Das Gefrierpunkt ist die Temperatur, bei der eine Substanz ein Flüssig-Fest-Übergangsgleichgewicht erfährt. Wenn es sich um eine Substanz handelt, kann es sich um eine Verbindung, ein reines Element oder eine Mischung handeln. Theoretisch gefriert alle Materie, wenn die Temperatur auf den absoluten Nullpunkt (0 K) fällt..
Es sind jedoch keine extremen Temperaturen erforderlich, um das Einfrieren von Flüssigkeiten zu beobachten. Eisberge sind eines der offensichtlichsten Beispiele für gefrorene Gewässer. Ebenso kann das Phänomen in Echtzeit unter Verwendung von Flüssigstickstoffbädern oder unter Verwendung eines einfachen Gefrierschranks überwacht werden..
Was ist der Unterschied zwischen Einfrieren und Erstarren? Dass der erste Prozess stark von der Temperatur und der Reinheit der Flüssigkeit abhängt und ein thermodynamisches Gleichgewicht darstellt; während die zweite eher mit Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Substanz zusammenhängt, die sich verfestigt, auch ohne vollständig flüssig zu sein (eine Paste).
Ein Einfrieren ist daher eine Verfestigung; aber das Gegenteil ist nicht immer der Fall. Um den Begriff Verfestigung zu verwerfen, muss sich außerdem eine flüssige Phase im Gleichgewicht mit dem Feststoff derselben Substanz befinden. Eisberge tun dies: Sie schwimmen auf flüssigem Wasser.
Somit steht man vor dem Einfrieren einer Flüssigkeit, wenn sich infolge eines Temperaturabfalls eine feste Phase bildet. Der Druck beeinflusst auch diese physikalische Eigenschaft, obwohl seine Auswirkungen in Flüssigkeiten mit niedrigem Dampfdruck geringer sind..
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Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle ab und sie verlangsamen sich daher etwas. Wenn Sie in der Flüssigkeit langsamer werden, kommt ein Punkt, an dem sie genug interagieren, um eine geordnete Anordnung des Moleküls zu bilden. Dies ist der erste Feststoff, aus dem größere Kristalle wachsen.
Wenn dieser erste Feststoff zu stark "wackelt", muss die Temperatur noch weiter gesenkt werden, bis seine Moleküle noch ausreichend sind. Die Temperatur, bei der dies erreicht wird, entspricht dem Gefrierpunkt; Von dort aus stellt sich das Flüssig-Fest-Gleichgewicht ein.
Das obige Szenario tritt für reine Substanzen auf; aber was ist, wenn sie nicht sind?
In diesem Fall müssen die Moleküle des ersten Feststoffs die Fremdmoleküle einbauen. Als Ergebnis wird ein unreiner Feststoff (oder eine feste Lösung) gebildet, für deren Bildung eine Temperatur erforderlich ist, die unter dem Gefrierpunkt liegt..
Es wird dann davon gesprochen Gefrierpunktabfall. Da es mehr Fremdmoleküle oder genauer gesagt Verunreinigungen gibt, gefriert die Flüssigkeit bei immer niedrigeren Temperaturen..
Bei einer Mischung aus zwei Verbindungen, A und B, gefriert A bei sinkender Temperatur, während B flüssig bleibt.
Das Szenario ähnelt dem, was gerade erklärt wurde. Ein Teil von A ist noch nicht gefroren und wird daher in B gelöst. Handelt es sich dann eher um das Löslichkeitsgleichgewicht als um einen Flüssig-Fest-Übergang??
Beide Beschreibungen sind gültig: A fällt aus oder gefriert und trennt sich von B, wenn die Temperatur sinkt. Alles A wird ausgefällt sein, wenn nichts mehr in B gelöst ist; Das ist das gleiche wie zu sagen, dass A vollständig eingefroren sein wird.
Es ist jedoch bequemer, das Phänomen unter dem Gesichtspunkt des Einfrierens zu behandeln. Daher gefriert A zuerst, weil es einen niedrigeren Gefrierpunkt hat, während B kältere Temperaturen benötigt..
Das "Eis von A" besteht jedoch tatsächlich aus einem Feststoff, der eine reichere Zusammensetzung von A als B aufweist; aber B ist auch da. Dies liegt daran, dass A + B eine homogene Mischung ist und daher ein Teil dieser Homogenität auf den gefrorenen Feststoff übertragen wird..
Wie können Sie den Gefrierpunkt eines Stoffes vorhersagen oder berechnen? Es gibt physikalisch-chemische Berechnungen, die es ermöglichen, einen ungefähren Wert dieses Punktes unter anderen Drücken (außer 1 atm, Umgebungsdruck) zu erhalten..
Diese führen jedoch zur Fusionsenthalpie (ΔFus); da die Fusion der Prozess in der entgegengesetzten Richtung des Gefrierens ist.
Darüber hinaus ist es experimentell einfacher, den Schmelzpunkt einer Substanz oder eines Gemisches als seinen Gefrierpunkt zu bestimmen; Obwohl sie gleich erscheinen mögen, zeigen sie gewisse Unterschiede.
Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt: Je höher die Konzentration der Verunreinigungen ist, desto größer ist der Abfall des Gefrierpunkts. Dies kann auch wie folgt gesagt werden: Je niedriger der Molenbruch X des Feststoffs in der Mischung ist, desto niedriger ist die Temperatur, bei der er gefriert..
Die folgende Gleichung drückt alles aus und fasst alles zusammen, was gesagt wurde:
LnX = - (ΔFus/ R) (1 / T - 1 / Tº) (1)
Wobei R die ideale Gaskonstante ist, die nahezu universell einsetzbar ist. Tº ist der normale Gefrierpunkt (bei Umgebungsdruck) und T ist die Temperatur, bei der der Feststoff auf einen Molenbruch X gefriert.
Aus dieser Gleichung und nach einer Reihe von Vereinfachungen wird das Folgende, besser bekannt, erhalten:
ΔTc = K.F.m (2)
Wobei m die Molalität des gelösten Stoffes oder der Verunreinigung ist und K.F. ist die kryoskopische Konstante des Lösungsmittels oder der flüssigen Komponente.
Eine kurze Beschreibung des Einfrierens einiger Substanzen wird unten gegeben.
Wasser gefriert um 0ºC. Dieser Wert kann jedoch abnehmen, wenn er einen darin gelösten gelösten Stoff enthält. sagen wir Salz oder Zucker.
Abhängig von der Menge des gelösten gelösten Stoffes gibt es unterschiedliche Molalitäten m; und wenn m zunimmt, nimmt X ab, dessen Wert in Gleichung (1) eingesetzt werden kann und somit nach T auflöst.
Wenn Sie beispielsweise ein Glas Wasser in einen Gefrierschrank und ein anderes mit gesüßtem Wasser (oder einem Getränk auf Wasserbasis) stellen, gefriert das Glas Wasser zuerst. Dies liegt daran, dass sich seine Kristalle schneller bilden, ohne dass Glucosemoleküle, Ionen oder andere Spezies gestört werden..
Das gleiche würde passieren, wenn Sie ein Glas Meerwasser in den Gefrierschrank stellen. Nun kann das Glas Meerwasser zuerst gefroren werden oder nicht als das Glas gesüßtes Wasser; Der Unterschied hängt von der Menge des gelösten Stoffes ab und nicht von seiner chemischen Natur.
Aus diesem Grund ist die Abnahme von Tc (Gefriertemperatur) eine kolligative Eigenschaft.
Alkohole gefrieren bei kälteren Temperaturen als flüssiges Wasser. Beispielsweise gefriert Ethanol bei -114 ° C. Wenn es mit Wasser und anderen Zutaten gemischt wird, erhöht sich der Gefrierpunkt..
Warum? Weil Wasser, eine mit Alkohol mischbare flüssige Substanz, bei einer viel höheren Temperatur (0 ° C) gefriert.
Zurück zum Kühlschrank mit den Gläsern mit Wasser. Wenn diesmal eines mit einem alkoholischen Getränk eingeführt wird, friert dies als letztes ein. Je höher der Ethylgehalt, desto mehr muss der Gefrierschrank abkühlen, um das Getränk einzufrieren. Aus diesem Grund sind Getränke wie Tequila schwieriger einzufrieren..
Milch ist eine Substanz auf Wasserbasis, in der neben anderen Lipoproteinen auch Fett zusammen mit Laktose und Calciumphosphaten dispergiert ist..
Diejenigen Komponenten, die wasserlöslicher sind, bestimmen, wie stark ihr Gefrierpunkt mit der Zusammensetzung variiert..
Im Durchschnitt gefriert Milch bei einer Temperatur um -0,54 ° C, die jedoch je nach Wasseranteil zwischen -0,50 und -0,56 ° C liegt. Somit ist es möglich zu wissen, ob die Milch verfälscht wurde. Und wie Sie sehen können, gefriert ein Glas Milch fast auf dem Niveau eines Glases Wasser..
Nicht jede Milch gefriert bei der gleichen Temperatur, da ihre Zusammensetzung auch von ihrer tierischen Quelle abhängt.
Quecksilber ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt. Um es einzufrieren, muss die Temperatur auf -38,83 ° C gesenkt werden. und diesmal wird die Idee, es in ein Glas zu gießen und in einen Gefrierschrank zu stellen, vermieden, da dies zu schrecklichen Unfällen führen könnte.
Beachten Sie, dass Quecksilber vor Alkohol gefriert. Dies kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass der Quecksilberkristall weniger vibriert, da er aus Atomen besteht, die durch metallische Bindungen verbunden sind. In Ethanol hingegen handelt es sich um CH-Moleküle3CHzweiRelativ leichtes OH, das sich langsam absetzen muss.
Von allen Beispielen für den Gefrierpunkt ist Benzin das komplexeste. Wie Milch ist es eine Mischung; Seine Basis ist jedoch nicht Wasser, sondern eine Gruppe verschiedener Kohlenwasserstoffe mit jeweils eigenen strukturellen Eigenschaften. Einige kleine Moleküle, andere große.
Diese Kohlenwasserstoffe mit niedrigeren Dampfdrücken gefrieren zuerst; während die anderen in flüssigem Zustand bleiben, selbst wenn ein Glas Benzin von flüssigem Stickstoff umgeben ist. Es bildet sich nicht richtig ein „Benzineis“, sondern ein Gel mit gelbgrünen Farbtönen.
Um Benzin vollständig einzufrieren, muss die Temperatur möglicherweise auf -200 ° C abgekühlt werden. Bei dieser Temperatur ist es wahrscheinlich, dass sich Benzineis bildet, da alle Bestandteile der Mischung gefroren sind; Das heißt, es befindet sich keine flüssige Phase mehr im Gleichgewicht mit einem Feststoff.
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