzania. Innymi słowy, roztwór cukru rozpuszczonego w wodzie musi zostać schłodzony do niższej temperatury niż czysty rozpuszczalnik, aby nastąpiło zamrożenie. Gdy temperatura krzepnięcia cieczy jest obniżona przez obecność dodatku, następuje obniżenie temperatury krzepnięcia. Dokładna temperatura zamarzania zależy od ilości cząstek substancji rozpuszczonej rozpuszczonych w rozpuszczalniku. Im więcej cząstek substancji rozpuszczonej znajduje się w wodzie, tym większe jest obniżenie temperatury zamarzania roztworu.