نقطة التجمد: كيفية حسابها وأمثلة - كيمياء - 2026

و نقطة التجمد هي درجة الحرارة التي مادة الخبرات توازن الانتقال السائل الصلبة. عندما يتعلق الأمر بالجوهر ، يمكن أن يكون مركبًا أو عنصرًا نقيًا أو خليطًا. من الناحية النظرية ، تتجمد كل المادة مع انخفاض درجة الحرارة إلى الصفر المطلق (0 ك).

ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة القصوى ليست ضرورية لمراقبة تجميد السوائل. تعتبر الجبال الجليدية من أوضح الأمثلة على المسطحات المائية المتجمدة. وبالمثل ، يمكن تتبع هذه الظاهرة في الوقت الفعلي باستخدام حمامات النيتروجين السائل ، أو باستخدام ثلاجة بسيطة.

المصدر: Pxhere

ما هو الفرق بين التجميد والتصلب؟ أن العملية الأولى تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة ، وعلى نقاء السائل ، وهي عبارة عن توازن ديناميكي حراري ؛ بينما يرتبط الثاني أكثر بالتغيرات في التركيب الكيميائي للمادة التي تتصلب ، حتى بدون أن تكون سائلة تمامًا (عجينة).

لذلك ، فإن التجميد هو تصلب. لكن العكس ليس صحيحًا دائمًا. علاوة على ذلك ، لاستبعاد مصطلح التصلب ، يجب أن يكون هناك طور سائل في حالة توازن مع المادة الصلبة من نفس المادة ؛ تفعل الجبال الجليدية هذا: فهي تطفو على الماء السائل.

وبالتالي ، يواجه المرء تجمد سائل عندما تتشكل الطور الصلب نتيجة لانخفاض درجة الحرارة. يؤثر الضغط أيضًا على هذه الخاصية الفيزيائية ، على الرغم من أن تأثيره يكون أقل في السوائل ذات ضغط البخار المنخفض.

ما هي نقطة التجمد؟

مع انخفاض درجة الحرارة ، ينخفض ​​متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات ، وبالتالي تتباطأ قليلاً. عندما تتباطأ في السائل ، تأتي نقطة حيث تتفاعل بشكل كافٍ لتشكيل ترتيب مرتب للجزيئات ؛ هذه هي المادة الصلبة الأولى التي تنمو منها بلورات أكبر.

إذا "اهتزت" المادة الصلبة الأولى كثيرًا ، فسيكون من الضروري خفض درجة الحرارة بدرجة أكبر حتى تظل جزيئاتها كافية. درجة الحرارة التي يتم تحقيق ذلك عندها تتوافق مع نقطة التجمد ؛ من هناك ، يتم إنشاء التوازن السائل الصلب.

السيناريو السابق يحدث للمواد النقية. ولكن ماذا لو لم يكونوا كذلك؟

في هذه الحالة ، يجب أن تتمكن جزيئات المادة الصلبة الأولى من دمج الجزيئات الأجنبية. نتيجة لذلك ، يتم تكوين مادة صلبة غير نقية (أو محلول صلب) ، مما يتطلب درجة حرارة أقل من نقطة التجمد لتكوينها.

ثم نتحدث عن انخفاض درجة التجمد. نظرًا لوجود المزيد من الجزيئات الأجنبية ، أو بشكل صحيح ، الشوائب ، فإن السائل سوف يتجمد عند درجات حرارة منخفضة ومنخفضة.

التجميد مقابل الذوبان

بمزيج من مركبين ، A و B ، مع انخفاض درجة الحرارة ، يتجمد A ، بينما يبقى B سائلاً.

السيناريو مشابه لما تم شرحه للتو. لم يتم تجميد جزء من A بعد ، وبالتالي تم إذابته في B. فهل إذن هو توازن الذوبان الذي نتحدث عنه بدلاً من الانتقال بين السائل والصلب؟

كلا الوصفين صالحين: يترسب A أو يتجمد ، ويفصل عن B مع انخفاض درجة الحرارة. سوف يترسب كل A عندما لا يكون هناك أي منها مذاب في B ؛ وهو نفس القول بأن A سوف يتجمد تمامًا.

ومع ذلك ، فمن الأنسب معالجة هذه الظاهرة من وجهة نظر التجميد. وبالتالي ، يتجمد A أولاً لأنه يحتوي على نقطة تجمد أقل ، بينما يحتاج B إلى درجات حرارة أكثر برودة.

ومع ذلك ، فإن "جليد A" يتكون فعليًا من مادة صلبة لها تركيبة أغنى من A من B ؛ لكن B هناك أيضًا. هذا لأن A + B عبارة عن خليط متجانس ، وبالتالي يتم نقل بعض هذا التجانس إلى المادة الصلبة المجمدة.

كيف تحسبها؟

كيف يمكنك توقع أو حساب درجة تجمد مادة ما؟ هناك حسابات فيزيائية كيميائية تسمح بالحصول على قيمة تقريبية لهذه النقطة تحت ضغوط أخرى (بخلاف الضغط المحيط 1 ضغط جوي).

ومع ذلك ، فإن هذه تؤدي إلى المحتوى الحراري للانصهار (_Fus) ؛ منذ ذلك الحين ، الاندماج هو العملية بالمعنى المعاكس للتجميد.

علاوة على ذلك ، من الأسهل من الناحية التجريبية تحديد درجة انصهار مادة أو مخلوط من نقطة تجمدها ؛ على الرغم من أنها قد تبدو متشابهة ، إلا أنها تظهر بعض الاختلافات.

كما ذكرنا في القسم السابق: كلما زاد تركيز الشوائب ، زاد الانخفاض في درجة التجمد. يمكن أيضًا قول ذلك على النحو التالي: كلما انخفض الجزء المولي X من المادة الصلبة في الخليط ، انخفضت درجة الحرارة.

معادلة انخفاض درجة الحرارة

تعبر المعادلة التالية عن كل ما قيل وتلخصه:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

حيث R هو ثابت الغاز المثالي ، والذي له استخدام عالمي تقريبًا. Tº هي نقطة التجمد العادية (عند الضغط المحيط) ، و T هي درجة الحرارة التي يتجمد عندها المادة الصلبة إلى جزء الخلد X.

من هذه المعادلة ، وبعد سلسلة من التبسيط ، يتم الحصول على ما يلي ، المعروف بشكل أفضل:

ΔTc = K _F م (2)

حيث m هو المولالية من المذاب أو النجاسة، وK _F هو ثابت الانجماد المذيب أو المكون السائل.

أمثلة

فيما يلي وصف موجز لتجميد بعض المواد.

ماء

يتجمد الماء عند حوالي 0 درجة مئوية. ومع ذلك ، قد تنخفض هذه القيمة إذا كانت تحتوي على مادة مذابة فيها ؛ لقول الملح أو السكر.

اعتمادًا على كمية المذاب المذاب ، هناك مولات مختلفة م ؛ ومع زيادة m ، تنخفض X ، والتي يمكن استبدال قيمتها في المعادلة (1) وبالتالي حل T.

على سبيل المثال ، إذا تم وضع كوب به ماء في مُجمد وآخر به ماء مُحلى (أو أي مشروب قائم على الماء) ، فإن كوب الماء سيتجمد أولاً. وذلك لأن بلوراتها تتشكل بشكل أسرع دون حدوث اضطراب في جزيئات الجلوكوز أو الأيونات أو الأنواع الأخرى.

سيحدث نفس الشيء إذا وضعت كوبًا من ماء البحر في الفريزر. الآن ، قد يتم تجميد كوب ماء البحر أو لا يتم تجميده أولاً بدلاً من كوب الماء المحلى ؛ سيعتمد الاختلاف على كمية المذاب وليس على طبيعته الكيميائية.

ولهذا السبب فإن الانخفاض في درجة حرارة التجمد هو خاصية تجميعية.

كحول

المصدر: Pixabay

تتجمد الكحوليات في درجات حرارة أبرد من الماء السائل. على سبيل المثال ، يتجمد الإيثانول عند حوالي -114 درجة مئوية. إذا تم خلطه بالماء ومكونات أخرى ، فستكون هناك زيادة في درجة التجمد على العكس.

لماذا ا؟ لأن الماء ، وهو مادة سائلة قابلة للامتزاج مع الكحول ، يتجمد عند درجة حرارة أعلى بكثير (0 درجة مئوية).

بالعودة إلى الثلاجة بكؤوس الماء ، إذا تم إدخال مشروب كحولي هذه المرة ، فسيكون هذا آخر ما يتم تجميده. كلما ارتفعت درجة الإيثيل ، سيحتاج المجمد إلى تبريده أكثر لتجميد الشراب. ولهذا السبب يصعب تجميد المشروبات مثل التكيلا.

حليب

المصدر: Pixabay

الحليب هو مادة مائية ، حيث يتم تشتيت الدهون مع اللاكتوز وفوسفات الكالسيوم ، بالإضافة إلى البروتينات الدهنية الأخرى.

تحدد المكونات الأكثر قابلية للذوبان في الماء مدى اختلاف نقطة التجمد باختلاف التركيب.

في المتوسط ​​، يتجمد الحليب عند درجة حرارة حوالي -0.54 درجة مئوية ، لكنه يتراوح بين -0.50 و -0.56 اعتمادًا على نسبة الماء. وهكذا يمكن معرفة ما إذا كان اللبن مغشوشاً. وكما ترون ، فإن كوبًا من الحليب سيتجمد تقريبًا على قدم المساواة مع كوب من الماء.

لا يتجمد الحليب كله بنفس درجة الحرارة ، لأن تركيبته تعتمد أيضًا على مصدره الحيواني.

الزئبق

الزئبق هو المعدن الوحيد الذي يوجد في صورة سائلة في درجة حرارة الغرفة. لتجميده ، من الضروري خفض درجة الحرارة إلى -38.83 درجة مئوية ؛ وهذه المرة سيتم تجنب فكرة سكبه في كوب ووضعه في الفريزر ، لأنه قد يؤدي إلى حوادث مروعة.

لاحظ أن الزئبق يتجمد قبل الكحول. قد يكون هذا بسبب حقيقة أن بلورة الزئبق تهتز بشكل أقل لأنها تتكون من ذرات مرتبطة بروابط معدنية ؛ بينما في الإيثانول ، تكون جزيئات CH ₃ CH ₂ OH خفيفة نسبيًا والتي يجب استيعابها ببطء.

الغازولين

من بين جميع أمثلة نقاط التجمد ، يعتبر البنزين هو الأكثر تعقيدًا. مثل الحليب خليط. لكن قاعدتها ليست الماء ، بل هي مجموعة من الهيدروكربونات المختلفة ، ولكل منها خصائصها الهيكلية. بعض الجزيئات الصغيرة وبعض الجزيئات الكبيرة.

سوف تتجمد الهيدروكربونات ذات ضغط البخار المنخفض أولاً ؛ بينما سيبقى الآخرون في حالة سائلة ، حتى لو كان كوب من البنزين محاطًا بالنيتروجين السائل. لن يشكل "جليد بنزين" بشكل صحيح ، ولكنه يشكل هلامًا بدرجات اللون الأصفر والأخضر.

لتجميد البنزين تمامًا ، قد يكون من الضروري تبريد درجة الحرارة إلى -200 درجة مئوية. عند درجة الحرارة هذه ، من المحتمل أن يتشكل جليد البنزين ، حيث ستتجمد جميع مكونات الخليط ؛ وهذا يعني أنه لن يكون هناك مرحلة سائلة في حالة توازن مع مادة صلبة.

المراجع

1. قسم الفيزياء ، جامعة إلينوي في أوربانا شامبين. (2018). سؤال وجواب: تجميد البنزين. تم الاسترجاع من: van.physics.illinois.edu
2. ايرا ن.ليفين. (2014). مبادئ الكيمياء الفيزيائية. (الطبعة السادسة). ماك جراو هيل.
3. جلاسستون. (1970). المعاهدة الفيزيائية والكيميائية. Aguilar SA de Ediciones ، Juan Bravo ، 38 ، مدريد (إسبانيا).
4. والتر جيه مور. (1962). الكيمياء الفيزيائية. (طبعة رابعة). لونجمان.
5. Sibagropribor. (2015). تحديد درجة تجمد الحليب. تم الاسترجاع من: sibagropribor.ru
6. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (22 يونيو 2018). نقطة تجمد الكحول. تم الاسترجاع من: thinkco.com