Prečo cukor ovplyvňuje bod mrazu vody?

Voda zamŕza pri teplote 32 stupňov Fahrenheita (0 stupňov Celzia), ale po pridaní rozpustenej látky, ako je cukor, sa bod tuhnutia zmení. Molekuly cukru bránia vode vytvárať vodíkové väzby, ktoré sú potrebné pre pevnosť, a voda musí byť ešte chladnejšia, kým nedosiahne bod mrazu.

Teplota, pri ktorej sa kvapalina zmení na tuhú látku, je známa ako jej bod tuhnutia. Teoreticky by teplota topenia tuhej látky mala byť rovnaká ako teplota tuhnutia kvapaliny. Napríklad pri teplote 32 stupňov Fahrenheita (0 stupňov Celzia) existuje rovnováha medzi mrazením vodou a topením ľadu. Molekuly ľadu sa topia a molekuly vody sa lepia na ľad a súčasne zmrznú. Voda vyzerá v tomto bode zamrznutá.

Molekula vody sa skladá z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka. Teplota meria, koľko energie sa vytvára pohybom molekúl. Keď sú molekuly vody studené, nemajú veľa energie, takže sa s nimi veľmi nepohybujú. Namiesto toho sa pohybujú spolu a vytvárajú vodíkové väzby, aby vytvorili pevnú štruktúru nazývanú ľad.

Keď pridáte cukor do vody, voda (rozpúšťadlo) sa stane roztokom (rozpustená látka rozpustená v rozpúšťadle). Pridanie cukru narúša tekutý stav, pretože molekuly cukru sa pohybujú bezcieľne, čo spôsobuje, že molekuly tekutej vody sú menej organizované. Molekuly cukru sa nezbaľujú spolu s molekulami vody, takže keď molekuly vody začnú zmrznúť, molekuly cukru zostanú v tekutej vode. Keď molekuly vody vytvárajú ľad, molekuly cukru majú menší objem kvapaliny, v ktorej sa môžu pohybovať.

Cukorové častice sú schopné sa rozpúšťať iba v kvapalnom rozpúšťadle a nerozpustia sa, ak je rozpúšťadlo v tuhom stave. Preto pridaním cukru do vody klesá chemický potenciál roztoku, čo tiež znižuje jeho bod tuhnutia. Inými slovami, aby sa zabránilo zamrznutiu, musí sa roztok cukru rozpustený vo vode ochladiť na nižšiu teplotu ako čisté rozpúšťadlo. Keď sa bod tuhnutia kvapaliny zníži prítomnosťou prísady, dôjde k depresii bodu tuhnutia. Presný bod tuhnutia je určený množstvom rozpustených častíc rozpustenej látky v rozpúšťadle. Čím viac rozpustených častíc je vo vode, tým väčšia je depresia bodu tuhnutia roztoku.