Varför påverkar socker fryspunkten för vatten?

Vatten fryser vid 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius), men när en löst substans som socker tillsätts förändras fryspunkten. Sockermolekylerna hindrar vattnet från att bilda vätebindningar, vilket krävs för soliditet, och vattnet måste bli ännu kallare innan det når sin fryspunkt.

Temperaturen vid vilken en vätska förvandlas till ett fast ämne kallas dess fryspunkt. I teorin bör en fast substans smältpunkt vara densamma som vätskans fryspunkt. Till exempel, vid 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius), finns det en jämvikt mellan vattenfrysning och issmältning. Ismolekyler smälter och vattenmolekyler håller fast vid isen och blir frusna samtidigt. Vattnet ser frusen ut vid denna tidpunkt.

En vattenmolekyl består av en syreatom och två väteatomer. Temperaturen mäter hur mycket energi som skapas av rörliga molekyler. När vattenmolekyler är kalla har de inte mycket energi, så de rör sig inte mycket. Istället rör de sig tillsammans och bildar vätebindningar för att skapa en solid struktur som kallas is.

När du tillsätter socker i vatten blir vattnet (lösningsmedlet) en lösning (ett löst ämne löst i ett lösningsmedel). Tillsats av socker stör vätsketillståndet eftersom sockermolekyler rör sig mållöst, vilket gör de flytande vattenmolekylerna mindre organiserade. Sockermolekyler packas inte tillsammans med vattenmolekyler, så när vattenmolekylerna börjar frysa, förblir sockermolekylerna i flytande vatten. När vattenmolekylerna skapar is har sockermolekylerna en mindre vätskevolym att röra sig i.

Sockerpartiklar kan endast lösas upp i ett flytande lösningsmedel och löses inte upp när lösningsmedlet är i fast tillstånd. Därför sänker tillsatsen av socker till vatten den kemiska potentialen i lösningen, vilket också sänker dess fryspunkt. Med andra ord måste en lösning av socker upplöst i vatten kylas till en lägre temperatur än det rena lösningsmedlet för att frysning ska ske. När fryspunkten för en vätska sänks av närvaron av ett tillsatsmedel uppstår fryspunktens fördjupning. Den exakta fryspunkten bestäms av mängden lösta partiklar upplösta i lösningsmedlet. Ju mer lösta partiklar det finns i vattnet, desto större blir fryspunktens nedtryckning av lösningen.