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La depressione del punto di congelamento è il fenomeno che si osserva quando il punto di congelamento di una soluzione è inferiore a quello del solvente puro.
Questo fenomeno deriva dalle interazioni tra le molecole di soluto e solvente. La differenza nelle temperature di congelamento è direttamente proporzionale al numero di particelle di soluto disciolte nel solvente.
La massa molare di un soluto non volatile può essere calcolata dalla differenza di temperature di congelamento se le masse del solvente e del soluto nella soluzione sono note.
Questo video introdurrà la relazione tra la depressione del punto di congelamento e la massa molare del soluto, una procedura per determinare la massa molare di un soluto sconosciuto e alcune applicazioni del mondo reale per indurre e osservare i cambiamenti nella temperatura di congelamento.
La depressione del punto di congelamento è una proprietà colligativa, il che significa che è influenzata solo dal rapporto tra particelle di soluto e solvente, e non dalla loro identità.
Al punto di congelamento di una sostanza pura, i tassi di fusione e congelamento sono uguali.
Quando una soluzione viene raffreddata fino al punto di congelamento del suo solvente, le molecole del solvente iniziano a formare un solido. È meno favorevole dal punto di vista energetico formare un reticolo misto di particelle di solvente e soluto. Le particelle di soluto rimangono nella fase di soluzione. Solo le interazioni solvente-solvente contribuiscono alla formazione del reticolo, quindi le interazioni solvente-soluto riducono il tasso di congelamento rispetto a quello del solvente puro.
La temperatura alla quale inizia il congelamento è il punto di congelamento della soluzione. La soluzione continua a raffreddarsi mentre si congela, ma questa continua diminuzione della temperatura riflette l'aumento della concentrazione di soluto nella fase di soluzione.
Alla fine, la temperatura della soluzione è così bassa e rimane così poco solvente nella fase liquida che diventa favorevole per le particelle di soluto formare un reticolo. Una volta raggiunto questo punto, la temperatura rimane approssimativamente costante fino a quando la miscela non si è congelata.
La massa molare del soluto, e quindi l'identificazione del soluto, può essere determinata dalla relazione tra il punto di congelamento del solvente puro, il punto di congelamento della soluzione e la molalità della soluzione. La molalità, o m, è una misura della concentrazione in moli del soluto per chilogrammo di solvente. Questa relazione dipende dalla costante di depressione del punto di congelamento del solvente e dal numero di particelle di soluto prodotte per unità di formula che si dissolve.
La molalità può essere espressa in termini di massa molare, quindi l'equazione può essere riarrangiata per risolvere la massa molare del soluto. Inserendo questo nell'equazione del punto di congelamento si ottiene la delucidazione della massa molare, una volta nota la differenza di temperatura. Ora che hai compreso il fenomeno della depressione del punto di congelamento, esaminiamo una procedura per determinare la massa molare di un soluto sconosciuto dalle temperature del punto di congelamento. Il soluto è una molecola organica non ionica e non volatile che produce una particella per unità di formula disciolta e il solvente è il cicloesano.
Per iniziare questo esperimento, collegare la sonda di temperatura al computer per la raccolta dei dati. Inserire la sonda di temperatura e un agitatore nel contenitore del campione.
Impostare la durata della raccolta dei dati e la frequenza di campionamento. Attendere un tempo sufficiente nella raccolta dei dati per il congelamento del campione.
Impostare i limiti superiore e inferiore dell'intervallo di temperatura da campionare.
Aggiungere 12 ml di cicloesano in una provetta pulita e asciutta. Pulire la sonda di temperatura con un Kimwipe. Inserire il gruppo tappo nella provetta in modo che la punta della sonda di temperatura sia centrata nel liquido e non tocchi i lati o il fondo.
In un bicchiere, preparare un bagno di acqua ghiacciata. Quindi, avviare la raccolta dei dati sulla temperatura.
Posizionare la provetta nel bagnomaria con acqua ghiacciata, assicurandosi che il livello del liquido nella provetta sia al di sotto della superficie. Mescolare continuamente il liquido a una velocità costante.
Una volta iniziato il congelamento, lasciare che la raccolta dei dati continui fino a quando il grafico non si sarà stabilizzato a una temperatura costante. Questo è il punto di congelamento del cicloesano puro. Togliere la provetta dal bagnomaria ghiacciato e lasciarla riscaldare a temperatura ambiente.
Una volta che il cicloesano si è sciolto, pesare accuratamente il materiale solido sconosciuto su carta da pesare. Togliere il tappo dalla provetta e aggiungere il solido. Evitare che il composto aderisca alla provetta.
Riposizionare il tappo e mescolare la soluzione fino a quando il solido non è completamente sciolto. È importante che non rimangano cristalli solidi.
Impostare i parametri per la raccolta dei dati e preparare un bagnomaria con acqua ghiacciata fresca. Iniziare la raccolta, mettere la provetta nella vasca da bagno e mescolare continuamente a velocità costante. Una volta iniziato il congelamento, il punto di congelamento continua a diminuire a causa dell'aumento della concentrazione di soluto. Continuare a raccogliere dati fino a quando la pendenza di questa diminuzione non è evidente. Al termine dell'esperimento, lasciare che la soluzione del composto sconosciuto si riscaldi a temperatura ambiente e poi smaltirla secondo le procedure previste per i rifiuti organici.
In questo esperimento, la sostanza sconosciuta è nota per essere uno dei cinque possibili composti: bifenile, bromoclorobenzene, naftalene, antracene e dibromobenzene. L'identità dell'ignoto può essere determinata confrontando la sua massa molare con queste sostanze note.
Il soluto sconosciuto produce una particella per unità di formula disciolta. Per calcolare la massa molare del composto sconosciuto, sono necessari la costante di depressione del punto di congelamento del cicloesano, la massa del soluto e del solvente utilizzati e la differenza nelle temperature di congelamento.
In questo esempio sono stati utilizzati 0,147 g del soluto sconosciuto. La costante di depressione del punto di congelamento del cicloesano è 20,2 ? C-kg per mol di soluto. La densità e il volume del cicloesano vengono utilizzati per calcolare la massa del solvente.
I valori del punto di congelamento del solvente puro e del punto di congelamento della soluzione sono determinati dalle particelle.
Se si sa che il composto è uno dei pochi composti possibili, come in questo esperimento, la massa molare può essere semplicemente confrontata con quei composti. Delle cinque opzioni fornite per questo esperimento, il naftalene è la corrispondenza più vicina.
Il fenomeno della depressione del punto di congelamento ha molte applicazioni sia all'interno che all'esterno del laboratorio.
Il cloruro di calcio è preferito al cloruro di sodio per il trattamento delle strade ghiacciate a causa degli effetti della depressione del punto di congelamento. Poiché il cloruro di calcio rilascia una particella in più rispetto al cloruro di sodio, deprime ulteriormente il punto di congelamento dell'acqua e quindi scioglie il ghiaccio a temperature più basse.
In questo studio, è stato condotto un esperimento di fusione con due diverse miscele ferro-zolfo. Il campione con la frazione di massa più alta di zolfo era completamente liquido alla temperatura dell'esperimento, mentre il campione con meno zolfo era ancora parzialmente solido. Ciò dimostra che con l'aumento delle impurità, in questo caso lo zolfo, il punto di fusione osservato è inferiore a quello del solido puro. Qui, le differenze del punto di fusione tra i due campioni forniscono informazioni sulla formazione del nucleo terrestre.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'uso della depressione del punto di congelamento per determinare l'identità di un composto sconosciuto. A questo punto è necessario comprendere il fenomeno della depressione del punto di congelamento, la relazione tra la depressione del punto di congelamento e la massa molare del soluto e perché il fenomeno è utile per una varietà di settori.
Grazie per l'attenzione!
