De vriespunt is de temperatuur waarbij een stof een overgangsevenwicht tussen vloeistof en vaste stof ervaart. Als we het over een stof hebben, 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 vereist 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..
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 te verwerpen, 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 dampspanningen..
Artikel index
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 samenwerken om een geordende ordening van het molecuul 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 evenwicht tussen vloeistof en vaste stof tot stand gebracht.
Het bovenstaande scenario doet zich voor voor zuivere 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..
Er wordt dan over gesproken daling van het vriespunt. Naarmate er meer vreemde moleculen zijn, of beter gezegd, onzuiverheden, zal de vloeistof bij lagere en lagere temperaturen bevriezen..
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 dus opgelost in B. Is het dan een kwestie van oplosbaarheidsevenwicht in plaats van een vloeistof-vaste stof 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. A bevriest dus eerst omdat het een lager vriespunt heeft, terwijl B koudere temperaturen nodig heeft..
Het "ijs van A" bestaat echter in feite uit een vaste stof die een rijkere samenstelling heeft van A dan B; maar B is er ook. Dit komt omdat A + B een homogeen mengsel is, en daarom wordt een deel van die homogeniteit overgedragen op de bevroren vaste stof..
Hoe kun je het vriespunt van een stof voorspellen of berekenen? Er zijn fysisch-chemische berekeningen die het mogelijk maken om een geschatte waarde van dit punt te verkrijgen onder andere drukken (anders dan 1atm, de omgevingsdruk).
Deze leiden echter tot de fusie-enthalpie (ΔFusomdat fusie het proces is in de tegenovergestelde richting van bevriezing.
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 het bevriezen..
De volgende vergelijking drukt alles uit en vat alles samen wat er is gezegd:
LnX = - (ΔFus/ 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 = KF.m (2)
Waar m de molaliteit van de opgeloste stof of onzuiverheid is, en KF. is de cryoscopische constante van het oplosmiddel of de vloeistofcomponent.
Hieronder volgt een korte beschrijving van het invriezen van sommige stoffen.
Water bevriest rond 0ºC. Deze waarde kan echter afnemen als het een opgeloste stof bevat die erin is opgelost; zeg, zout of suiker.
Afhankelijk van de hoeveelheid opgeloste stof zijn er verschillende molaliteiten m; en naarmate m toeneemt, neemt X af, waarvan de waarde kan worden gesubstitueerd in vergelijking (1) en dus T kan oplossen.
Als u bijvoorbeeld een glas water in de vriezer doet en een ander met gezoet water (of een andere drank op waterbasis), zal het glas water eerst bevriezen. Dit komt omdat 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 zijn chemische aard.
Om deze reden is de afname van Tc (vriestemperatuur) een colligatieve eigenschap.
Alcoholen bevriezen bij koudere temperaturen dan vloeibaar water. Ethanol bevriest bijvoorbeeld rond -114 ° C. Als het wordt gemengd met water en andere ingrediënten, zal het vriespunt toenemen..
Waarom? Omdat water, een vloeibare substantie die mengbaar is met alcohol, bevriest bij een veel hogere temperatuur (0ºC).
Terugkeren naar de koelkast met de glazen met 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. Om deze reden zijn dranken zoals tequila moeilijker in te vriezen..
Melk is een stof op waterbasis, waarin vet wordt gedispergeerd samen met lactose en calciumfosfaten, naast andere lipoproteïnen..
De componenten die beter oplosbaar zijn in water, zijn degene die bepalen hoeveel het vriespunt zal variëren met de samenstelling..
Melk bevriest gemiddeld bij een temperatuur rond de -0,54ºC, maar varieert tussen -0,50 en -0,56 afhankelijk van het percentage water. Het is dus mogelijk om te weten of de melk is vervalst. En zoals u 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 afhangt van de dierlijke bron.
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 kan leiden tot vreselijke ongelukken.
Merk op dat kwik eerder bevriest dan alcohol. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat het kwikkristal minder trilt, aangezien het bestaat uit atomen die zijn verbonden door metalen bindingen; terwijl het in ethanol moleculen van CH zijn3CHtweeRelatief lichte OH die langzaam moet bezinken.
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. Sommige kleine moleculen, en andere grote.
Die koolwaterstoffen met lagere dampdrukken zullen het 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.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.