凝固點降低

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簡介

當向溶劑中引入溶質時，就會發生凝固點降低現象，導致溶劑的凝固溫度降低。

化合物的凝固點是指化合物在液相時的蒸氣壓等於其在固相時的蒸氣壓的溫度。當非揮發性溶質分散在純溶劑中時，根據拉烏爾定律，蒸氣壓會降低。因此，溶液的總蒸氣壓將低於純溶劑的蒸氣壓。例如，水的凝固點為 0℃。此外，當溶質的摩爾濃度增加時，溶劑的凝固值會降低。

凝固點降低的定義

如果一種物質開始凝固，由於溫度降低，分子會變慢，但分子間力開始起作用。分子也會按順序排列並結晶。可以用蒸氣壓來說明凝固點降低。當溶質與溶劑混合時，溶劑分子會分散，由於拉烏爾定律，導致蒸氣壓降低。即使溶液的固相和液相的蒸氣壓在凝固點應該相同才能保持平衡，但蒸氣壓的顯著降低會導致溫度降低，從而使溶液的液相和冷凍形式的蒸氣壓相等。可以使用以下公式計算凝固點降低

$$\mathrm{\vartriangle\:T_{f}\:=\:i\:\times\:K_{f}\:\times\:molality}$$

其中，𝛥𝑇𝑓 = 凝固點降低

𝐾𝑓 = 凝固點降低常數

i = 範特霍夫因子

範特霍夫因子補償了分解溶質在溶液中釋放的粒子數量，而𝐾𝑓隨溶劑而變化。

凝固點示例

• 當我們在結冰的路面上撒鹽時，它會與少量水結合，防止冰重新結冰。

• 此特性可用於製作冰淇淋。

• 主要是在乳製品行業，我們利用凝固點降低來估計新增到牛奶中的水的精確數量；例如，EPD 大於 0.509°C 的牛奶被認為是純牛奶。

• 由於此特性，伏特加等酒精飲料不會在冰箱中結冰。

• 該系統有助於車輛中使用的散熱器液，防止水在寒冷地區結冰。

• 該方法使用乙二醇和水。

• 生活在寒冷地區的動物體內有天然的防凍化合物，如甘油和山梨醇。

• 此特性有助於降低它們體內水的凝固點，使它們能夠生存。

• 由於凝固點降低很大，即使溫度降至 0°C 以下，海水也不會結冰。

凝固點降低的用途

• 凝固點降低方程用於確定標準溶液中粒子的摩爾質量。

• 這可以用來計算某種溶質在溶劑中分散的標準。

• 在凝固點降低中，一種稱為“低溫學”的研究經常有用。“低溫”在此處表示寒冷，“學”表示觀察寒冷。它依賴於正確計算凝固點。

• 它可以用作差示掃描量熱法等熱分析方法中的一種純度分析工具。

• 最值得注意的是，凝固點降低表明向溶液中新增溶質會降低其凝固點。

• 無論溶質和溶劑是液體、固體還是氣體，凝固點都會降低。在固-固組合中也是可能的。

• 透過將拉烏爾定律與克勞修斯-克拉佩龍方程結合，該方程中使用的表示式稱為布拉格登定律。

關於凝固點降低的趣味事實

各種在寒冷天氣中生存的生物利用凝固點降低的概念來產生高濃度的各種化學物質。有一些物種產生防凍物質的例子，例如虹鱒魚，這是一種生活在北極的魚，它會產生甘油和相關分子，以便在冬季結冰的水道中生存。

其他物種，如春季雨蛙，在冬季相對較低的溫度下會暫時提高其體液的摩爾濃度。同時，寒冷的天氣會導致肝臟儲存的糖原大規模分解，導致大量葡萄糖釋放到迴圈系統中。

這些化學物質的產生有助於降低它們體內水的凝固點。據科學家稱，隨著壓力的升高，凝固點也會升高。當過冷液體達到凝固溫度時，會釋放出熔化熱。這會立即將溫度升高到凝固點。

結論

在凝固點降低期間，物質的液相和固相具有相同的蒸氣壓。溶液的凝固溫度低於純溶劑的凝固溫度。為了凝固，必須將溶液降低到低於其純溶劑之一的溫度。

溶液凝固點的降低是一種依數性。它由溶液中溶質分子的數量決定。因此，溶液中離子的數量越多，凝固點降低的程度就越大。克勞修斯-克拉佩龍方程和拉烏爾定律可用於計算凝固點降低。凝固點降低有許多有趣的和實際的用途。

常見問題

1. 𝜟𝑻𝒇 可能為負值嗎？

凝固點降低定義為凝固點隨溶質濃度的變化而變化。凝固點的變化表示為 $\mathrm{\vartriangle\:T_{f}\:=\:T_{f,solvent}\:-\:T_{f,solvent}}$。即使溶液的溫度可能低於純溶劑的溫度，𝛥𝑇𝑓 也會為負值。

2. 為什麼隨著汙染物的增加，水的凝固點降低？

由於溶液的濃度隨著汙染物的存在而增加，因此溶液的蒸氣壓降低。因此，冰在較低的溫度下會更快融化。

3. 哪個溫度最低？

雖然它不會開始分解以增加粒子的數量，但 1M 葡萄糖溶液似乎具有最高的凝固點。

4. 誰最先發現凝固點降低？

拉烏爾於 1867 年開始在格勒諾布林大學任教，並一直擔任教授直至 1870 年去世。他大約在 1886 年發現，水溶液的凝固點與其所含非電解質成分的數量成比例地降低。

5. 如何透過凝固點降低確定純度？

當確定 𝐾𝑓 時，可以根據觀察到的凝固點降低計算溶質的摩爾濃度，前提是濃度足夠稀，可以被稱為理想溶液。