$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Depresja temperatury zamarzania to zjawisko, które obserwuje się, gdy temperatura zamarzania roztworu jest niższa niż temperatura zamarzania czystego rozpuszczalnika.
Zjawisko to wynika z oddziaływań między cząsteczkami substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Różnica temperatur zamarzania jest wprost proporcjonalna do liczby cząstek substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku.
Masę molową nielotnej substancji rozpuszczonej można obliczyć na podstawie różnicy temperatur zamarzania, jeżeli znane są masy rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej w roztworze.
W tym filmie przedstawimy związek między obniżeniem temperatury zamarzania a masą molową substancji rozpuszczonej, procedurę określania masy molowej nieznanej substancji rozpuszczonej oraz niektóre rzeczywiste zastosowania wywoływania i obserwowania zmian temperatury zamarzania.
Obniżenie temperatury zamarzania jest właściwością koligatywną, co oznacza, że wpływa na nią tylko stosunek substancji rozpuszczonej do cząstek rozpuszczalnika, a nie ich tożsamość.
W temperaturze zamarzania czystej substancji szybkość topnienia i zamarzania jest równa.
Gdy roztwór jest schładzany do temperatury zamarzania rozpuszczalnika, cząsteczki rozpuszczalnika zaczynają tworzyć ciało stałe. Mniej korzystne energetycznie jest tworzenie mieszanej sieci cząstek rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Cząstki substancji rozpuszczonej pozostają w fazie roztworu. Tylko interakcje rozpuszczalnik-rozpuszczalnik przyczyniają się do tworzenia sieci, więc interakcje rozpuszczalnik-substancja rozpuszczona zmniejszają szybkość zamarzania w porównaniu z czystym rozpuszczalnikiem.
Temperatura, w której rozpoczyna się zamarzanie, jest temperaturą zamarzania roztworu. Roztwór kontynuuje chłodzenie w miarę zamarzania, ale ten ciągły spadek temperatury odzwierciedla rosnące stężenie substancji rozpuszczonej w fazie roztworu.
W końcu temperatura roztworu jest tak niska, a w fazie ciekłej pozostaje tak mało rozpuszczalnika, że staje się to korzystne dla tworzenia sieci przez cząstki substancji rozpuszczonej. Po osiągnięciu tego punktu temperatura pozostaje w przybliżeniu stała, dopóki mieszanina nie zamarznie w stanie stałym.
Masę molową substancji rozpuszczonej, a tym samym identyfikację substancji rozpuszczonej, można określić na podstawie zależności między temperaturą zamarzania czystego rozpuszczalnika, temperaturą zamarzania roztworu i molalnością roztworu. Molalność lub m jest miarą stężenia substancji rozpuszczonej w molach na kilogram rozpuszczalnika. Zależność ta zależy od stałej obniżenia temperatury zamarzania rozpuszczalnika i liczby cząstek substancji rozpuszczonej wytwarzanych na jednostkę formuły, która się rozpuszcza.
Molalność można wyrazić w kategoriach masy molowej, więc równanie można przegrupować, aby rozwiązać masę molową substancji rozpuszczonej. Włączenie tego do równania punktu zamarzania pozwala na wyjaśnienie masy molowej, gdy znana jest różnica temperatur. Teraz, gdy rozumiesz zjawisko obniżenia temperatury zamarzania, przejdźmy przez procedurę określania masy molowej nieznanej substancji rozpuszczonej na podstawie temperatur punktu zamarzania. Substancja rozpuszczona jest niejonową, nielotną cząsteczką organiczną, która wytwarza jedną cząstkę na rozpuszczoną jednostkę formuły, a rozpuszczalnikiem jest cykloheksan.
Aby rozpocząć ten eksperyment, podłącz sondę temperatury do komputera w celu zebrania danych. Włożyć sondę temperatury i mieszadło do pojemnika na próbkę.
Ustaw czas zbierania danych i szybkość próbkowania. Podczas zbierania danych należy odczekać wystarczająco dużo czasu, aby próbka zamarzła.
Ustaw górną i dolną granicę zakresu temperatur do pobrania.
Dodaj 12 ml cykloheksanu do czystej, suchej probówki. Przetrzyj sondę temperatury chusteczką Kimwipe. Włóż zespół korka do probówki tak, aby końcówka sondy temperatury była wyśrodkowana w cieczy i nie dotykała boków ani dna.
W zlewce przygotuj lodowatą kąpiel wodną. Następnie rozpocznij zbieranie danych o temperaturze.
Umieść probówkę w lodowatej łaźni wodnej, upewniając się, że poziom cieczy w probówce znajduje się poniżej powierzchni. Ciągle mieszaj płyn ze stałą szybkością.
Gdy rozpocznie się zamarzanie, pozwól na kontynuowanie zbierania danych, aż wykres wyrówna się przy stałej temperaturze. Jest to temperatura zamarzania czystego cykloheksanu. Wyjmij probówkę z lodowatej łaźni wodnej i pozwól jej ogrzać się do temperatury pokojowej.
Po stopieniu się cykloheksanu dokładnie zważyć nieznaną substancję stałą na bibułce wagowej. Wyjmij korek z probówki i dodaj ciało stałe. Nie pozwól, aby związek przylegał do probówki.
Wymienić korek i mieszać roztwór, aż ciało stałe całkowicie się rozpuści. Ważne jest, aby nie pozostały żadne stałe kryształy.
Ustaw parametry zbierania danych i przygotuj słodką kąpiel w lodowatej wodzie. Rozpocznij zbieranie, umieść probówkę w kąpieli i mieszaj ciągle ze stałą szybkością. Po rozpoczęciu zamrażania temperatura zamarzania nadal spada z powodu rosnącego stężenia substancji rozpuszczonej. Kontynuuj zbieranie danych, aż nachylenie tego spadku będzie widoczne. Po zakończeniu eksperymentu pozwól, aby roztwór nieznanego związku ogrzał się do temperatury pokojowej, a następnie zutylizuj go zgodnie z procedurami dotyczącymi odpadów organicznych.
W tym eksperymencie wiadomo, że nieznana substancja jest jednym z pięciu możliwych związków: bifenylu, bromochlorobenzenu, naftalenu, antracenu i dibromobenzenu. Tożsamość nieznanego można określić, porównując jego masę molową z tymi znanymi substancjami.
Nieznana substancja rozpuszczona wytwarza jedną cząstkę na rozpuszczoną jednostkę wzoru. Aby obliczyć masę molową nieznanego związku, potrzebna jest stała depresji punktu zamarzania cykloheksanu, masa użytej substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika oraz różnica temperatur zamarzania.
W tym przykładzie użyto
0,147 g nieznanej substancji rozpuszczonej. Stała depresji punktu zamarzania cykloheksanu wynosi 20,2 ? C-kg na mol substancji rozpuszczonej. Gęstość i objętość cykloheksanu wykorzystuje się do obliczenia masy rozpuszczalnika.
Wartości temperatury zamarzania czystego rozpuszczalnika i temperatury zamarzania roztworu określa się na podstawie wykresów.
Jeśli wiadomo, że związek jest jednym z kilku możliwych związków, tak jak w tym doświadczeniu, masę molową można po prostu porównać z tymi związkami. Spośród pięciu opcji przewidzianych w tym eksperymencie, naftalen jest najbliższym dopasowaniem.
Zjawisko obniżenia temperatury krzepnięcia ma wiele zastosowań zarówno w laboratorium, jak i poza nim.
Chlorek wapnia jest preferowany niż chlorek sodu do leczenia oblodzonych dróg ze względu na skutki obniżenia temperatury zamarzania. Ponieważ chlorek wapnia uwalnia o jedną cząsteczkę więcej niż chlorek sodu, jeszcze bardziej obniża temperaturę zamarzania wody, a tym samym topi lód w niższych temperaturach.
W tym badaniu przeprowadzono eksperyment topnienia z dwiema różnymi mieszaninami żelaza i siarki. Próbka o wyższym udziale masowym siarki była całkowicie płynna w temperaturze eksperymentu, podczas gdy próbka o mniejszej zawartości siarki była nadal częściowo stała. Świadczy to o tym, że przy zwiększonej ilości zanieczyszczeń, w tym przypadku siarki, obserwowana temperatura topnienia jest niższa niż w przypadku czystego ciała stałego. W tym przypadku różnice w temperaturze topnienia między dwiema próbkami dają wgląd w formowanie się jądra Ziemi.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do używania depresji punktu zamarzania do określenia tożsamości nieznanego związku. Powinieneś teraz zrozumieć zjawisko obniżenia temperatury zamarzania, związek między obniżeniem temperatury zamarzania a masą molową substancji rozpuszczonej oraz dlaczego zjawisko to jest przydatne w różnych gałęziach przemysłu.
Dzięki za oglądanie!
