- จุดเยือกแข็งคืออะไร?
- การแช่แข็งเทียบกับการละลาย
- วิธีการคำนวณ?
- สมการลดอุณหภูมิ
- ตัวอย่าง
- น้ำ
- แอลกอฮอล์
- นม
- ปรอท
- เบนซิน
- อ้างอิง
จุดเยือกแข็งเป็นอุณหภูมิที่สารประสบการณ์ของเหลวของแข็งเปลี่ยนแปลงสมดุล เมื่อพูดถึงสสารอาจเป็นสารประกอบองค์ประกอบบริสุทธิ์หรือของผสม ในทางทฤษฎีสสารทั้งหมดจะหยุดนิ่งเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงศูนย์สัมบูรณ์ (0K)
อย่างไรก็ตามไม่จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิที่สูงเกินไปเพื่อสังเกตการแช่แข็งของของเหลว ภูเขาน้ำแข็งเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของแหล่งน้ำเยือกแข็ง ในทำนองเดียวกันปรากฏการณ์นี้สามารถติดตามได้แบบเรียลไทม์โดยใช้อ่างไนโตรเจนเหลวหรือใช้ช่องแช่แข็งธรรมดา
ที่มา: pxhere
อะไรคือความแตกต่างระหว่างการแช่แข็งและการแข็งตัว? กระบวนการแรกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิความบริสุทธิ์ของของเหลวเป็นอย่างมากและเป็นสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ในขณะที่อย่างที่สองเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของสารที่แข็งตัวแม้ว่าจะไม่เป็นของเหลวทั้งหมดก็ตาม
ดังนั้นการแข็งตัวคือการแข็งตัว แต่สิ่งที่ตรงกันข้ามไม่ได้เป็นความจริงเสมอไป นอกจากนี้ในการแยกแยะคำว่าการแข็งตัวจะต้องมีเฟสของเหลวอยู่ในสภาวะสมดุลกับของแข็งของสารเดียวกัน ภูเขาน้ำแข็งทำเช่นนี้พวกมันลอยอยู่บนน้ำที่เป็นของเหลว
ดังนั้นจึงต้องเผชิญกับการแข็งตัวของของเหลวเมื่อเกิดเฟสของแข็งอันเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่ลดลง ความดันยังมีผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพนี้แม้ว่าผลกระทบจะน้อยกว่าในของเหลวที่มีความดันไอต่ำ
จุดเยือกแข็งคืออะไร?
เมื่ออุณหภูมิลดลงพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะลดลงดังนั้นพวกมันจึงช้าลงเล็กน้อย เมื่อคุณเดินช้าลงในของเหลวจะมีจุดที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์มากพอที่จะสร้างการจัดเรียงโมเลกุลตามลำดับ นี่คือของแข็งชนิดแรกซึ่งผลึกขนาดใหญ่จะเติบโตขึ้น
ถ้าของแข็งก้อนแรกนี้ "โยกเยก" มากเกินไปก็จำเป็นต้องลดอุณหภูมิลงอีกจนกว่าโมเลกุลของมันจะนิ่งเพียงพอ อุณหภูมิที่บรรลุนี้สอดคล้องกับจุดเยือกแข็ง จากนั้นจะมีการสร้างสมดุลของเหลวและของแข็ง
สถานการณ์ก่อนหน้านี้เกิดขึ้นสำหรับสารบริสุทธิ์ แต่ถ้าไม่ใช่ล่ะ?
ในกรณีนั้นโมเลกุลของของแข็งกลุ่มแรกจะต้องรวมโมเลกุลแปลกปลอมเข้าด้วยกัน เป็นผลให้เกิดของแข็งที่ไม่บริสุทธิ์ (หรือสารละลายที่เป็นของแข็ง) ขึ้นซึ่งต้องการอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งในการก่อตัว
เราพูดถึงการสืบเชื้อสายของจุดเยือกแข็ง เนื่องจากมีโมเลกุลแปลกปลอมมากขึ้นหรือพูดได้ถูกต้องมากขึ้นสิ่งสกปรกของเหลวจะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำลงและต่ำลง
การแช่แข็งเทียบกับการละลาย
ด้วยส่วนผสมของสารประกอบสองชนิดคือ A และ B เมื่ออุณหภูมิลดลง A จะแข็งตัวในขณะที่ B ยังคงเป็นของเหลว
สถานการณ์คล้ายกับที่เพิ่งได้รับการอธิบาย ส่วนหนึ่งของ A ยังไม่แข็งตัวดังนั้นจึงละลายใน B ดังนั้นจึงเป็นดุลยภาพของการละลายที่เราพูดถึงแทนที่จะเป็นการเปลี่ยนของเหลวและของแข็งหรือไม่?
คำอธิบายทั้งสองถูกต้อง: เกิดการตกตะกอนหรือแข็งตัวโดยแยกออกจาก B เมื่ออุณหภูมิลดลง A ทั้งหมดจะตกตะกอนเมื่อไม่มีการละลายใน B อีกต่อไป ซึ่งเหมือนกับการบอกว่า A จะแข็งตัวจนหมด
อย่างไรก็ตามจะสะดวกกว่าในการรักษาปรากฏการณ์จากมุมมองของการแช่แข็ง ดังนั้น A จึงหยุดก่อนเนื่องจากมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่าในขณะที่ B จะต้องมีอุณหภูมิที่เย็นกว่า
อย่างไรก็ตาม "น้ำแข็งของ A" ประกอบด้วยของแข็งที่มีองค์ประกอบของ A มากกว่า B แต่ B ก็อยู่ที่นั่นด้วย เนื่องจาก A + B เป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันดังนั้นความเป็นเนื้อเดียวกันบางส่วนจึงถูกถ่ายโอนไปยังของแข็งที่แข็งตัว
วิธีการคำนวณ?
คุณสามารถทำนายหรือคำนวณจุดเยือกแข็งของสารได้อย่างไร? มีการคำนวณทางเคมีฟิสิกส์ที่อนุญาตให้ได้ค่าโดยประมาณของจุดนี้ภายใต้แรงกดดันอื่น ๆ (นอกเหนือจาก 1atm ความดันแวดล้อม)
อย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้นำไปสู่เอนทัลปีของฟิวชัน (Δ Fus ); เนื่องจากการหลอมรวมเป็นกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับการแช่แข็ง
นอกจากนี้จากการทดลองยังสามารถกำหนดจุดหลอมเหลวของสารหรือของผสมได้ง่ายกว่าจุดเยือกแข็ง แม้ว่าอาจดูเหมือนเหมือนกัน แต่ก็แสดงความแตกต่างบางประการ
ดังที่ได้กล่าวไว้ในหัวข้อก่อนหน้านี้: ยิ่งความเข้มข้นของสิ่งสกปรกสูงขึ้นเท่าใดจุดเยือกแข็งก็จะลดลงมากเท่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถกล่าวได้ดังนี้: ยิ่งโมลเศษ X ของของแข็งในส่วนผสมต่ำลงอุณหภูมิก็จะยิ่งแข็งตัว
สมการลดอุณหภูมิ
สมการต่อไปนี้เป็นการแสดงออกและสรุปทุกสิ่งที่พูด:
LnX = - (Δ Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)
โดย R คือค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติซึ่งมีการใช้งานเกือบจะเป็นสากล Tºคือจุดเยือกแข็งปกติ (ที่ความดันแวดล้อม) และ T คืออุณหภูมิที่ของแข็งจะแข็งตัวเป็นเศษโมล X
จากสมการนี้และหลังจากชุดการทำให้เข้าใจง่ายจะได้รับสิ่งต่อไปนี้ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดี:
ΔTc = K Fม. (2)
โดยที่ m คือโมลาลิตี้ของตัวถูกละลายหรือสิ่งเจือปนและ K Fคือค่าคงที่การแช่แข็งของตัวทำละลายหรือส่วนประกอบของเหลว
ตัวอย่าง
คำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับการแช่แข็งของสารบางชนิดจะได้รับด้านล่าง
น้ำ
น้ำค้างประมาณ0ºC อย่างไรก็ตามค่านี้อาจลดลงหากมีตัวถูกละลายอยู่ในนั้น เกลือหรือน้ำตาล
ขึ้นอยู่กับปริมาณของตัวถูกละลายที่ละลายมีโมลาลิตี้ที่แตกต่างกัน m; และเมื่อ m เพิ่มขึ้น X จะลดลงซึ่งค่านี้สามารถแทนที่ได้ในสมการ (1) และแก้ด้วย T
ตัวอย่างเช่นหากวางแก้วน้ำไว้ในช่องแช่แข็งและอีกแก้วใส่น้ำหวาน (หรือเครื่องดื่มที่เป็นน้ำ) แก้วน้ำจะแข็งตัวก่อน เนื่องจากผลึกของมันก่อตัวได้เร็วขึ้นโดยไม่มีการรบกวนของโมเลกุลของกลูโคสไอออนหรือสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ
สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นถ้าคุณใส่แก้วน้ำทะเลในช่องแช่แข็ง ตอนนี้น้ำทะเลหนึ่งแก้วอาจจะแข็งตัวก่อนหรือไม่ก็ได้มากกว่าน้ำหวานหนึ่งแก้ว ความแตกต่างจะขึ้นอยู่กับปริมาณของตัวถูกละลายและไม่ได้อยู่ในลักษณะทางเคมีของมัน
ด้วยเหตุนี้การลดลงของ Tc (อุณหภูมิเยือกแข็ง) จึงเป็นสมบัติเชิงเปรียบเทียบ
แอลกอฮอล์
ที่มา: Pixabay
แอลกอฮอล์จะแข็งตัวที่อุณหภูมิที่เย็นกว่าน้ำของเหลว ตัวอย่างเช่นเอทานอลแข็งตัวประมาณ -114 ° C หากผสมกับน้ำและส่วนผสมอื่น ๆ จะมีการเพิ่มขึ้นของจุดเยือกแข็งในทางตรงกันข้าม
ทำไม? เนื่องจากน้ำซึ่งเป็นสารเหลวที่เข้ากันได้กับแอลกอฮอล์จะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงกว่ามาก (0ºC)
กลับไปที่ตู้เย็นพร้อมกับแก้วน้ำถ้าเวลานี้มีการแนะนำเครื่องดื่มแอลกอฮอล์นี่จะเป็นครั้งสุดท้ายที่จะแช่แข็ง ยิ่งเกรดเอทิลสูงขึ้นช่องแช่แข็งจะต้องทำให้เย็นลงเพื่อให้เครื่องดื่มแข็งตัว ด้วยเหตุนี้เครื่องดื่มเช่นเตกีล่าจึงแข็งตัวได้ยากกว่า
นม
ที่มา: Pixabay
นมเป็นสารที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบซึ่งไขมันจะถูกกระจายไปพร้อมกับแลคโตสและแคลเซียมฟอสเฟตนอกเหนือจากไลโปโปรตีนอื่น ๆ
ส่วนประกอบที่ละลายในน้ำได้มากกว่าจะเป็นตัวกำหนดว่าจุดเยือกแข็งจะแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบเท่าใด
โดยเฉลี่ยนมจะแข็งตัวที่อุณหภูมิประมาณ-0.54ºC แต่จะอยู่ระหว่าง -0.50 ถึง -0.56 ขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของน้ำ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะทราบว่านมมีการปลอมปนหรือไม่ และอย่างที่คุณเห็นนมหนึ่งแก้วจะแข็งตัวเกือบเท่ากับแก้วน้ำ
นมบางชนิดไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวกันเนื่องจากองค์ประกอบของมันขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของสัตว์ด้วย
ปรอท
ปรอทเป็นโลหะชนิดเดียวที่อยู่ในรูปของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ในการแช่แข็งจำเป็นต้องลดอุณหภูมิลงเหลือ-38.83ºC และคราวนี้เราจะหลีกเลี่ยงความคิดที่จะเทลงในแก้วและใส่ในช่องแช่แข็งเพราะอาจนำไปสู่อุบัติเหตุร้ายแรงได้
โปรดทราบว่าปรอทจะแข็งตัวก่อนแอลกอฮอล์ อาจเกิดจากการที่ผลึกปรอทสั่นน้อยลงเนื่องจากประกอบด้วยอะตอมที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะโลหะ ในขณะที่ในเอทานอลเป็นโมเลกุล CH 3 CH 2 OH ที่ค่อนข้างเบาซึ่งจะต้องอยู่อย่างช้าๆ
เบนซิน
จากตัวอย่างจุดเยือกแข็งทั้งหมดน้ำมันเบนซินมีความซับซ้อนมากที่สุด เหมือนนมเป็นส่วนผสม แต่ฐานของมันไม่ใช่น้ำ แต่เป็นกลุ่มของไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ ซึ่งแต่ละชนิดมีลักษณะโครงสร้างของตัวเอง โมเลกุลขนาดเล็กบางโมเลกุลและโมเลกุลขนาดใหญ่
ไฮโดรคาร์บอนที่มีความดันไอต่ำกว่าจะแข็งตัวก่อน ในขณะที่คนอื่น ๆ จะยังคงอยู่ในสถานะของเหลวแม้ว่าน้ำมันเบนซินหนึ่งแก้วจะล้อมรอบด้วยไนโตรเจนเหลวก็ตาม มันจะไม่ก่อตัวเป็น“ น้ำแข็งเบนซิน” อย่างถูกต้อง แต่เป็นเจลที่มีโทนสีเหลืองเขียว
ในการแช่แข็งน้ำมันเบนซินอย่างสมบูรณ์อาจจำเป็นต้องทำให้อุณหภูมิเย็นลงถึง-200ºC ที่อุณหภูมินี้มีแนวโน้มว่าน้ำแข็งน้ำมันเบนซินจะก่อตัวขึ้นเนื่องจากส่วนประกอบทั้งหมดของส่วนผสมจะแข็งตัว นั่นคือจะไม่มีเฟสของเหลวในสภาวะสมดุลกับของแข็งอีกต่อไป
อ้างอิง
- ภาควิชาฟิสิกส์มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign (2018) ถาม - ตอบ: การแช่แข็งน้ำมันเบนซิน ดึงมาจาก: van.physics.illinois.edu
- อิราเอ็น. เลวีน. (2014) หลักฟิสิกส์เคมี. (พิมพ์ครั้งที่หก). Mc Graw Hill
- กลาสสโตน. (2513). สนธิสัญญาเคมีฟิสิกส์. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, มาดริด (สเปน)
- วอลเตอร์เจมัวร์ (1962) เคมีกายภาพ. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Longmans
- Sibagropribor. (2015) การกำหนดจุดเยือกแข็งของนม ดึงมาจาก: sibagropribor.ru
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 มิถุนายน 2561). จุดเยือกแข็งของแอลกอฮอล์ ดึงมาจาก: thoughtco.com