Правительства штатов и муниципалитетов часто используют соль в качестве антиобледенительного средства на дорогах. Он работает, эффективно понижая температуру таяния льда. Это явление, известное как депрессия точки замерзания, также служит основой для множества научных проектов. Проекты могут варьироваться от простых до сложных - с математическими предсказаниями - в зависимости от уровня ученика. Кроме того, в список необходимого оборудования входят только кастрюля и градусник.
Когда твердые вещества растворяются в воде, они образуют мелкие дискретные частицы. В случае органических веществ, таких как сахар, частицы состоят из отдельных молекул сахара. В случае солей, таких как поваренная соль, также известная как хлорид натрия, частицы состоят из заряженных ионов, составляющих соль. Присутствие частиц в воде препятствует способности молекул воды связываться вместе с образованием твердого вещества, когда температура воды приближается к точке замерзания. Понижение точки замерзания наблюдается во всех жидкостях, а не только в воде.
Экспериментатор должен обращать особое внимание на то, что именно он измеряет и как это измеряет. Это сводится к фундаментальной проблеме - задавать правильные вопросы. В этом конкретном случае должен ли экспериментатор беспокоиться о том, что замерзает быстрее, или о температуре, при которой происходит замерзание? Вопрос о том, что замерзает быстрее, подразумевает, что если одновременно поместить образец воды и образец воды с сахаром в морозильную камеру, то один из них замерзнет раньше другого. Но какую информацию это на самом деле предоставит? Скорость, с которой вещество замерзает, зависит, помимо других параметров, от теплоемкость и количество вещества. Лучшим выбором в этом случае было бы измерение температуры, при которой растворы замерзают, потому что это отвечает на более важный вопрос: влияют ли примеси в воде на ее температуру замерзания, и если да, то как много?
Химики и физики хорошо изучили науку и математику, лежащие в основе депрессии точки замерзания. Для продвинутых студентов или тех, кто сильно интересуется математикой, стандартное уравнение для депрессии точки замерзания, дельта (T), решения - дельта (T) = -k * m, где k представляет собой молярную константу понижения точки замерзания растворителя, а m представляет собой молярность раствора, или моль частиц, деленную на килограммы растворитель. Это кажется более сложным, чем есть на самом деле. Предполагая, что вода представляет собой единственный растворитель, использованный в эксперименте, k = 1,86. Кроме того, сахар, также известный как сахароза, имеет молекулярную массу 342,3. Уравнение понижения точки замерзания теперь упрощается до дельта (T) = -1,86 * (граммы сахарозы / 342,3 / кг воды). Так, например, если 10 граммов сахарозы были растворены в 100 мл воды, то 100 мл = 100 г = 0,100 кг, а дельта (T) = -1,86 * (10 / 342,3 / 0,1) = -0,54 градуса Цельсия. Таким образом, этот раствор должен замерзнуть при температуре на 0,54 градуса Цельсия ниже точки замерзания чистой воды.
Преобразование уравнения из шага 3 позволило бы экспериментатору измерить дельта (T), а затем решить молекулярную массу сахарозы, MW. То есть MW = (-1,86 * грамм сахарозы) / (дельта (Т) * кг воды). Фактически, многие школьники и студенты-химики проводят эксперименты, в которых они экспериментально определяют молекулярную массу неизвестного вещества. Метод также работает в отношении точек кипения, за исключением того, что значение k изменяется на 0,52.