Home  FAQ Solutions |
Print | Comment |
| Previous Question | Next Question |
 |
Słownictwo |
equilibrium mieszanina eutektyczna obniżenie punktu zamarzania punkt topnienia punkt topnienia punkt wykres fazowy solutny |
(Uwaga: Jeśli jesteś już zaznajomiony z potencjałami chemicznymi, możesz być zainteresowany tym alternatywnym wyjaśnieniem termodynamicznym.)
Dwie rzeczy dzieją się, gdy lód i woda są umieszczone w kontakcie:
- Molekuły na powierzchni lodu uciekają do wody (topnienie), i
- cząsteczki wody są przechwytywane na powierzchni lodu (zamarzanie).
Gdy tempo zamarzania jest takie samo jak tempo topnienia, ilość lodu i ilość wody nie zmienia się średnio (chociaż występują krótkotrwałe wahania na powierzchni lodu). Mówi się, że lód i woda są ze sobą w dynamicznej równowadze. Równowaga między zamarzaniem a topnieniem może być utrzymywana przy 0°C, temperaturze topnienia wody, chyba że warunki zmienią się w sposób, który będzie faworyzował jeden z procesów nad drugim.
Jeśli nie widzisz powyższej animacji, dostępna jest wersja bez animacji; możesz też pobrać darmowy plugin Flash z Macromedia. ównowagę między procesami zamrażania i topnienia można łatwo naruszyć. Jeśli mieszanina lodu i wody jest schładzana, molekuły poruszają się wolniej. Wolniej poruszające się cząsteczki są łatwiej wychwytywane przez lód i zamarzanie zachodzi szybciej niż topnienie. Możesz to zademonstrować, klikając na temperaturę w animacji i ustawiając ją na niższą wartość (powiedzmy -10).
Odwrotnie, podgrzanie mieszaniny powoduje, że cząsteczki poruszają się średnio szybciej, a topnienie jest preferowane. Zresetuj animację, a następnie wprowadź wyższą wartość temperatury (powiedzmy 10) i obserwuj, co się stanie.
Dodanie soli do układu również zaburzy równowagę. Rozważ zastąpienie niektórych cząsteczek wody cząsteczkami jakiejś innej substancji. Obce cząsteczki rozpuszczą się w wodzie, ale nie upakują się łatwo do układu cząsteczek w ciele stałym. Spróbuj nacisnąć przycisk „Dodaj solute” na powyższej animacji. Zauważ, że po stronie cieczy jest mniej cząsteczek wody, ponieważ część wody została zastąpiona solą. Całkowita ilość wody przechwytywanej przez lód w ciągu sekundy spada, więc spada tempo zamrażania. Tempo topnienia jest niezmienione przez obecność obcego materiału, więc topnienie zachodzi szybciej niż zamrażanie.
To dlatego sól topi lód.
Aby przywrócić równowagę, musisz schłodzić mieszaninę lodu i soli do temperatury poniżej zwykłej temperatury topnienia wody. Na przykład, temperatura zamarzania 1 M roztworu NaCl wynosi około -3,4°C. Im wyższe stężenie soli, tym większe obniżenie punktu zamarzania.
Ale czy jakakolwiek obca substancja nie spowoduje obniżenia punktu zamarzania, zgodnie z tym modelem? Tak! Na każdy mol obcych cząsteczek rozpuszczonych w kilogramie wody, punkt zamarzania obniża się o około 1,7-1,9°C. Cukier, alkohol lub inne sole również obniżą temperaturę zamarzania i roztopią lód. Sól jest używana na drogach i chodnikach, ponieważ jest tania i łatwo dostępna.
Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że obniżenie temperatury zamarzania występuje, ponieważ stężenie cząsteczek wody w roztworze jest mniejsze niż w czystej wodzie. Charakter solutu nie ma znaczenia. Z powyższego diagramu można by się spodziewać, że rozpuszczalniki o dużych cząsteczkach lepiej blokują cząsteczki wody przemieszczające się w kierunku powierzchni lodu. Hipoteza, że rozpuszczalniki o dużych cząsteczkach powodują większe obniżenie temperatury zamarzania niż te o mniejszych cząsteczkach nie jest zgodna z danymi doświadczalnymi! Błędne przekonanie wynika z faktu, że diagramu nie można narysować w odpowiedniej skali; rozmiar cząsteczek jest bardzo mały w porównaniu z odległością między nimi.
Mapa fazowa dla słonej wody. Narysowana na podstawie diagramu R. E. Dickersona (Uwaga 3)
Jak lód zaczyna zamarzać ze słonej wody, frakcja wody w roztworze staje się mniejsza i temperatura zamarzania spada dalej. Najniższa możliwa temperatura dla ciekłego roztworu soli wynosi -21,1°C. W tej temperaturze sól zaczyna krystalizować z roztworu (jako NaCl-2 H2O), wraz z lodem, aż do całkowitego zamarznięcia roztworu. Zamrożony roztwór jest mieszaniną oddzielnych kryształków NaCl-2H2O i kryształków lodu, a nie jednorodną mieszaniną soli i wody. Taka niejednorodna mieszanina nazywana jest mieszaniną eutektyczną.
Przypisy
- Zauważ, że po zakończeniu topnienia może minąć trochę czasu, zanim lód zacznie się ponownie tworzyć, nawet jeśli temperatura jest dość niska. Zanim lód zacznie naprawdę rosnąć, musi powstać „zalążkowy kryształ” lodu w wyniku przypadkowych zderzeń. Prawdziwe ciecze mogą istnieć przez jakiś czas poniżej swoich normalnych temperatur topnienia.
- Dla termodynamicznego wyjaśnienia spadku temperatury zamarzania, zobacz Jak spadek temperatury zamarzania może być wyjaśniony w kategoriach energii swobodnych?
- Schemat fazowy wody słonej jest oparty na rysunku 6-59, str. 376 w Molecular Thermodynamics R. E. Dickersona (Pasadena, California), 1969.
Autor: Fred Senese [email protected]