ĐIỂM ĐÓNG BĂNG: CÁCH TÍNH TOÁN VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Điểm đóng băng là nhiệt độ tại đó một chất trải qua trạng thái cân bằng chuyển tiếp lỏng-rắn. Khi nói về chất, nó có thể là một hợp chất, một nguyên tố nguyên chất hoặc một hỗn hợp. Về mặt lý thuyết, mọi vật chất đều đóng băng khi nhiệt độ giảm xuống độ không tuyệt đối (0K).

Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao là không cần thiết để quan sát sự đóng băng của chất lỏng. Tảng băng trôi là một trong những ví dụ rõ ràng nhất về các khối nước đóng băng. Tương tự như vậy, hiện tượng có thể được theo dõi trong thời gian thực bằng cách sử dụng bể nitơ lỏng hoặc sử dụng tủ đông đơn giản.

Nguồn: Pxhere

Sự khác biệt giữa đông đặc và đông đặc là gì? Quá trình đầu tiên phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ tinh khiết của chất lỏng, và là một cân bằng nhiệt động lực học; trong khi thứ hai liên quan nhiều hơn đến những thay đổi trong thành phần hóa học của chất đông đặc, ngay cả khi không hoàn toàn ở dạng lỏng (dạng sệt).

Do đó, sự đông đặc là sự đông đặc; nhưng điều ngược lại không phải lúc nào cũng đúng. Hơn nữa, để loại trừ thuật ngữ đông đặc, phải có một pha lỏng ở trạng thái cân bằng với chất rắn của cùng một chất; tảng băng trôi làm được điều này: chúng nổi trên mặt nước lỏng.

Do đó, người ta phải đối mặt với sự đóng băng của chất lỏng khi một pha rắn được hình thành do hệ quả của sự giảm nhiệt độ. Áp suất cũng ảnh hưởng đến tính chất vật lý này, mặc dù ảnh hưởng của nó ít hơn trong chất lỏng có áp suất hơi thấp.

Điểm đóng băng là gì?

Khi nhiệt độ giảm, động năng trung bình của các phân tử giảm, và do đó chúng chậm lại một chút. Khi bạn đi chậm hơn trong chất lỏng, có một điểm mà chúng tương tác đủ để tạo thành một sự sắp xếp có trật tự của các phân tử; đây là chất rắn đầu tiên, từ đó các tinh thể lớn hơn sẽ phát triển.

Nếu chất rắn đầu tiên này "dao động" quá nhiều, thì cần phải giảm nhiệt độ xuống nữa cho đến khi các phân tử của nó vẫn còn đủ. Nhiệt độ đạt được điều này tương ứng với điểm đóng băng; từ đó, trạng thái cân bằng lỏng - rắn được thiết lập.

Kịch bản trước xảy ra đối với các chất tinh khiết; nhưng nếu không thì sao?

Trong trường hợp đó, các phân tử của chất rắn đầu tiên phải quản lý để kết hợp các phân tử lạ. Kết quả là, một chất rắn (hoặc dung dịch rắn) không tinh khiết được hình thành, đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn điểm đóng băng để hình thành.

Sau đó, chúng tôi nói về việc hạ thấp điểm đóng băng. Khi có nhiều phân tử lạ hơn, hay nói đúng hơn là tạp chất, chất lỏng sẽ đóng băng ở nhiệt độ ngày càng thấp.

Sự đông đặc và sự hòa tan

Cho hỗn hợp A và B gồm hai hợp chất, khi nhiệt độ giảm xuống, A đóng băng, còn B ở thể lỏng.

Kịch bản tương tự như những gì vừa được giải thích. Một phần của A chưa đông đặc, và do đó bị hòa tan trong B. Khi đó có phải là trạng thái cân bằng hòa tan mà chúng ta nói đến chứ không phải là sự chuyển thể lỏng-rắn?

Cả hai mô tả đều hợp lệ: A kết tủa hoặc đông đặc, tách khỏi B khi nhiệt độ giảm. Tất cả A sẽ có kết tủa khi không còn chất nào bị hòa tan trong B; điều này cũng giống như nói rằng A sẽ bị đóng băng hoàn toàn.

Tuy nhiên, sẽ thuận tiện hơn nếu điều trị hiện tượng theo quan điểm đông lạnh. Như vậy, A đóng băng trước vì nó có điểm đóng băng thấp hơn, trong khi B sẽ cần nhiệt độ lạnh hơn.

Tuy nhiên, "băng của A" thực sự bao gồm một chất rắn có thành phần A phong phú hơn B; nhưng B cũng ở đó. Điều này là do A + B là một hỗn hợp đồng nhất, và do đó một số chất đồng nhất đó được chuyển sang thể rắn đông lạnh.

Làm thế nào để tính toán nó?

Làm thế nào bạn có thể dự đoán hoặc tính toán điểm đóng băng của một chất? Có những tính toán hóa lý cho phép thu được giá trị gần đúng của điểm này dưới áp suất khác (ngoài 1atm, áp suất môi trường).

Tuy nhiên, những điều này dẫn đến entanpi của nhiệt hạch (Δ _Fus ); vì, sự hợp nhất là quá trình ngược lại với sự đóng băng.

Hơn nữa, bằng thực nghiệm, việc xác định điểm nóng chảy của một chất hoặc hỗn hợp dễ dàng hơn điểm đông đặc của nó; Mặc dù chúng có vẻ giống nhau, nhưng chúng cho thấy sự khác biệt nhất định.

Như đã nói ở phần trước: tạp chất có nồng độ càng cao thì điểm đóng băng giảm càng lớn. Điều này cũng có thể nói như sau: phần trăm số mol X của chất rắn trong hỗn hợp càng thấp, nhiệt độ càng thấp thì chất rắn càng đông.

Phương trình giảm nhiệt độ

Phương trình sau thể hiện và tóm tắt mọi thứ đã được nói:

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

Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, được sử dụng gần như phổ biến. T là điểm đóng băng bình thường (ở áp suất môi trường xung quanh), và T là nhiệt độ tại đó chất rắn sẽ đóng băng thành phần X.

Từ phương trình này, và sau một loạt đơn giản hóa, ta thu được kết quả sau, được biết đến nhiều hơn:

ΔTc = K _F m (2)

Trong đó m là nồng độ mol của chất tan hoặc tạp chất, và K _F là hằng số đông lạnh của thành phần dung môi hoặc chất lỏng.

Ví dụ

Dưới đây là mô tả ngắn gọn về sự đông đặc của một số chất.

Nước

Nước đóng băng khoảng 0ºC. Tuy nhiên, giá trị này có thể giảm nếu nó chứa chất hòa tan trong đó; nói, muối hoặc đường.

Tuỳ theo lượng chất tan hoà tan mà có số mol khác nhau; và khi m tăng, X giảm, giá trị của nó có thể được thay thế trong phương trình (1) và do đó giải được T.

Ví dụ, nếu bạn đặt một cốc nước trong tủ đá và một cốc nước khác có nước ngọt (hoặc bất kỳ thức uống làm từ nước nào), cốc nước sẽ đóng băng trước. Điều này là do các tinh thể của nó hình thành nhanh hơn mà không có sự xáo trộn của các phân tử glucose, ion hoặc các loài khác.

Điều tương tự cũng sẽ xảy ra nếu bạn đặt một cốc nước biển vào tủ đông. Bây giờ, cốc nước biển có thể đóng băng hoặc không thể đông hơn cốc nước ngọt; sự khác biệt sẽ phụ thuộc vào lượng chất tan chứ không phụ thuộc vào bản chất hóa học của nó .

Chính vì lý do này mà sự giảm Tc (nhiệt độ đông đặc) là một tính chất đối chiếu.

Rượu

Nguồn: Pixabay

Cồn đóng băng ở nhiệt độ lạnh hơn nước lỏng. Ví dụ, etanol đóng băng khoảng -114 ° C. Nếu trộn với nước và các thành phần khác, ngược lại sẽ làm tăng điểm đông.

Tại sao? Bởi vì nước, một chất lỏng có thể trộn lẫn với rượu, đóng băng ở nhiệt độ cao hơn nhiều (0ºC).

Quay trở lại tủ lạnh với cốc nước, nếu lần này là cốc có đồ uống có cồn được giới thiệu, đây sẽ là cốc cuối cùng bị đóng băng. Cấp ethyl càng cao, tủ đông sẽ cần làm lạnh thêm để làm đông đồ uống. Chính vì lý do này mà đồ uống như tequila khó đông hơn.

Sữa

Nguồn: Pixabay

Sữa là một chất dạng nước, trong đó chất béo được phân tán cùng với lactose và canxi phốt phát, ngoài ra còn có các lipoprotein khác.

Những thành phần dễ hòa tan hơn trong nước xác định điểm đóng băng của nó sẽ thay đổi bao nhiêu theo thành phần.

Trung bình, sữa đông đặc ở nhiệt độ khoảng -0,54ºC, nhưng nó dao động trong khoảng -0,50 đến -0,56 tùy thuộc vào tỷ lệ nước. Như vậy có thể biết được sữa có bị pha tạp chất hay không. Và như bạn thấy, một ly sữa sẽ đông gần ngang với một ly nước.

Không phải tất cả sữa đều đóng băng ở cùng một nhiệt độ, vì thành phần của nó cũng phụ thuộc vào nguồn động vật.

thủy ngân

Thủy ngân là kim loại duy nhất ở thể lỏng ở nhiệt độ thường. Để làm đông nó, cần phải hạ nhiệt độ xuống -38,83ºC; Và lần này sẽ tránh xa ý tưởng đổ vào ly rồi cho vào ngăn đá tủ lạnh, vì nó có thể dẫn đến những tai nạn khủng khiếp.

Lưu ý rằng thủy ngân đóng băng trước rượu. Điều này có thể là do tinh thể thủy ngân dao động ít hơn vì nó bao gồm các nguyên tử được liên kết bằng liên kết kim loại; trong khi trong etanol, chúng là những phân tử CH ₃ CH ₂ OH tương đối nhẹ nên phải được hấp thụ từ từ.

Xăng

Trong số tất cả các ví dụ về điểm đóng băng, xăng là phức tạp nhất. Giống như sữa, nó là một hỗn hợp; nhưng bazơ của nó không phải là nước, mà là một nhóm các hiđrocacbon khác nhau, mỗi loại có đặc điểm cấu tạo riêng. Một số phân tử nhỏ và một số phân tử lớn.

Những hydrocacbon có áp suất hơi thấp hơn sẽ đóng băng trước; trong khi những cái khác sẽ ở trạng thái lỏng, ngay cả khi một cốc xăng được bao quanh bởi nitơ lỏng. Nó sẽ không đúng cách tạo thành “băng xăng”, mà là một loại gel có tông màu vàng xanh.

Để đóng băng hoàn toàn xăng, có thể phải làm lạnh nhiệt độ xuống -200ºC. Ở nhiệt độ này, đá xăng sẽ hình thành, vì tất cả các thành phần của hỗn hợp sẽ bị đông cứng lại; nghĩa là sẽ không còn pha lỏng ở trạng thái cân bằng với chất rắn.

Người giới thiệu

1. Khoa Vật lý, Đại học Illinois tại Urbana-Champaign. (2018). Vấn đáp: Xăng đông cứng. Được khôi phục từ: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Nguyên lý hóa lý. (Tái bản lần thứ sáu). Đồi Mc Graw.
3. Glasstone. (1970). Hiệp ước Hóa lý. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38 tuổi, Madrid (Tây Ban Nha).
4. Walter J. Moore. (Năm 1962). Hóa lý. (Tái bản lần thứ tư). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Xác định điểm đông đặc của sữa. Được khôi phục từ: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 22 tháng 6 năm 2018). Điểm đông đặc của rượu. Phục hồi từ: thinkco.com