จุดเยือกแข็งของน้ำเมื่อเทียบกับสารละลายเกลือ

เมื่อตัวทำละลายแข็งตัว อนุภาคของตัวทำละลายนั้นจะเป็นระเบียบมากขึ้น แรงระหว่างโมเลกุลที่กระทำต่ออนุภาคเหล่านี้จะกลายเป็น "ถาวร" มากขึ้น เนื่องจากตอนนี้อนุภาคอยู่ใกล้กันมากขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง พันธะไฮโดรเจนที่ทำให้น้ำมีคุณสมบัติเฉพาะหลายอย่างทำให้เกิดโครงข่ายโมเลกุลรูปหกเหลี่ยมโดยธรรมชาติของโครงสร้างของน้ำแข็ง

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเติมตัวถูกละลายลงในน้ำหรือตัวทำละลายบริสุทธิ์? การเพิ่มตัวถูกละลายส่งผลให้การเรียงลำดับของโมเลกุลตัวทำละลายถูกรบกวน ซึ่งหมายความว่าต้องกำจัดพลังงานออกจากสารละลายมากขึ้นเพื่อแช่แข็ง

ตัวอย่างเช่น เมื่อเติมเกลือลงในน้ำ ไอออนที่เกิดขึ้นในน้ำจะรบกวนเครือข่ายปกติของพันธะไฮโดรเจนที่เกิดจากการแช่แข็ง เป็นผลให้จุดเยือกแข็งของสารละลายต่ำกว่าที่เป็นตัวทำละลายบริสุทธิ์ นี้เรียกว่าภาวะซึมเศร้าจุดเยือกแข็ง

จุดเยือกแข็งที่ลดลงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับโมลาลิตีของตัวถูกละลาย:

ในสมการนี้ K_ฉ คือค่าคงที่การกดจุดเยือกแข็งโมลาล และ m คือโมลาลิตีของตัวถูกละลาย จำไว้ ศีลธรรม คือจำนวนโมลของตัวถูกละลายต่อกิโลกรัมของตัวทำละลาย van't Hoff factor คือ i ซึ่งสัมพันธ์กับจำนวนไอออนในสารละลายสำหรับแต่ละโมเลกุลที่ละลายของตัวถูกละลาย ตัวอย่างเช่น นี่จะเป็น 2 สำหรับ NaCl

โดยพื้นฐานแล้ว นี่หมายความว่ายิ่งมีตัวละลายมากเท่าใด อุณหภูมิในการเยือกแข็งยิ่งลดลงเท่านั้น

ภาวะซึมเศร้าจุดเยือกแข็ง ถูกกำหนดโดยจุดเยือกแข็งของตัวทำละลายบริสุทธิ์ลบด้วยจุดเยือกแข็งของสารละลายที่เป็นปัญหา:

วิธีนี้ช่วยให้คุณค้นหาจุดเยือกแข็งใหม่เมื่อเปรียบเทียบกับตัวทำละลายบริสุทธิ์

การใช้งานทั่วไปในโลกแห่งความเป็นจริงของความกดอากาศต่ำจุดเยือกแข็ง 2 แบบ ได้แก่ สารป้องกันการแข็งตัวและการทำให้ถนนเค็มในฤดูหนาว

เอทิลีนไกลคอลเป็นสารประกอบที่มักใช้ในสารป้องกันการแข็งตัว เนื่องจากเมื่อเติมลงในน้ำ จุดเยือกแข็งของน้ำจะลดลง วิธีนี้จะช่วยให้แน่ใจว่าน้ำในหม้อน้ำรถยนต์ของคุณจะไม่แข็งตัว

เมื่อเติมเกลือลงในถนนในฤดูหนาว น้ำแข็งจะละลายในอุณหภูมิที่ต่ำกว่า จึงปลอดภัยกว่าเพราะไม่มีน้ำแข็งบนถนนมากพอ

ลองดูตัวอย่างต่อไปนี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเติมเกลือลงในน้ำจะทำให้จุดเยือกแข็งของสารละลายลดลงได้อย่างไร

อุณหภูมิเยือกแข็งของสารละลายที่เติม NaCl 100 กรัมต่อน้ำ 1 กิโลกรัมเป็นเท่าใด กล่าวอีกนัยหนึ่งจุดเยือกแข็งของน้ำเค็มคืออะไร?

คุณสามารถใช้สมการต่อไปนี้:

เดอะเค_ฉ สำหรับน้ำ 1.86 °C/m. ตัวเลขนี้สามารถพบได้ในตาราง เช่น หมายเลขในการอ้างอิงแรก เนื่องจาก NaCl แยกตัวออกเป็นสองไอออน ค่า van't Hoff factor คือ 2 สุดท้าย คุณต้องคำนวณโมลาลิตีของสารละลาย

ในการทำเช่นนี้ คุณจะต้องแปลงกรัมของ NaCl เป็นโมลก่อน:

ตอนนี้ คุณจะต้องแบ่งโมลของ NaCl ด้วยมวลของตัวทำละลายเพื่อหาโมลาลิตี:

ถัดไป คุณสามารถแทนค่านี้ลงในสมการต่อไปนี้:

ดังนั้น:

ดังกล่าว

ตอนนี้คุณสามารถใช้สมการการกดจุดเยือกแข็งเพื่อหาจุดเยือกแข็งใหม่ของสารละลายได้ (จำไว้ว่าจุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์คือ 0 องศาเซลเซียส)

ดังนั้น:

ดังนั้นการเติมเกลือ 100 กรัมต่อน้ำ 1 กิโลกรัมจะลดจุดเยือกแข็งลงเหลือ -6.4°C

• จุดเยือกแข็งของสารละลายจะน้อยกว่าจุดเยือกแข็งของตัวทำละลายบริสุทธิ์เสมอ ซึ่งหมายความว่าต้องนำสารละลายไปที่อุณหภูมิต่ำเพื่อให้แข็งตัว นอกจากนี้ยังหมายความว่าการหลอมจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าตัวทำละลายบริสุทธิ์