Il punto di congelamento è la temperatura alla quale una sostanza sperimenta un equilibrio di transizione liquido-solido. Quando si parla di una sostanza, può essere un composto, un elemento puro o una miscela. Teoricamente, tutta la materia si congela quando la temperatura scende allo zero assoluto (0K).
Tuttavia, non sono necessarie temperature estreme per osservare il congelamento dei liquidi. Gli iceberg sono uno degli esempi più evidenti di corpi idrici congelati. Allo stesso modo, il fenomeno può essere monitorato in tempo reale utilizzando bagni di azoto liquido, o utilizzando un semplice congelatore..
Qual è la differenza tra congelamento e solidificazione? Che il primo processo dipende fortemente dalla temperatura, dalla purezza del liquido ed è un equilibrio termodinamico; mentre la seconda è più correlata ai cambiamenti nella composizione chimica della sostanza che solidifica, anche senza essere completamente liquida (una pasta).
Pertanto, un congelamento è una solidificazione; ma non è sempre vero il contrario. Inoltre, per scartare il termine solidificazione, deve esserci una fase liquida in equilibrio con il solido della stessa sostanza; gli iceberg fanno questo: galleggiano sull'acqua liquida.
Pertanto, ci si trova di fronte al congelamento di un liquido quando si forma una fase solida a seguito di una diminuzione della temperatura. Anche la pressione influenza questa proprietà fisica, sebbene i suoi effetti siano minori nei liquidi con basse pressioni di vapore..
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Al calare della temperatura, l'energia cinetica media delle molecole diminuisce, e quindi rallentano un po '. Man mano che si procede più lentamente nel liquido, arriva un punto in cui interagiscono abbastanza da formare una disposizione ordinata della molecola; questo è il primo solido, da cui cresceranno cristalli più grandi.
Se questo primo solido "oscilla" troppo, sarà necessario abbassare ulteriormente la temperatura fino a quando le sue molecole rimarranno sufficientemente ferme. La temperatura alla quale questo si ottiene corrisponde al punto di congelamento; da lì si stabilisce l'equilibrio liquido-solido.
Lo scenario di cui sopra si verifica per le sostanze pure; ma cosa succede se non lo sono?
In quel caso, le molecole del primo solido devono riuscire a inglobare le molecole estranee. Di conseguenza, si forma un solido impuro (o una soluzione solida), che richiede una temperatura inferiore al punto di congelamento per la sua formazione..
Se ne parla poi caduta del punto di congelamento. Poiché ci sono più molecole estranee, o più correttamente, impurità, il liquido si congela a temperature sempre più basse..
Data una miscela di due composti, A e B, al diminuire della temperatura, A congela, mentre B rimane liquido.
Lo scenario è simile a quanto appena spiegato. Una parte di A non si è ancora congelata, ed è quindi sciolta in B. È quindi una questione di equilibrio di solubilità piuttosto che di una transizione liquido-solido?
Entrambe le descrizioni sono valide: A precipita o gela, separandosi da B quando la temperatura scende. Tutto A sarà precipitato quando non ce ne sarà più disciolto in B; il che equivale a dire che A si sarà completamente congelato.
Tuttavia, è più conveniente trattare il fenomeno dal punto di vista del congelamento. Pertanto, A si congela prima perché ha un punto di congelamento più basso, mentre B avrà bisogno di temperature più fredde..
Tuttavia, il "ghiaccio di A" consiste in realtà in un solido che ha una composizione più ricca di A rispetto a B; ma c'è anche B. Questo perché A + B è una miscela omogenea e quindi parte di tale omogeneità viene trasferita al solido congelato..
Come si può prevedere o calcolare il punto di congelamento di una sostanza? Esistono calcoli fisico-chimici che consentono di ottenere un valore approssimativo di questo punto sotto altre pressioni (diverse da 1atm, la pressione ambiente).
Tuttavia, questi portano all'entalpia di fusione (ΔFus); poiché la fusione è il processo nella direzione opposta al congelamento.
Inoltre, sperimentalmente è più facile determinare il punto di fusione di una sostanza o miscela rispetto al suo punto di congelamento; Sebbene possano sembrare uguali, mostrano alcune differenze.
Come accennato nella sezione precedente: maggiore è la concentrazione di impurità, maggiore è la caduta del punto di congelamento. Questo si può anche dire come segue: minore è la frazione molare X del solido nella miscela, minore è la temperatura di congelamento..
La seguente equazione esprime e riassume tutto ciò che è stato detto:
LnX = - (ΔFus/ R) (1 / T - 1 / Tº) (1)
Dove R è la costante del gas ideale, che ha un uso quasi universale. Tº è il normale punto di congelamento (a pressione ambiente) e T è la temperatura alla quale il solido si congela a una frazione molare X.
Da questa equazione, e dopo una serie di semplificazioni, si ottiene quanto segue, meglio noto:
ΔTc = KFm (2)
Dove m è la molalità del soluto o impurità e KF è la costante crioscopica del componente solvente o liquido.
Di seguito verrà fornita una breve descrizione del congelamento di alcune sostanze.
L'acqua si congela intorno a 0 ° C. Tuttavia, questo valore può diminuire se contiene un soluto disciolto in esso; diciamo, sale o zucchero.
A seconda della quantità di soluto disciolto, ci sono diverse molalità m; e all'aumentare di m, X diminuisce, il cui valore può essere sostituito nell'equazione (1) e quindi risolvere per T.
Ad esempio, se metti un bicchiere d'acqua in un congelatore e un altro con acqua zuccherata (o qualsiasi bevanda a base d'acqua), il bicchiere d'acqua si congelerà per primo. Questo perché i suoi cristalli si formano più velocemente senza il disturbo di molecole di glucosio, ioni o altre specie..
Lo stesso accadrebbe se mettessi un bicchiere di acqua di mare nel congelatore. Ora, il bicchiere di acqua di mare può o non può essere congelato prima del bicchiere di acqua zuccherata; la differenza dipenderà dalla quantità di soluto e non della sua natura chimica.
È per questo motivo che la diminuzione della Tc (temperatura di congelamento) è una proprietà colligativa.
Gli alcoli congelano a temperature più fredde dell'acqua liquida. Ad esempio, l'etanolo si congela intorno a -114 ° C. Se viene mescolato con acqua e altri ingredienti, ci sarà un aumento del punto di congelamento..
Perché? Perché l'acqua, una sostanza liquida miscibile con l'alcol, congela a una temperatura molto più alta (0 ° C).
Tornando in frigo con i bicchieri d'acqua, se questa volta se ne introduce uno con una bevanda alcolica, questa sarà l'ultima a congelare. Più alto è il grado etilico, il congelatore dovrà raffreddarlo ulteriormente per congelare la bevanda. È per questo motivo che le bevande come la tequila sono più difficili da congelare..
Il latte è una sostanza a base di acqua, in cui il grasso viene disperso insieme al lattosio e ai fosfati di calcio, oltre ad altre lipoproteine..
Quei componenti che sono più solubili in acqua sono quelli che determinano di quanto varierà il suo punto di congelamento con la composizione..
In media, il latte si congela a una temperatura intorno ai -0,54 ° C, ma oscilla tra -0,50 e -0,56 a seconda della percentuale di acqua. In questo modo è possibile sapere se il latte è stato adulterato. E come puoi vedere, un bicchiere di latte si congela quasi alla pari con un bicchiere d'acqua..
Non tutto il latte si congela alla stessa temperatura, poiché la sua composizione dipende anche dalla sua fonte animale.
Il mercurio è l'unico metallo che è in forma liquida a temperatura ambiente. Per congelarlo è necessario abbassare la temperatura a -38,83ºC; e questa volta verrà evitata l'idea di versarlo in un bicchiere e metterlo in freezer, perché potrebbe portare a terribili incidenti.
Nota che il mercurio si congela prima dell'alcol. Ciò può essere dovuto al fatto che il cristallo di mercurio vibra meno in quanto è costituito da atomi legati da legami metallici; mentre nell'etanolo sono molecole di CH3CHDueOH relativamente leggero che deve stabilizzarsi lentamente.
Di tutti gli esempi relativi al punto di congelamento, la benzina è il più complesso. Come il latte, è una miscela; ma la sua base non è l'acqua, ma un gruppo di vari idrocarburi, ciascuno con le proprie caratteristiche strutturali. Alcune piccole molecole e alcune grandi.
Quegli idrocarburi con pressioni di vapore inferiori si congelano per primi; mentre gli altri rimarranno allo stato liquido, anche se un bicchiere di benzina è circondato da azoto liquido. Non formerà correttamente un "ghiaccio di benzina", ma un gel con sfumature giallo-verdi.
Per congelare completamente la benzina, potrebbe essere necessario raffreddare la temperatura fino a -200 ° C. A questa temperatura è probabile che si formi del ghiaccio di benzina, poiché tutti i componenti della miscela si saranno congelati; cioè, non ci sarà più una fase liquida in equilibrio con un solido.
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