Każdy miał doświadczenie w radzeniu sobie z czymś zamrożonym. Być może byłeś nawet świadkiem powolnego tworzenia się lodu na powierzchni wody, gdy temperatura jest wystarczająco niska, lub obserwowania, jak lód zastępuje woda, gdy temperatura jest wystarczająco wysoka.
Różne płyny – woda, alkohol do nacierania, olej spożywczy itd. – doświadczenie zmiany fazowe w różnych temperaturach. Oznacza to, że w jednej temperaturze woda porusza się między ciałem stałym (zamrożonym) a cieczą, ocierając alkohol w innej i podobnie w przypadku innych cieczy.
Ciało stałe przechodzące w ciecz nazywa się topienie; ciecz przechodząca w ciało stałe nazywa się krzepnięciem lub zamrażanie. Obliczanie temperatur zamarzania i topnienia zmieszanych substancji jest skomplikowane i możesz nawet być w stanie: przetestuj je sam, podczas gdy punkty zamarzania popularnych substancji możesz sprawdzić w Internecie tabele.
Co to jest zamrażanie i topienie?
Przed zbadaniem w szczególności zjawiska zamrażania, warto przyjrzeć się, co rozumie się przez fazy i zmiany faz.
Większość substancji może istnieć w postaci stałej, ciekłej lub gazowej, jeśli temperatura (a czasami ciśnienie) jest wystarczająco zmieniona. Woda jest rzadką substancją, ponieważ może istnieć zarówno w postaci stałej, jak i ciekłej w stosunkowo komfortowych temperaturach ludzi, osiągając stan gazowy w temperaturze, która choć niebezpieczna, nie jest szczególnie ekstremalna dla ludzi (100 ° C lub 212 °F).
Jak już wspomniano, topienie to zmiana ze stanu stałego w ciecz, a zamrażanie (lub krzepnięcie) jest odwrotne. Ciecz przechodząca w gaz nazywa się wrzenie, który wszyscy widzieli. Odwrotny proces jest znany jako kondensacja. Rzadko ciało stałe może „pominąć” fazę ciekłą i stać się gazem (sublimacja) lub odwrotnie (zeznanie).
Co wpływa na punkty zamarzania i topnienia?
Jeśli zmieszasz w równych ilościach niebieską i żółtą farbę, uzyskasz wynik, który wygląda na zielony. Jeśli jednak używasz głównie niebieskiego lub głównie żółtego, wynikowy kolor jest „przechylony” w kierunku koloru, którego użyłeś więcej i do tego stopnia, że skaluje się wraz z brakiem równowagi składników.
Temperatury krzepnięcia mieszanin różnych cieczy lub cieczy z rozpuszczonymi w nich ciałami stałymi zmieniają się zgodnie z właściwościami składników w podobnie przewidywalny sposób. Woda ma stosunkowo wysoką temperaturę krzepnięcia dla cieczy, ponieważ jej wiązania wodorowe łatwiej „blokują się” niż, powiedzmy, alkohol etylowy (CH2CH3OH), który ma temperaturę zamarzania –114°C lub –174 °F.
Kiedy substancja jest rozpuszczona w cieczy, ciało stałe, które się rozpuszcza, nazywa się substancją rozpuszczoną, a ciecz nazywa się rozpuszczalnikiem. Powstała mieszanina substancji rozpuszczonych i cieczy nazywa się a rozwiązanie. Ilekroć substancja rozpuszczona jest dodawana do rozpuszczalnika, temperatura zamarzania rozpuszczalnika staje się niższa.
Temperatura zamarzania roztworu NaCl
Gdy sól kuchenna (chlorek sodu) rozpuszcza się w wodzie, obniża temperaturę zamarzania w wodzie. To wyjaśnia, dlaczego w zimnym klimacie po zimowych opadach widać ciężarówki pracowicie zasolające drogi: obniża to temperaturę, w której woda tworzy lód na drodze.
Również obniżenie temperatury zamarzania rozpuszczalnika przez dodanie substancji rozpuszczonej nazywa się a własność koligatywna, co oznacza, że liczba cząsteczek, w które włamuje się substancja rozpuszczona, a nie jej skład chemiczny, determinuje stopień obniżenia temperatury zamarzania. NaCl rozpada się na dwa atomy, jony (naładowane atomy) Na+ i Cl-. Dodanie substancji, która daje trzy „kawałki” na cząsteczkę substancji rozpuszczonej, obniżyłoby temperaturę zamarzania nawet bardziej niż NaCl.
Kalkulator punktu zamarzania
Możesz sprawdzić temperaturę zamarzania wielu popularnych płynów w stopniach Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina za pomocą kalkulatora internetowego. Spróbuj pogodzić to, co wiesz o budowie chemicznej tych prostszych z ich punktami zamarzania, aby zobaczyć, czy możesz dostrzec jakieś wzory.