کاهش نقطه انجماد: وقتی ناخالصی، یخ زدن را به تأخیر میاندازد
کاهش نقطه انجماد چیست و چرا اتفاق میافتد؟
فرض کنید میخواهید در یک روز سرد زمستانی، یک لیوان آب را در فریزر قرار دهید. آب خالص در دمای 0 درجه سلسیوس منجمد میشود. اما اگر مقداری نمک یا شکر در آب بریزید و هم بزنید، مشاهده خواهید کرد که این مخلوط در دمایی پایینتر از 0 درجه منجمد میشود. به این پدیده کاهش نقطه انجماد میگویند.
علت این اتفاق به نظم و بینظمی (آنتروپی) مربوط میشود. مولکولهای آب خالص در هنگام انجماد، در یک ساختار منظم (شبکه کریستالی) قرار میگیرند. وقتی مادهای مانند نمک در آب حل میشود، یونهای آن بین مولکولهای آب پراکنده شده و نظم تشکیل شبکه را برهم میزنند. در نتیجه، برای وادار کردن سیستم به تشکیل این شبکه منظم (یخ زدن)، باید انرژی گرمایی بیشتری از آن گرفته شود، یعنی دما باید بیشتر پایین بیاید.
کاهش نقطه انجماد را چگونه اندازهگیری و محاسبه میکنیم؟
برای محاسبه عددی این کاهش، از رابطه سادهای استفاده میکنیم. میزان کاهش دمای انجماد با غلظت ماده حلشونده رابطه مستقیم دارد. این رابطه به صورت زیر بیان میشود:
در این فرمول:
• $\Delta T_f$: میزان کاهش نقطه انجماد (بر حسب درجه سلسیوس)
• $i$: فاکتور وانتهف5 (تعداد ذراتی که هر واحد از حلشونده در محلول ایجاد میکند. برای شکر $i=1$ و برای نمک طعام $i=2$)
• $K_f$: ثابت کاهش نقطه انجماد مولی (یک ثابت برای هر حلال. برای آب حدود $1.86 \frac{^\circ C}{m}$ است)
• $m$: مولالیته محلول (تعداد مولهای حلشونده در هر کیلوگرم حلال)
برای درک بهتر، جدول زیر اثر حل شدن مواد مختلف را در نقطه انجماد آب نشان میدهد.
| ماده حلشونده | ذرات تولید شده (i) | مولالیته تقریبی | کاهش نقطه انجماد (°C) | کاربرد مثال |
|---|---|---|---|---|
| شکر (ساکارز) | 1 | 0.5 m | ~0.93 | تهیه شربت و مربا |
| نمک طعام (NaCl) | 2 | 1 m | ~3.72 | ذوب یخ جادهها |
| کلرید کلسیم (CaCl2) | 3 | 1 m | ~5.58 | ضدیخ قوی برای جادهها |
| اتیلنگلیکول (ضدیخ) | 1 | 3 m | ~5.58 | محافظت از موتور خودرو |
از یخ جاده تا بستنی: کاربردهای کاهش نقطه انجماد در زندگی
این پدیده تنها یک مفهوم درسی نیست، بلکه بخشی از زندگی روزمره ماست. چند مثال ملموس:
ضدیخ خودرو: در زمستان، رادیاتور خودروها با مخلوط آب و ضدیخ (معمولاً اتیلنگلیکول) پر میشود. این ماده با کاهش نقطه انجماد آب، مانع از یخ زدن و ترکیدن لولههای رادیاتور در دمای زیر صفر میشود.
ذوب کردن یخ جادهها: پاشیدن نمک یا کلرید کلسیم روی جادههای یخزده، یک محلول آبنمک روی سطح یخ ایجاد میکند که نقطه انجماد پایینتری دارد. این باعث میشود یخ در دمای محیط (مثلاً -5 درجه) شروع به ذوب شدن کند و لایه لغزنده از بین برود.
تهیه بستنی: در روش سنتی، ظرف حاوی مخلوط شیر، شکر و خامه را داخل یک ظرف بزرگتر حاوی یخ و نمک قرار میدهند. نمک باعث کاهش نقطه انجماد آب میشود و مخلوط یخ و نمک میتواند به دمایی پایینتر از 0 درجه برسد. این سرمای شدید، مخلوط بستنی را به سرعت و به طور یکنواخت منجمد میکند و از تشکیل کریستالهای بزرگ یخ جلوگیری مینماید.
مربا و شربت غلیظ: شکر زیاد در مربا یا شربت، نه تنها برای شیرینکردن، بلکه برای جلوگیری از فاسد شدن نیز استفاده میشود. شکر با کاهش نقطه انجماد و همچنین کاهش فعالیت آبی، محیط را برای رشد میکروبها نامناسب میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1خواص کولیگاتیو (Colligative Properties): خواصی از محلولها که فقط به تعداد ذرات ماده حلشونده در حجم معینی از حلال بستگی دارد و نه به ماهیت شیمیایی آن ذرات. مانند کاهش نقطه انجماد، افزایش نقطه جوش، کاهش فشار بخار و فشار اسمزی.
2آنتروپی (Entropy): معیاری برای بینظمی یک سیستم. در این پدیده، حل شدن ماده، بینظمی سیستم را افزایش میدهد.
3ناخالصی نافرار (Non-volatile Solute): مادهای که در دمای معمولی به راحتی تبخیر نمیشود. برای مشاهده اثر کاهش نقطه انجماد، ماده حلشونده باید نافرار باشد.
4حلال (Solvent): جزء اصلی یک محلول که ماده دیگر در آن حل میشود. در این مقاله معمولاً حلال، آب است.
5فاکتور وانت هف (van 't Hoff factor) (i): عددی که نشان میدهد هر واحد از یک ماده حلشونده در محلول به چند ذره (مولکول یا یون) تبدیل میشود.
