نقطة التجمد في مكونها ، وكيفية حسابها وأمثلة

ال نقطة التجمد هي درجة الحرارة التي تخضع فيها المادة إلى توازن انتقال السائل الصلب. عند الحديث عن المادة ، يمكن أن يكون هذا مركبًا أو عنصرًا نقيًا أو خليطًا. من الناحية النظرية ، تتجمد جميع المواد مع انخفاض درجة الحرارة إلى الصفر المطلق (0K).

ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة القصوى ليست ضرورية لمراقبة تجميد السوائل. الجبال الجليدية هي واحدة من أكثر الأمثلة وضوحا على المسطحات المائية المجمدة. أيضا ، يمكن أن تتبع هذه الظاهرة في الوقت الحقيقي عن طريق حمامات النيتروجين السائل ، أو باستخدام الثلاجة بسيطة.

ما هو الفرق بين التجميد والتصلب؟ أن العملية الأولى تعتمد بدرجة كبيرة على درجة الحرارة ، وعلى نقاوة السائل ، وتوازن ديناميكي حراري ؛ بينما الثاني ، يرتبط أكثر بالتغيرات في التركيب الكيميائي للمادة التي تصلب ، حتى دون أن يكون سائلاً بالكامل (عجينة).

لذلك ، التجميد هو التصلب ؛ لكن العكس ليس صحيحًا دائمًا. علاوة على ذلك ، لتجاهل مصطلح التصلب ، يجب أن يكون هناك مرحلة سائلة في التوازن مع المادة الصلبة من نفس المادة ؛ تمتثل الجبال الجليدية لهذا: فهي تطفو على الماء السائل.

وبالتالي ، يواجه المرء تجميد السائل عند تكوين طور صلب نتيجة لانخفاض درجة الحرارة. يؤثر الضغط أيضًا على هذه الخاصية الفيزيائية ، على الرغم من أن آثارها تكون منخفضة في السوائل ذات ضغوط بخار منخفضة.

مؤشر

• 1 ما هي نقطة التجمد؟?
  • 1.1 تجميد مقابل الذوبان
• 2 كيفية حسابها?
  • 2.1 معادلة انخفاض الحرارة
• 3 أمثلة
  • 3.1 المياه
  • 3.2 الكحول
  • 3.3 الحليب
  • 3.4 الزئبق
  • 3.5 البنزين
• 4 المراجع

ما هي نقطة التجمد؟?

مع انخفاض درجة الحرارة ، ينخفض ​​متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات ، وبالتالي فإنها تبطئ قليلاً. عندما يتباطأ السائل ، هناك نقطة يتفاعلون فيها بدرجة كافية لتشكيل ترتيب مرتب للجزيء ؛ هذه هي أول مادة صلبة تنمو منها بلورات أكبر.

إذا كانت هذه "التذبذبات" الأولى أكثر من اللازم ، فسيكون من الضروري خفض درجة الحرارة إلى أن تظل جزيئاتها هادئة بدرجة كافية. درجة الحرارة التي يتحقق فيها هذا تقابل نقطة التجمد ؛ من هناك ، يتم إنشاء توازن السائل الصلبة.

يحدث السيناريو السابق للمواد النقية. ولكن ماذا لو لم تكن كذلك?

في هذه الحالة ، يجب على جزيئات المادة الصلبة الأولى أن تدمج الجزيئات الأجنبية. نتيجة لذلك ، يتم تشكيل مادة صلبة غير نقية (أو محلول صلب) ، والتي تحتاج إلى درجة حرارة أقل من درجة التجمد لتشكيلها.

نحن نتحدث عن انخفاض نقطة التجمد. طالما أن هناك المزيد من الجزيئات الأجنبية ، أو بشكل صحيح أكثر من الشوائب ، فسوف يتجمد السائل عند درجات حرارة منخفضة بشكل متزايد.

التجمد مقابل الذوبان

عند إعطاء مزيج من مركبين ، A و B ، عندما تنخفض درجة الحرارة ، يتجمد A ، بينما يبقى B سائلاً.

السيناريو مشابه لما تم شرحه للتو. جزء من A لم يتجمد بعد ، وبالتالي يذوب في B. هل تمت مناقشة توازن قابلية الذوبان أكثر من انتقال سائل صلب؟?

كلا الوصفين صالحان: يترسب A أو يتجمد بعيدًا عن B عندما تنخفض درجة الحرارة. سوف تكون عجلت كل A عندما لا يوجد شيء منها حل في B ؛ وهو نفس قول أن الإرادة قد جمدت بالكامل.

ومع ذلك ، فهو أكثر ملاءمة لعلاج هذه الظاهرة من وجهة نظر التجميد. وبالتالي ، يتجمد A أولاً لأنه يحتوي على نقطة تجمد أقل ، بينما يحتاج B إلى درجات حرارة أكثر برودة.

ومع ذلك ، في الواقع "يتكون الجليد من A" من مادة صلبة ذات تركيبة أغنى من A مقارنة بـ B ؛ لكن ب هناك أيضا. وذلك لأن A + B هو خليط متجانس ، وبالتالي ، يتم نقل جزء من هذا التجانس إلى المواد الصلبة المجمدة.

كيفية حسابها?

كيف يمكنك التنبؤ أو حساب نقطة التجمد للمادة؟ هناك حسابات فيزيائية كيميائية تسمح بالحصول على قيمة تقريبية للنقطة المذكورة تحت ضغوط أخرى (مختلفة عن 1atm ، الضغط المحيط).

ومع ذلك ، فإن هذه التدفق في الانصهار enthalpy (Δ_الفتح)؛ لأن الانصهار هو العملية في الاتجاه المعاكس للتجميد.

بالإضافة إلى ذلك ، من الأسهل من الناحية التجريبية تحديد نقطة انصهار مادة أو خليط من نقطة التجمد ؛ على الرغم من أنها قد تبدو هي نفسها ، إلا أنها تظهر بعض الاختلافات.

كما هو مذكور في القسم السابق: كلما زاد تركيز الشوائب ، زاد الانخفاض في نقطة التجمد. يمكن قول ذلك بالطريقة التالية: أصغر الكسر المولي X للمادة الصلبة في الخليط ، سوف يتجمد عند درجة حرارة منخفضة.

انخفاض درجة الحرارة المعادلة

المعادلة التالية تعبر وتلخص كل ما قيل:

LnX = - (Δ_الفتح/ ص) (1 / T - 1 / Tº) (1)

حيث R هو ثابت الغاز المثالي ، والذي له استخدام عالمي تقريبًا. Tº هي نقطة التجمد الطبيعية (عند الضغط المحيط) ، و T هي درجة الحرارة التي يتجمد عندها الصلبة عند الكسر المولي X.

من هذه المعادلة ، وبعد سلسلة من التبسيط ، نحصل على ما يلي ، أكثر شهرة:

=Tc = K_Fم (2)

حيث m هي مأساة المذاب أو النجاسة ، و K_F هو ثابت تجميد مكون المذيب أو السائل.

أمثلة

فيما يلي وصف موجز لتجميد بعض المواد.

ماء

الماء يتجمد حوالي 0 درجة مئوية. ومع ذلك ، قد تنخفض هذه القيمة إذا كانت تحتوي على مادة مذابة مذابة فيها ؛ ليقول الملح أو السكر.

اعتمادا على كمية المذاب المذاب ، فإنه يحتوي على مولات مختلفة ؛ وعندما تزيد m ، تنخفض X ، التي يمكن استبدال قيمتها في المعادلة (1) وبالتالي تكون T واضحة.

على سبيل المثال ، إذا وضعت كوبًا من الماء في مجمد ، وآخر مع ماء محلى (أو أي مشروب قائم على الماء) ، فسوف يتجمد كوب الماء أولاً. وذلك لأن بلوراتها تتشكل بشكل أسرع دون إزعاج جزيئات الجلوكوز أو الأيونات أو الأنواع الأخرى.

سوف يحدث نفس الشيء إذا تم وضع كوب من مياه البحر في الثلاجة. الآن ، قد يتجمد أو لا يتجمد الزجاج بماء البحر أولاً من الزجاج بالماء المحلى ؛ الفرق سوف يعتمد على كمية المذاب وليس طبيعتها الكيميائية.

وهذا هو السبب في أن الانخفاض في Tc (درجة حرارة التجمد) هو خاصية تصادمية.

كحول

تتجمد المشروبات الكحولية في درجات حرارة أكثر برودة من الماء السائل. على سبيل المثال ، يتجمد الإيثانول حول -114 درجة مئوية. إذا تم خلطها بالماء والمكونات الأخرى ، فستكون هناك زيادة في درجة التجمد.

لماذا؟ لأن الماء والمواد السائلة وخلط مع الكحول ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى بكثير (0 درجة مئوية).

عند العودة إلى الثلاجة مع الكؤوس بالماء ، إذا دخلت هذه المرة مع مشروب كحولي ، فستكون هذه هي آخر عملية تجميد. كلما زادت درجة الإيثيل ، يجب أن يبرد الثلاجة بدرجة أكبر لتجميد المشروب. ولهذا السبب يصعب تجميد المشروبات مثل التكيلا.

حليب

الحليب عبارة عن مادة أساسها الماء ، حيث يتم تشتيت الدهون مع اللاكتوز وفوسفات الكالسيوم ، بالإضافة إلى البروتينات الدهنية الأخرى.

تلك المكونات الأكثر قابلية للذوبان في الماء هي تلك التي تحدد مقدار تباين درجة تجمدها مع التركيب.

في المتوسط ​​، يتم تجميد الحليب عند درجة حرارة تتراوح بين -0.54 درجة مئوية ، ولكن يتراوح بين -0.50 و -0.56 حسب نسبة الماء. لذلك ، يمكنك معرفة ما إذا كان الحليب قد تم المغشوشة. وكما ترون ، سيتجمد كوب من الحليب تقريبًا على قدم المساواة مع كوب من الماء.

ليس كل اللبن يتجمد بنفس درجة الحرارة ، لأن تركيبته تعتمد أيضًا على مصدره الحيواني.

زئبق

الزئبق هو المعدن الوحيد الذي في شكل سائل في درجة حرارة الغرفة. لتجميده ، من الضروري خفض درجة الحرارة إلى -38.83 درجة مئوية ؛ وهذه المرة سوف تتجنب فكرة سكبها في كوب ووضعها في الثلاجة ، لأنها قد تؤدي إلى حوادث مروعة.

لاحظ أن الزئبق يتجمد قبل الكحول. قد يكون هذا بسبب حقيقة أن الكريستال الزئبقي يهتز أقل لأنه يتكون من ذرات مرتبطة بصلات معدنية ؛ بينما في الإيثانول ، فهي جزيئات CH₃CH₂يا ضوء نسبيا التي يجب استيعابها ببطء.

بنزين

من بين جميع الأمثلة على نقاط التجمد ، يعتبر البنزين هو الأكثر تعقيدًا. مثل الحليب ، هو خليط. لكن قاعدته ليست مياه ، ولكن مجموعة من العديد من الهيدروكربونات ، ولكل منها خصائصه الهيكلية الخاصة. بعض الجزيئات الصغيرة ، وغيرها من الجزيئات الكبيرة.

تلك المواد الهيدروكربونية ذات الضغط المنخفض على البخار سوف تجمد أولاً ؛ بينما سيبقى الآخرون سائلين ، حتى إذا كان كوب من البنزين محاطًا بالنيتروجين السائل. لن تشكل بشكل صحيح "جازاً بنزينًا" ، ولكن هلامًا ذو نغمات صفراء-خضراء.

لتجميد البنزين بالكامل ، قد يكون من الضروري تبريد درجة الحرارة إلى -200 درجة مئوية. عند درجة الحرارة هذه ، من المحتمل أن يتشكل البنزين ، لأن جميع مكونات الخليط سوف تتجمد ؛ وهذا يعني أنه لن يكون هناك مرحلة سائلة في حالة توازن مع مادة صلبة.

مراجع

1. قسم الفيزياء ، جامعة إلينوي في أوربانا شامبين. (2018). سؤال وجواب: تجميد البنزين. تم الاسترجاع من: van.physics.illinois.edu
2. ايرا ن. ليفين. (2014). مبادئ الكيمياء الفيزيائية. (الطبعة السادسة). مولودية جراو هيل.
3. Glasstone. (1970). معاهدة الكيمياء الفيزيائية. أغيلار إس دي إيديسيونس ، خوان برافو ، 38 ، مدريد (إسبانيا).
4. والتر جيه مور. (1962). كيمياء فيزيائية (الطبعة الرابعة). ونغمانس.
5. Sibagropribor. (2015). تحديد نقطة التجمد من الحليب. تم الاسترجاع من: sibagropribor.ru