ทำไมน้ำตาลถึงมีผลต่อจุดเยือกแข็งของน้ำ?

น้ำจะแข็งตัวที่ 32 องศาฟาเรนไฮต์ (0 องศาเซลเซียส) แต่เมื่อเติมตัวละลาย เช่น น้ำตาล จุดเยือกแข็งจะเปลี่ยนไป โมเลกุลของน้ำตาลป้องกันไม่ให้น้ำสร้างพันธะไฮโดรเจนซึ่งจำเป็นสำหรับความแข็ง และน้ำจะต้องเย็นลงกว่าเดิมก่อนที่จะถึงจุดเยือกแข็ง

อุณหภูมิที่ของเหลวกลายเป็นของแข็งเรียกว่าจุดเยือกแข็ง ตามทฤษฎีแล้ว จุดหลอมเหลวของของแข็งควรเท่ากับจุดเยือกแข็งของของเหลว ตัวอย่างเช่น ที่ 32 องศาฟาเรนไฮต์ (0 องศาเซลเซียส) จะมีความสมดุลระหว่างการแช่แข็งของน้ำกับการละลายของน้ำแข็ง โมเลกุลของน้ำแข็งกำลังละลาย และโมเลกุลของน้ำเกาะติดกับน้ำแข็งและกลายเป็นน้ำแข็งในเวลาเดียวกัน ช่วงนี้น้ำดูเยือกแข็ง

โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมและอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอม อุณหภูมิวัดปริมาณพลังงานที่สร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุล เมื่อโมเลกุลของน้ำเย็นลง พวกมันจะมีพลังงานไม่มากนัก จึงไม่เคลื่อนที่มากนัก แต่พวกมันเคลื่อนที่ไปด้วยกันและเกิดพันธะไฮโดรเจนเพื่อสร้างโครงสร้างแข็งที่เรียกว่าน้ำแข็ง

เมื่อคุณเติมน้ำตาลลงในน้ำ น้ำ (ตัวทำละลาย) จะกลายเป็นสารละลาย (ตัวถูกละลายที่ละลายในตัวทำละลาย) การเติมน้ำตาลเข้าไปรบกวนสถานะของเหลวเนื่องจากโมเลกุลของน้ำตาลเคลื่อนที่ไปรอบๆ อย่างไร้จุดหมาย ทำให้โมเลกุลของน้ำที่เป็นของเหลวมีการจัดระเบียบน้อยลง โมเลกุลของน้ำตาลไม่ได้รวมตัวกับโมเลกุลของน้ำ ดังนั้นเมื่อโมเลกุลของน้ำเริ่มแข็งตัว โมเลกุลของน้ำตาลจะยังคงอยู่ในน้ำที่เป็นของเหลว เมื่อโมเลกุลของน้ำสร้างน้ำแข็ง โมเลกุลของน้ำตาลจะมีของเหลวในปริมาตรน้อยกว่าที่จะเคลื่อนที่

อนุภาคน้ำตาลสามารถละลายได้ในตัวทำละลายที่เป็นของเหลวเท่านั้น และจะไม่ละลายเมื่อตัวทำละลายอยู่ในสถานะของแข็ง ดังนั้นการเติมน้ำตาลลงในน้ำจะลดศักยภาพทางเคมีของสารละลาย ซึ่งทำให้จุดเยือกแข็งของสารละลายลดลงด้วย กล่าวอีกนัยหนึ่ง สารละลายน้ำตาลที่ละลายในน้ำต้องถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิต่ำกว่าตัวทำละลายบริสุทธิ์เพื่อให้เกิดการเยือกแข็ง เมื่อจุดเยือกแข็งของของเหลวลดลงโดยการปรากฏตัวของสารเติมแต่ง จะเกิดการกดจุดเยือกแข็งขึ้น จุดเยือกแข็งที่แน่นอนถูกกำหนดโดยปริมาณของอนุภาคตัวถูกละลายที่ละลายในตัวทำละลาย ยิ่งมีอนุภาคของตัวถูกละลายอยู่ในน้ำมากเท่าใด ความเข้มข้นของจุดเยือกแข็งของสารละลายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น