När ett lösningsmedel fryser blir partiklarna i det lösningsmedlet mer ordnade. De intermolekylära krafterna som verkar på dessa partiklar blir mer "permanenta" eftersom partiklarna nu är närmare varandra. Till exempel, när vatten fryser in i is, gör vätebindningarna som ger vatten många av dess unika egenskaper ett sexkantigt nätverk av molekyler som är inneboende i isstrukturen.
Så vad händer när en löst substans tillsätts till vatten eller rent lösningsmedel? Tillsatsen av löst ämne resulterar i att ordningen av lösningsmedelsmolekylerna störs. Detta innebär att mer energi måste tas bort från lösningen för att frysa den.
Till exempel, när salt tillsätts till vatten, stör de resulterande jonerna i vattnet det vanliga nätverket av vätebindningar som gjorts vid frysning. Som ett resultat är fryspunkten för lösningen lägre än för det rena lösningsmedlet. Detta kallas fryspunkt depression.
Definiera fryspunktdepression
Minskningen av fryspunkten är direkt proportionell mot den lösta lösningens molalitet:
I denna ekvation, Kf är molal fryspunktens fördjupningskonstant, och m är molaliteten hos det lösta ämnet. Kom ihåg, molalitet är antalet mol löst ämne per kg lösningsmedel. Van't Hoff-faktorn är i som avser antalet joner i lösning för varje upplöst molekyl av löst ämne. Till exempel skulle detta vara 2 för NaCl.
I grund och botten betyder detta att ju mer lösligt det finns desto större minskning av frysningstemperaturen.
Fryspunktsdepression definieras av fryspunkten för rent lösningsmedel minus fryspunkten för lösningen i fråga:
Detta gör att du kan hitta vad den nya fryspunkten är jämfört med det rena lösningsmedlet.
Varför är fryspunktsdepression användbar?
De två vanligaste verkliga tillämpningarna av fryspunktdepression är frostskydds- och saltvägar på vintern.
Etylenglykol är en förening som ofta används i frostskyddsmedel, för när den tillsätts till vatten minskar fryspunkten för vatten. Detta kan hjälpa till att säkerställa att vatten i kylaren i din bil inte fryser.
När salt tillsätts på vägen på vintern smälter isen vid en lägre temperatur, vilket gör det säkrare eftersom det inte kommer att finnas så mycket is på vägen.
Ta en titt på följande exempel, som visar hur tillsats av salt till vatten kommer att resultera i en minskning av fryspunkten för lösningen.
Vad är frystemperaturen för en lösning där 100 gram NaCl har tillsatts till 1 kg vatten? Med andra ord, vad är saltvattens fryspunkt?
Du kan använda följande ekvation:
K: tf för vatten är 1,86 ° C / m. Detta nummer finns i en tabell som den i den första referensen. Eftersom NaCl dissocieras i två joner är van't Hoff-faktorn 2. Slutligen måste du beräkna lösningens molalitet.
För att göra detta måste du först konvertera gram NaCl till mol:
Nu måste du dela molerna NaCl med massan av lösningsmedlet för att hitta molaliteten:
Därefter kan du ansluta detta till följande ekvation:
Så:
Som sådan,
Nu kan du använda friktionsdeptionsekvationen för att hitta den nya fryspunkten för lösningen. (Kom ihåg att fryspunkten för rent vatten är 0 ° C.)
Så:
Således skulle tillsats av 100 gram salt till 1 kg vatten minska fryspunkten till -6,4 ° C.
Tips
Frysningspunkten för en lösning är alltid mindre än fryspunkten för det rena lösningsmedlet. Detta innebär att lösningen måste bringas till en lägre temperatur för att den ska frysa. Detta innebär också att smältning sker vid en lägre temperatur än för det rena lösningsmedlet.