VRIESPUNT: HOE HET TE BEREKENEN EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

Het vriespunt is de temperatuur waarbij een stof een overgangsevenwicht tussen vloeistof en vaste stof ervaart. Als het om substantie gaat, kan het een verbinding, een puur element of een mengsel zijn. Theoretisch bevriest alle materie als de temperatuur daalt tot het absolute nulpunt (0K).

Extreme temperaturen zijn echter niet nodig om het bevriezen van vloeistoffen te observeren. IJsbergen zijn een van de meest voor de hand liggende voorbeelden van bevroren watermassa's. Evenzo kan het fenomeen in realtime worden gevolgd met behulp van vloeibare stikstofbaden of met behulp van een eenvoudige vriezer.

Bron: Pxhere

Wat is het verschil tussen invriezen en stollen? Dat het eerste proces sterk afhankelijk is van temperatuur, van de zuiverheid van de vloeistof, en een thermodynamisch evenwicht is; terwijl de tweede meer verband houdt met veranderingen in de chemische samenstelling van de stof die stolt, zelfs zonder volledig vloeibaar te zijn (een pasta).

Daarom is een bevriezing een stolling; maar het omgekeerde is niet altijd waar. Om de term stolling uit te sluiten, moet er bovendien een vloeistoffase zijn die in evenwicht is met de vaste stof van dezelfde stof; ijsbergen doen dit: ze drijven op vloeibaar water.

Zo wordt men geconfronteerd met het bevriezen van een vloeistof wanneer een vaste fase wordt gevormd als gevolg van een temperatuurdaling. Druk beïnvloedt ook deze fysische eigenschap, hoewel de effecten ervan minder zijn in vloeistoffen met lage dampdrukken.

Wat is het vriespunt?

Naarmate de temperatuur daalt, neemt de gemiddelde kinetische energie van de moleculen af, en daarom vertragen ze een beetje. Als je langzamer gaat in de vloeistof, komt er een punt waarop ze voldoende interactie aangaan om een ​​geordende rangschikking van moleculen te vormen; dit is de eerste vaste stof waaruit grotere kristallen zullen groeien.

Als deze eerste vaste stof te veel "wiebelt", dan zal het nodig zijn om de temperatuur nog verder te verlagen totdat de moleculen stil genoeg blijven. De temperatuur waarbij dit wordt bereikt komt overeen met het vriespunt; van daaruit wordt het vloeistof-vast-evenwicht tot stand gebracht.

Het vorige scenario doet zich voor voor pure stoffen; maar wat als ze dat niet zijn?

In dat geval moeten de moleculen van de eerste vaste stof erin slagen de vreemde moleculen op te nemen. Als resultaat wordt een onzuivere vaste stof (of vaste oplossing) gevormd, die een temperatuur vereist die lager is dan het vriespunt voor de vorming ervan.

We spreken dan van het verlagen van het vriespunt. Naarmate er meer vreemde moleculen zijn, of beter gezegd, onzuiverheden, zal de vloeistof bij lagere en lagere temperaturen bevriezen.

Invriezen versus oplosbaarheid

Gegeven een mengsel van twee verbindingen, A en B, als de temperatuur daalt, bevriest A, terwijl B vloeibaar blijft.

Het scenario is vergelijkbaar met wat zojuist is uitgelegd. Een deel van A is nog niet bevroren, en is daarom opgelost in B. Is het dan het oplosbaarheidsevenwicht waarover we spreken in plaats van een vloeistof-vast-overgang?

Beide beschrijvingen zijn geldig: A slaat neer of bevriest en scheidt zich van B naarmate de temperatuur daalt. Alle A zal zijn neergeslagen als er niets meer van is opgelost in B; wat hetzelfde is als zeggen dat A volledig bevroren zal zijn.

Het is echter handiger om het fenomeen vanuit het oogpunt van bevriezing te behandelen. Zo bevriest A eerst omdat het een lager vriespunt heeft, terwijl B koelere temperaturen nodig heeft.

Het "ijs van A" bestaat echter eigenlijk uit een vaste stof die een rijkere samenstelling heeft van A dan B; maar B is er ook. Dit komt doordat A + B een homogeen mengsel is, en daarom wordt een deel van die homogeniteit overgedragen op de bevroren vaste stof.

Hoe bereken je het?

Hoe kun je het vriespunt van een stof voorspellen of berekenen? Er zijn fysisch-chemische berekeningen waarmee een geschatte waarde van dit punt onder andere drukken (anders dan 1atm, de omgevingsdruk) kan worden verkregen.

Deze leiden echter tot de fusie-enthalpie (Δ _Fus ); aangezien de fusie het proces is in de tegenovergestelde zin van het bevriezen.

Bovendien is het experimenteel gemakkelijker om het smeltpunt van een stof of mengsel te bepalen dan het vriespunt; Hoewel ze misschien hetzelfde lijken, vertonen ze bepaalde verschillen.

Zoals vermeld in de vorige paragraaf: hoe hoger de concentratie aan onzuiverheden, hoe groter de daling van het vriespunt. Dit kan ook als volgt worden gezegd: hoe lager de molfractie X van de vaste stof in het mengsel, hoe lager de temperatuur zal bevriezen.

Vergelijking van temperatuurafname

De volgende vergelijking drukt alles uit en vat alles samen wat er is gezegd:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Waarbij R de ideale gasconstante is, die bijna universeel wordt gebruikt. Tº is het normale vriespunt (bij omgevingsdruk), en T is de temperatuur waarbij de vaste stof zal bevriezen tot een molfractie X.

Uit deze vergelijking, en na een reeks vereenvoudigingen, wordt het volgende, beter bekend, verkregen:

ΔTc = K _F m (2)

Waarbij m de molaliteit is van de opgeloste stof of onzuiverheid, en K _F de cryoscopische constante is van het oplosmiddel of de vloeistofcomponent.

Voorbeelden

Hieronder volgt een korte beschrijving van het invriezen van sommige stoffen.

Water

Het water bevriest rond de 0ºC. Deze waarde kan echter afnemen als het een opgeloste stof bevat die erin is opgelost; om te zeggen, zout of suiker.

Afhankelijk van de hoeveelheid opgeloste opgeloste stof zijn er verschillende molaliteiten m; en naarmate m toeneemt, neemt X af, waarvan de waarde kan worden vervangen in vergelijking (1) en dus T.

Als bijvoorbeeld een glas met water in de vriezer wordt geplaatst en een ander met gezoet water (of een drank op waterbasis), zal het glas water eerst bevriezen. Dit komt doordat de kristallen zich sneller vormen zonder de verstoring van glucosemoleculen, ionen of andere soorten.

Hetzelfde zou gebeuren als je een glas zeewater in de vriezer doet. Nu kan het glas zeewater al dan niet eerst worden ingevroren dan het glas gezoet water; het verschil hangt af van de hoeveelheid opgeloste stof en niet van de chemische aard ervan .

Om deze reden is de afname van Tc (vriestemperatuur) een colligatieve eigenschap.

Alcohol

Bron: Pixabay

Alcoholen bevriezen bij koudere temperaturen dan vloeibaar water. Ethanol bevriest bijvoorbeeld rond -114 ° C. Indien gemengd met water en andere ingrediënten, zal het vriespunt daarentegen toenemen.

Waarom? Omdat water, een vloeibare stof die mengbaar is met alcohol, bij een veel hogere temperatuur (0ºC) bevriest.

Terugkeren naar de koelkast met de glazen water, als deze keer een met een alcoholische drank wordt geïntroduceerd, zal dit de laatste zijn die bevriest. Hoe hoger de ethylgraad, de vriezer moet deze verder afkoelen om de drank in te vriezen. Het is om deze reden dat dranken zoals tequila moeilijker in te vriezen zijn.

Melk

Bron: Pixabay

Melk is een stof op waterbasis, waarin vet wordt gedispergeerd samen met lactose en calciumfosfaten, naast andere lipoproteïnen.

Die componenten die beter oplosbaar zijn in water, bepalen hoeveel het vriespunt zal variëren met de samenstelling.

Melk bevriest gemiddeld bij een temperatuur rond -0,54ºC, maar varieert tussen -0,50 en -0,56 afhankelijk van het percentage water. Zo kunt u zien of de melk is vervalst. En zoals je kunt zien, zal een glas melk bijna net zo bevriezen als een glas water.

Niet alle melk bevriest bij dezelfde temperatuur, omdat de samenstelling ook afhankelijk is van de dierlijke bron.

Kwik

Kwik is het enige metaal dat bij kamertemperatuur in vloeibare vorm is. Om het te bevriezen, is het noodzakelijk om de temperatuur te verlagen tot -38,83 ° C; En deze keer wordt het idee om het in een glas te gieten en in de vriezer te leggen vermeden, omdat dit tot vreselijke ongelukken kan leiden.

Merk op dat kwik eerder bevriest dan alcohol. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat het kwikkristal minder trilt omdat het bestaat uit atomen die met elkaar verbonden zijn door metaalverbindingen; terwijl het in ethanol relatief lichte CH ₃ CH ₂ OH- moleculen zijn die langzaam moeten worden opgenomen.

Benzine

Van alle vriespuntvoorbeelden is benzine het meest complex. Net als melk is het een mengsel; maar zijn basis is niet water, maar een groep van verschillende koolwaterstoffen, elk met zijn eigen structurele kenmerken. Enkele kleine moleculen, en enkele grote.

Die koolwaterstoffen met lagere dampdrukken zullen eerst bevriezen; terwijl de andere in vloeibare toestand blijven, zelfs als een glas benzine wordt omgeven door vloeibare stikstof. Het zal niet goed een "benzine-ijs" vormen, maar een gel met geelgroene tinten.

Om benzine volledig te bevriezen, kan het nodig zijn om de temperatuur af te koelen tot -200ºC. Bij deze temperatuur vormt zich waarschijnlijk benzine-ijs, aangezien alle componenten van het mengsel bevroren zijn; dat wil zeggen, er zal niet langer een vloeibare fase in evenwicht zijn met een vaste stof.

Referenties

1. Afdeling Natuurkunde, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. (2018). Vraag en antwoord: Benzine bevriest. Hersteld van: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Principes van fysicochemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Fysisch-chemisch verdrag. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spanje).
4. Walter J. Moore. (1962). Fysische chemie. (Vierde druk). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Bepaling van het vriespunt van melk. Hersteld van: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). Vriespunt van alcohol. Hersteld van: thoughtco.com