- En què consisteix el punt de congelació?
- Congelació vs solubilitat
- Com calcular?
- Equació de descens de la temperatura
- exemples
- aigua
- Alcohol
- llet
- mercuri
- gasolina
- referències
El punt de congelació és la temperatura a la qual una substància experimenta un equilibri de transició líquid-sòlid. Quan es parla de substància, aquesta pot ser un compost, element purs o una barreja. Teòricament, tota la matèria es congela a mesura que la temperatura disminueix fins al zero absolut (0K).
No obstant això, no calen temperatures extremes per observar la congelació dels líquids. Els icebergs són un dels exemples més evidents de masses d'aigua congelades. Així mateix, a l'fenomen se li pot fer seguiment en temps real mitjançant banys de nitrogen líquid, o emprant un simple congelador.
Font: Pxhere
Quina és la diferència entre congelació i solidificació? Que el primer procés és altament dependent de la temperatura, de la puresa de el líquid, i és un equilibri termodinàmic; mentre que el segon, es relaciona més a canvis en la composició química de la substància que es solidifica, tot i no ser de el tot líquida (una pasta).
Per tant, una congelació és una solidificació; però el contrari no sempre és cert. A més, per descartar el terme solidificació, ha d'haver una fase líquida en equilibri amb el sòlid de la mateixa substància; els icebergs compleixen amb això: suren sobre aigua líquida.
Així, s'està davant de la congelació d'un líquid quan es forma una fase sòlida com a conseqüència d'un descens de la temperatura. La pressió també influeix en aquesta propietat física, encara que els seus efectes són menors en líquids amb baixes pressions de vapor.
En què consisteix el punt de congelació?
A mesura que baixa la temperatura, l'energia cinètica mitjana de les molècules disminueix, i per tant, es alenteixen una mica. A l'anar més lentes en el líquid, arriba un punt on interactuen prou per formar un arranjament ordenat de molècula; aquest és el primer sòlid, de el qual creixeran cristalls més grans.
Si aquest primer sòlid es "trontolla" massa, llavors serà necessari disminuir encara més la temperatura fins que les seves molècules romanguin prou quietes. La temperatura a la qual s'arriba això correspon amb el punt de congelació; a partir d'allí, s'estableix l'equilibri líquid-sòlid.
L'escenari anterior esdevé per a substàncies pures; però, i si no ho són?
En aquest cas, les molècules del primer sòlid ha de arreglar-per incorporar a les molècules foranes. Com a resultat, es forma un sòlid impur (o solució sòlida), el qual necessita d'una temperatura més baixa que la de el punt de congelació per a la seva formació.
Es parla llavors de la davallada del punt de congelació. Mentre hi hagi més molècules foranes, o més correctament parlant, impureses, el líquid es congelarà a temperatures cada vegada menors.
Congelació vs solubilitat
Donada una barreja de dos compostos, A i B, a l'descendir la temperatura, A es congela, mentre que B roman líquid.
L'escenari és similar al que recentment explicat. Una part d'A encara no s'ha congelada, i està per tant dissolta en B. Es parla llavors de l'equilibri de solubilitat més que el d'una transició líquid-sòlid?
Les dues descripcions són vàlides: A precipita o es congela separant de B a l'descendir la temperatura. Tota A hi haurà precipitat quan ja no quedi res d'ell dissolt a B; el que és igual a dir que A s'haurà congelat del tot.
No obstant això, resulta més convenient tractar el fenomen des del punt de vista de la congelació. Així, A es congela primer per tenir un punt de congelació menor, mentre que B necessitarà de temperatures més fredes.
No obstant això, realment el "gel d'A" consisteix d'un sòlid que té una composició més rica d'A que de B; però B està allà també. Això es deu al fet que A + B es tracta d'una barreja homogènia, i per tant, part d'aquesta homogeneïtat es transfereix a l'sòlid congelat.
Com calcular?
Com es pot predir o calcular el punt de congelació d'una substància? Hi càlculs fisicoquímics que permeten obtenir un valor aproximat d'aquest punt sota altres pressions (diferents a 1atm, la pressió ambient).
No obstant això, aquests desemboquen en l'entalpia de fusió (Δ Fus); ja que, la fusió és el procés en sentit contrari de la congelació.
A més, experimentalment és més fàcil de determinar el punt de fusió d'una substància o barreja que el seu punt de congelació; encara que puguin semblar el mateix, mostren certes diferències.
Com es va esmentar en l'apartat anterior: a major concentració d'impureses, més gran serà el descens del punt de congelació. Això també pot dir-se de la següent forma: mentre més baix sigui la fracció molar X de l'sòlid en la barreja, congelarà a una menor temperatura.
Equació de descens de la temperatura
La següent equació expressa i resumeix tot el que s'ha dit:
Lnx = - (Δ Fuster / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)
On R és la constant dels gasos ideals, la qual té un ús gairebé universal. Tº és el punt de congelació normal (a pressió ambient), i T és la temperatura a la qual es congelarà el sòlid a una fracció molar X.
D'aquesta equació, i després d'una sèrie de simplificacions, s'obté la següent, més coneguda:
ΔTc = K F m (2)
On m és la molalitat de l'solut o impuresa, i K F és la constant crioscòpica de l'solvent o component líquid.
exemples
A continuació es donarà una breu descripció de la congelació d'algunes substàncies.
aigua
L'aigua es congela al voltant dels 0ºC. No obstant això, aquest valor pot minvar si conté un solut dissolt en ella; a dir, sal o sucre.
Depenent de la quantitat de solut dissolt, s'ha diferents molalidades m; i a l'augmentar m, disminueix X, el valor es pot substituir en l'equació (1) i així aclarir T.
Per exemple, si s'introdueix en un congelador un got amb aigua, i un altre amb aigua endolcida (o qualsevol beguda a força d'aigua), el got amb aigua es congelarà primer. Això es deu al fet que els seus cristalls es formen més ràpid sense la pertorbació de les molècules de glucosa, ions, o altres espècies.
El mateix passaria si es fiqués al congelador un got amb aigua de la mar. Ara bé, el got amb aigua de la mar pot o no congelar primer que el got amb aigua endolcida; la diferència dependrà de la quantitat de solut i no de la seva naturalesa química.
És per aquesta raó que el descens de Tc (temperatura de congelació) és una propietat col·ligativa.
Alcohol
Font: Pixabay
Els alcohols es congelen a temperatures més fredes que l'aigua líquida. Per exemple, l'etanol es congela al voltant dels -114ºC. Si es barreja amb aigua i altres ingredients, hi haurà a l'contrari un augment de el punt de congelació.
Per què? Perquè l'aigua, substància líquida i miscible amb l'alcohol, congela a una temperatura molt més gran (0ºC).
Tornant a la nevera amb els gots amb aigua, si aquesta vegada s'introdueix una amb una beguda alcohòlica, aquesta serà l'última a congelar-se. Mentre més gran sigui el grau etílic, el congelador ha de refredar encara més per congelar la beguda. És per aquesta raó que begudes com el tequila són més difícils de congelar.
llet
Font: Pixabay
La llet és una substància a força d'aigua, en la qual es troba dispersada el greix juntament amb lactosa i fosfats de calci, a més d'altres lipoproteïnes.
Aquells components més solubles en aigua són els que determinen què tant variarà el seu punt de congelació amb la composició.
De mitjana, la llet es congela a una temperatura al voltant dels -0.54ºC, però oscil·la entre -0.50 i -0.56 depenent de l'percentatge d'aigua. Així, es pot saber si la llet ha estat adulterada. I com es pot veure, un got amb llet es congelarà gairebé a l'una amb el got amb aigua.
No totes les llets congelen a la mateixa temperatura, ja que la seva composició també depèn de la seva font animal.
mercuri
El mercuri és l'únic metall que es troba en forma líquida a temperatura ambient. Per congelar-lo, és necessari disminuir la temperatura fins als -38.83ºC; i aquesta vegada s'evitarà la idea d'abocar en un got i introduir-lo en un congelador, ja que podria comportar terribles accidents.
Cal notar que el mercuri congela abans que l'alcohol. Això potser es degui al fet que el vidre de mercuri vibra menys a l'consistir d'àtoms enllaçats per enllaços metàl·lics; mentre que a l'etanol, són molècules de CH 3 CH 2 OH relativament lleugeres que han d'acomodar lentament.
gasolina
De tots els exemples de punt de congelació, el de la gasolina és el més complex. A l'igual que la llet, és una barreja; però la seva base no és l'aigua, sinó un grup de diversos hidrocarburs, cadascun amb les seves pròpies característiques estructurals. Alguns de molècules petites, i altres grans.
Aquells hidrocarburs amb menors pressions de vapor es congelaran primer; mentre que els altres romandran en estat líquid, fins i tot si un got de gasolina es veu envoltat amb nitrogen líquid. No es formarà pròpiament un "gel de gasolina", sinó un gel amb tonalitats grogues-verdoses.
Per congelar la gasolina completament, potser calgui refredar la temperatura fins als -200ºC. A aquesta temperatura és probable que sí es formi el gel de gasolina, ja que tots els components de la mescla s'hauran congelat; és a dir, ja no hi haurà una fase líquida en equilibri amb un sòlid.
referències
- Department of Physics, University of Illinois at Urbana-Champaign. (2018). Q & A: Gasoline freezing. Recuperat de: van.physics.illinois.edu
- Ira N. Levine. (2014). Principis de fisicoquímica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
- Glasstone. (1970). Tractat de fisicoquímica. Aguilar SA d'Edicions, Juan Bravo, 38, Madrid (Espanya).
- Walter J. Moore. (1962). Physical Chemistry. (Quarta edició). Longmans.
- Sibagropribor. (2015). Determination of the Freezing Point of Milk. Recuperat de: sibagropribor.ru
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de juny del 2018). Freezing Point of Alcohol. Recuperat de: thoughtco.com