Kiedy rozpuszczalnik zamarza, cząsteczki tego rozpuszczalnika stają się bardziej uporządkowane. Siły międzycząsteczkowe działające na te cząstki stają się bardziej „stałe”, ponieważ cząstki są teraz bliżej siebie. Na przykład, gdy woda zamarza w lód, wiązania wodorowe, które nadają wodzie wiele jej unikalnych właściwości, tworzą sześciokątną sieć cząsteczek nieodłącznie związanych ze strukturą lodu.
Co się dzieje, gdy substancja rozpuszczona jest dodawana do wody lub czystego rozpuszczalnika? Dodanie substancji rozpuszczonej powoduje zaburzenie uporządkowania cząsteczek rozpuszczalnika. Oznacza to, że więcej energii należy usunąć z roztworu, aby go zamrozić.
Na przykład, gdy do wody dodaje się sól, powstające w wodzie jony zakłócają zwykłą sieć wiązań wodorowych powstających po zamrożeniu. W rezultacie temperatura zamarzania roztworu jest niższa niż w przypadku czystego rozpuszczalnika. Nazywa się to obniżeniem punktu zamarzania.
Definiowanie depresji punktu zamarzania
Spadek temperatury zamarzania jest wprost proporcjonalny do molalności substancji rozpuszczonej:
W tym równaniu Kfa jest stałą depresji molowej punktu krzepnięcia, a m jest molowością substancji rozpuszczonej. Zapamiętaj, molalność to liczba moli substancji rozpuszczonej na kg rozpuszczalnika. Współczynnik van't Hoffa to i, który odnosi się do liczby jonów w roztworze dla każdej rozpuszczonej cząsteczki substancji rozpuszczonej. Na przykład byłoby to 2 dla NaCl.
Zasadniczo oznacza to, że im więcej substancji rozpuszczonej, tym większy spadek temperatury zamarzania.
Depresja punktu zamarzania jest definiowana przez temperaturę zamarzania czystego rozpuszczalnika minus temperatura zamarzania rozpatrywanego roztworu:
Pozwala to określić, jaka jest nowa temperatura zamarzania w porównaniu z czystym rozpuszczalnikiem.
Dlaczego depresja punktu zamarzania jest przydatna?
Dwa najczęstsze zastosowania obniżania temperatury zamarzania w świecie rzeczywistym to zapobieganie zamarzaniu i solenie dróg w zimie.
Glikol etylenowy jest związkiem często stosowanym w płynie niezamarzającym, ponieważ po dodaniu go do wody obniża się jej temperatura zamarzania. Dzięki temu woda w chłodnicy Twojego samochodu nie zamarznie.
Gdy zimą do drogi doda się sól, lód topi się w niższej temperaturze, co czyni ją bezpieczniejszą, ponieważ na drodze nie będzie tak dużo lodu.
Spójrz na poniższy przykład, który pokazuje, jak dodanie soli do wody spowoduje obniżenie temperatury zamarzania roztworu.
Jaka jest temperatura zamarzania roztworu, w którym do 1 kilograma wody dodano 100 gramów NaCl? Innymi słowy, jaka jest temperatura zamarzania słonej wody?
Możesz skorzystać z następującego równania:
Kfa dla wody wynosi 1,86 °C/m. Numer ten można znaleźć w tabeli, takiej jak ta w pierwszym odwołaniu. Ponieważ NaCl dysocjuje na dwa jony, współczynnik van't Hoffa wynosi 2. Na koniec musisz obliczyć molalność roztworu.
Aby to zrobić, musisz najpierw przeliczyć gramy NaCl na mole:
Teraz musisz podzielić liczbę moli NaCl przez masę rozpuszczalnika, aby znaleźć molalność:
Następnie możesz podłączyć to do następującego równania:
Więc:
Takie jak,
Teraz możesz użyć równania depresji punktu zamarzania, aby znaleźć nowy punkt zamarzania roztworu. (Pamiętaj, że temperatura zamarzania czystej wody wynosi 0°C.)
Więc:
Zatem dodanie 100 gramów soli do 1 kilograma wody obniżyłoby temperaturę zamarzania do -6,4°C.
Wskazówki
Temperatura zamarzania roztworu jest zawsze niższa niż temperatura zamarzania czystego rozpuszczalnika. Oznacza to, że roztwór musi zostać doprowadzony do niższej temperatury, aby zamarzł. Oznacza to również, że topienie zachodzi w niższej temperaturze niż w przypadku czystego rozpuszczalnika.