Dlaczego cukier topi lód?

•••Modfos/iStock/GettyImages

Powszechną praktyką jest rozprowadzanie lodu na jezdniach w celu stopienia lodu zimowego, ale w przypadku braku lodu można również użyć cukru. W rzeczywistości możesz użyć dowolnej substancji, która rozpuszcza się w wodzie. Cukier nie działałby tak dobrze jak sól, a cała ta lepka woda zamienia przydrożne błoto w toffi. Ale ponieważ obniża temperaturę zamarzania wody, lód topnieje, o ile temperatura na zewnątrz nie jest zbyt niska. Powodem tego jest to, że jakakolwiek substancja rozpuszczona w wodzie zakłóca zdolność cząsteczek wody do łączenia się w formę stałą.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Cukier obniża temperaturę zamarzania wody, wiążąc się z cząsteczkami wody i tworząc między nimi większą przestrzeń. Pomaga im to przezwyciężyć siły elektrostatyczne, które wiążą je w solidną strukturę. To samo dotyczy każdej substancji, która rozpuszcza się w wodzie.

•••Zdjęcie Jonathana Percy'ego na Unsplash

Kiedy woda znajduje się w stałym stanie lodu, cząsteczki łączą się ze sobą w strukturę krystaliczną, z której żadna z nich nie ma energii, aby uciec. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki zyskują energię wibracyjną i swobodę ruchu. W krytycznym punkcie mogą uwolnić się od sił elektrostatycznych, które wiążą je w strukturę krystaliczną i swobodniej poruszać się w stanie ciekłym. Dobrze znasz ten punkt krytyczny, ponieważ jest to temperatura topnienia 32 stopni Fahrenheita (0 stopni Celsjusza).

Kiedy woda jest w stanie ciekłym, a ty obniżasz temperaturę, cząsteczki tracą energię i ostatecznie łączą się w strukturę krystaliczną. W tej krytycznej temperaturze, punkcie zamarzania, cząsteczki nie mają wystarczającej energii, aby uciec z wiązań elektrostatycznych przeciążają się nawzajem, więc zapadają w stan „uśpienia”, jak grupa kotów gromadzących się razem, aby uciec przed zimą chłód. Ponownie, to elektrostatyczne siły przyciągania, które wywierają na siebie, powodują, że tak się dzieje.

•••Wavebreakmedia Ltd/Wavebreak Media/Getty Images

Każda substancja, która rozpuści się w wodzie, obniża temperaturę zamarzania z dość prostego powodu. Kiedy substancja się rozpuszcza, cząsteczki wody otaczają ją i wiążą się z nią elektrostatycznie. Substancja rozpuszczona zapewnia przestrzeń między cząsteczkami wody i zmniejsza ich wzajemne przyciąganie. W rezultacie potrzebują mniej energii, aby zachować swobodę ruchów i pozostaną w stanie płynnym w niższych temperaturach.

Dzieje się tak niezależnie od tego, czy cząstki substancji rozpuszczonej są pojedynczymi jonami, takimi jak jony sodu i chloru w soli, czy dużymi, złożonymi cząsteczkami, takimi jak sacharoza (cukier stołowy), który ma wzór chemiczny C₁₂H₂₂O₁₁. Przy 45 atomach na cząsteczkę cukier nie rozdziela cząsteczek wody tak skutecznie, jak mniejsze, silniej naładowane jony, dlatego cukier nie obniża temperatury topnienia tak skutecznie jak sól. Innym powiązanym powodem jest to, że wpływ na temperaturę zamarzania zależy od objętości substancji rozpuszczonej. Ponieważ cząsteczki cukru są o wiele większe niż jony soli, mniej z nich zmieści się w określonej ilości wody.

•••Vlad Turchenko/iStock/Getty Images

Trochę nieprawdziwe jest stwierdzenie, że cukier topi lód. To, co faktycznie się dzieje, to obniżenie temperatury zamarzania, dzięki czemu woda może pozostać w stanie ciekłym w niższej temperaturze. Czyni to, zapewniając przestrzeń między cząsteczkami wody i zmniejszając ich wzajemne przyciąganie. Jeśli wrzucisz cukier na lód w temperaturze 30 stopni Fahrenheita (-1,1 stopnia Celsjusza), lód się stopi, ale jeśli temperatura spadnie, woda w końcu zamarznie. Nowa temperatura zamarzania jest niższa niż w przypadku czystej wody, ale wyższa niż byłaby, gdybyś posypała lód solą.