Jak znaleźć temperaturę zamarzania roztworu: szczegółowe wyjaśnienia

Zapoznaj się z sekcją „Jak znaleźć punkt zamarzania roztworu” w naszym krótkim przewodniku. Zrozumienie podstawowych technik dokładnego określania temperatury zamarzania.

Jak znaleźć punkt zamarzania roztworu

Jak znaleźć punkt zamarzania rozwiązania: szczegółowe wyjaśnienia 1

W tym poście na blogu omówimy koncepcję znalezienia punktu zamarzania rozwiązania. Omówimy definicję temperatury zamarzania i znaczenie jej wyznaczania. Następnie zagłębimy się w różne metody obliczania temperatury zamarzania roztworu, w tym wzory i przykłady. Na koniec poruszymy kwestię związku między punktami wrzenia i zamarzania. Więc zacznijmy!

Definicja punktu zamarzania

Temperatura zamarzania roztworu to temperatura, w której roztwór przechodzi ze stanu ciekłego w stan stały. Jest to temperatura, w której cząsteczki roztworu tracą wystarczającą ilość energii, aby utworzyć stabilną, stałą strukturę. Temperatura krzepnięcia jest charakterystyczną właściwością substancji, na którą wpływa obecność substancji rozpuszczonych w roztworze.

Znaczenie określania temperatury zamarzania

Określenie temperatury zamarzania roztworu jest ważne z kilku powodów. Po pierwsze, pomaga nam zrozumieć zachowanie substancji podczas przechodzenia fazowego. Po drugie, ma to kluczowe znaczenie w różnych gałęziach przemysłu, np. spożywczym i farmaceutycznym, gdzie do kontroli jakości niezbędne są dokładne temperatury zamrażania. Dodatkowo temperatura zamarzania roztworu może dostarczyć cennych informacji na temat stężenia i czystości substancji rozpuszczonej.

Metody obliczania temperatury zamarzania roztworu

Korzystanie ze wzoru na znalezienie punktu zamarzania

Aby obliczyć temperaturę zamarzania roztworu, możemy skorzystać ze wzoru:

$\Delta T_f = K_f \cdot m$

gdzie:
- $\Delta T_f$ to obniżenie temperatury zamarzania (różnica między temperaturą zamarzania czystego rozpuszczalnika a temperaturą zamarzania roztworu),
- $K_f$ jest stałą krioskopową (właściwość rozpuszczalnika),
– (m) to molowość roztworu (liczba moli substancji rozpuszczonej na kilogram rozpuszczalnika).

Zobacz też Problemy z rozdzielczością mikroskopu a powiększeniem: kompleksowa analiza

Znając stałą krioskopową konkretnego rozpuszczalnika i molowość roztworu, możemy łatwo obliczyć obniżenie temperatury krzepnięcia.

Jak obliczyć temperaturę zamarzania roztworu wodnego

W przypadku roztworów wodnych należy wziąć pod uwagę dysocjację cząstek substancji rozpuszczonej. Kiedy związek jonowy lub mocny kwas lub zasada rozpuszcza się w wodzie, dysocjuje na pojedyncze jony. Ta dysocjacja wpływa na molowość roztworu, a w konsekwencji na obniżenie temperatury krzepnięcia.

Aby obliczyć temperaturę zamarzania roztworu wodnego, używamy równania:

$\Delta T_f = K_f \cdot m \cdot i$

gdzie (i) jest współczynnikiem van't Hoffa, który reprezentuje liczbę cząstek, na które dysocjuje cząsteczka substancji rozpuszczonej.

Jak obliczyć temperaturę zamarzania roztworu molowego

W niektórych przypadkach molalność roztworu może nie być podana bezpośrednio. Zamiast tego możemy otrzymać masę substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Aby obliczyć molalność w takich przypadkach, używamy wzoru:

$m = \frac{n_{solute}}{m_{rozpuszczalnik}}$

gdzie $n_{solute}$ jest liczbą moli substancji rozpuszczonej i $m_{rozpuszczalnik}$ jest masą rozpuszczalnika w kilogramach.

Praktyczne przykłady wyznaczania punktu zamarzania

Przeanalizujmy kilka praktycznych przykładów, aby ugruntować naszą wiedzę o tym, jak znaleźć punkt zamarzania rozwiązania.

Przykład znalezienia temperatury zamarzania roztworu wodnego

Załóżmy, że mamy roztwór, w którym znajduje się 25 gramów sacharozy $C_{12}H_{22}O_{11}$ rozpuszcza się w 500 gramach wody. Masa molowa sacharozy wynosi 342.3 g/mol. Chcemy znaleźć obniżenie punktu zamarzania tego rozwiązania.

Najpierw obliczamy liczbę moli sacharozy:

$n_{solute} = \frac{25 \, \text{g}}{342.3 \, \text{g/mol}} = 0.073 \, \text{mol}$

Następnie obliczamy molalność roztworu:

$m = \frac{0.073 \, \text{mol}}{0.5 \, \text{kg}} = 0.146 \, \text{mol/kg}$

Zakładając, że stała krioskopowa wody wynosi $1.86 \, \text{°C/mol/kg}$ , możemy teraz obliczyć obniżenie punktu zamarzania:

$\Delta T_f = (1.86 \, \text{°C/mol/kg}) \cdot (0.146 \, \text{mol/kg}) = 0.271 \, \text{°C}$

Dlatego temperatura zamarzania tego rozwiązania wynosi $0.271 \, \text{°C}$ niższa niż temperatura zamarzania czystej wody.

Przykład znalezienia punktu zamarzania substancji

Rozważmy inny scenariusz, w którym mamy 20 gramów nieznanej substancji rozpuszczonej w 100 gramach benzenu. Masa molowa nieznanej substancji wynosi 120 g/mol. Stała obniżenia temperatury zamarzania dla benzenu wynosi $5.12 \, \text{°C/mol/kg}$ .

Zobacz też Punkt rosy i punkt bąbelkowy: związek i szczegółowe fakty

Najpierw oblicz liczbę moli nieznanej substancji:

$n_{solute} = \frac{20 \, \text{g}}{120 \, \text{g/mol}} = 0.167 \, \text{mol}$

Następnie oblicz molalność roztworu:

$m = \frac{0.167 \, \text{mol}}{0.1 \, \text{kg}} = 1.67 \, \text{mol/kg}$

Używając stałej krioskopowej dla benzenu, możemy teraz określić obniżenie temperatury zamarzania:

$\Delta T_f = (5.12 \, \text{°C/mol/kg}) \cdot (1.67 \, \text{mol/kg}) = 8.54 \, \text{°C}$

Dlatego temperatura zamarzania tego rozwiązania wynosi $8.54 \, \text{°C}$ niższa niż temperatura zamarzania czystego benzenu.

Przykład znalezienia nowego punktu zamarzania roztworu

Rozważmy teraz sytuację, w której chcemy wyznaczyć nową temperaturę zamarzania roztworu po dodaniu określonej substancji rozpuszczonej. Załóżmy, że mamy 200 gramów wody i dodajemy 50 gramów soli $NaCl$ do tego. Masa molowa (NaCl) wynosi 58.44 g/mol.

Najpierw oblicz liczbę moli (NaCl):

$n_{solute} = \frac{50 \, \text{g}}{58.44 \, \text{g/mol}} = 0.857 \, \text{mol}$

Następnie oblicz molalność roztworu:

$m = \frac{0.857 \, \text{mol}}{0.2 \, \text{kg}} = 4.285 \, \text{mol/kg}$

Zakładając, że stała krioskopowa wody wynosi $1.86 \, \text{°C/mol/kg}$ , możemy obliczyć obniżenie punktu zamarzania:

$\Delta T_f = (1.86 \, \text{°C/mol/kg}) \cdot (4.285 \, \text{mol/kg}) = 7.97 \, \text{°C}$

Ponieważ temperatura zamarzania czystej wody wynosi $0 \, \text{°C}$ , będzie to nowa temperatura zamarzania roztworu $-7.97 \, \text{°C}$ .

Jak znaleźć temperaturę wrzenia i zamarzania roztworu

Definicja temperatury wrzenia

Temperatura wrzenia roztworu to temperatura, w której roztwór przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy. Jest to temperatura, w której prężność pary cieczy równa się ciśnieniu atmosferycznemu.

Zależność między temperaturą wrzenia i krzepnięcia

Temperatura wrzenia i temperatura zamarzania roztworu są ze sobą powiązane w specyficzny sposób. Zarówno obniżenie temperatury krzepnięcia, jak i podwyższenie temperatury wrzenia są właściwościami koligatywnymi, co oznacza, że zależą od stężenia cząstek substancji rozpuszczonej w roztworze. Dodanie cząstek substancji rozpuszczonej obniża temperaturę zamarzania roztworu, podnosi temperaturę wrzenia roztworu. Zależność ta jest wynikiem zakłócenia normalnych interakcji molekularnych rozpuszczalnika przez cząstki substancji rozpuszczonej.

Zobacz też Siła grawitacyjna: odkrywanie niewidzialnego przyciągania wszechświata

Przykład wyznaczania temperatury wrzenia i zamarzania roztworu

Rozważmy przykład, aby zrozumieć związek między temperaturą wrzenia i zamarzania. Załóżmy, że mamy roztwór, w którym znajduje się 10 gramów soli $NaCl$ rozpuszcza się w 200 gramach wody. Masa molowa (NaCl) wynosi 58.44 g/mol.

Najpierw oblicz liczbę moli (NaCl):

$n_{solute} = \frac{10 \, \text{g}}{58.44 \, \text{g/mol}} = 0.171 \, \text{mol}$

Następnie oblicz molalność roztworu:

$m = \frac{0.171 \, \text{mol}}{0.2 \, \text{kg}} = 0.855 \, \text{mol/kg}$

Zakładając, że stała krioskopowa wody wynosi $1.86 \, \text{°C/mol/kg}$ a stała ebulioskopowa dla wody wynosi $0.512 \, \text{°C/mol/kg}$ , możemy obliczyć obniżenie punktu zamarzania i podniesienie punktu wrzenia:

Obniżenie punktu zamarzania:

$\Delta T_f = (1.86 \, \text{°C/mol/kg}) \cdot (0.855 \, \text{mol/kg}) = 1.5898 \, \text{°C}$

Wysokość punktu wrzenia:

$\Delta T_b = (0.512 \, \text{°C/mol/kg}) \cdot (0.855 \, \text{mol/kg}) = 0.438 \, \text{°C}$

Dlatego temperatura zamarzania tego rozwiązania będzie $1.5898 \, \text{°C}$ niższa niż temperatura zamarzania czystej wody, podczas gdy temperatura wrzenia będzie $0.438 \, \text{°C}$ wyższy.

Na tym kończymy nasze badania nad znalezieniem punktu zamarzania rozwiązania. Omówiliśmy definicję temperatury zamarzania, znaczenie jej wyznaczania, różne metody obliczania temperatury zamarzania, a nawet poruszyliśmy kwestię związku pomiędzy temperaturą wrzenia i zamarzania. Mam nadzieję, że ten przewodnik zapewnił Ci solidne zrozumienie tego tematu!

Przeczytaj także:

Raghawi Aczarja

Nazywam się Raghavi Acharya, ukończyłem studia podyplomowe z fizyki ze specjalizacją z zakresu fizyki materii skondensowanej. Zawsze uważałem fizykę za wciągającą dziedzinę nauki i lubię poznawać różne dziedziny tego przedmiotu. W wolnym czasie zajmuję się sztuką cyfrową. Moje artykuły mają na celu przedstawienie czytelnikom pojęć fizyki w bardzo uproszczony sposób.