O ponto de congelamento é a temperatura na qual uma substância experimenta um equilíbrio de transição líquido-sólido. Quando se fala de substância, pode ser um composto, um elemento puro ou uma mistura. Teoricamente, toda a matéria congela à medida que a temperatura diminui para zero absoluto (0K).
No entanto, temperaturas extremas não são necessárias para observar o congelamento de líquidos. Os icebergs são um dos exemplos mais óbvios de massas de água congeladas. Da mesma forma, o fenômeno pode ser monitorado em tempo real por meio de banhos de nitrogênio líquido ou usando um freezer simples.
Qual é a diferença entre congelamento e solidificação? Que o primeiro processo é altamente dependente da temperatura, da pureza do líquido e é um equilíbrio termodinâmico; enquanto o segundo está mais relacionado a alterações na composição química da substância que solidifica, mesmo sem ser completamente líquido (uma pasta).
Portanto, um congelamento é uma solidificação; Mas o oposto nem sempre é verdadeiro. Além disso, para descartar o termo solidificação, deve haver uma fase líquida em equilíbrio com o sólido da mesma substância; Os icebergs cumprem isso: eles flutuam na água líquida.
Assim, está enfrentando o congelamento de um líquido quando uma fase sólida é formada como resultado de uma diminuição da temperatura. A pressão também influencia essa propriedade física, embora seus efeitos sejam mais baixos em líquidos com baixas pressões de vapor.
Qual é o ponto de congelamento?
À medida que a temperatura cai, a energia cinética média das moléculas diminui e, portanto, diminuem um pouco. À medida que o líquido diminui, chega um ponto em que eles interagem o suficiente para formar um conjunto ordenado de moléculas; Este é o primeiro sólido, a partir do qual os cristais maiores crescerão.
Se esse primeiro sólido “balançar” demais, será necessário diminuir ainda mais a temperatura até que suas moléculas permaneçam suficientemente imóveis. A temperatura na qual isso é alcançado corresponde ao ponto de congelamento; a partir daí, o equilíbrio líquido-sólido é estabelecido.
O cenário anterior acontece para substâncias puras; mas e se não estiverem?
Nesse caso, as moléculas do primeiro sólido devem conseguir incorporar as moléculas estranhas. Como resultado, é formado um sólido impuro (ou solução sólida), que precisa de uma temperatura mais baixa que o ponto de congelamento para sua formação.
Falamos sobre a diminuição do ponto de congelamento . Enquanto houver mais moléculas estranhas, ou mais corretamente falando, impurezas, o líquido congelará a temperaturas cada vez mais baixas.
Congelamento vs. solubilidade
Dada uma mistura de dois compostos, A e B, quando a temperatura cai, A congela, enquanto B permanece líquido.
O cenário é semelhante ao que acabei de explicar. Uma parte de A ainda não congelou e, portanto, é dissolvida em B. Há conversas sobre o equilíbrio da solubilidade, e não sobre a transição líquido-sólido?
Ambas as descrições são válidas: A precipita ou congela para longe de B quando a temperatura cai. Todos os A precipitaram quando não sobrar nada dissolvido em B; que é o mesmo que dizer que A estará completamente congelado.
No entanto, é mais conveniente tratar o fenômeno do ponto de vista do congelamento. Assim, A congela primeiro por ter um ponto de congelamento mais baixo, enquanto B precisará de temperaturas mais frias.
No entanto, “gelo de A” na verdade consiste em um sólido que possui uma composição mais rica de A do que de B; mas B também está lá. Isso ocorre porque A + B é uma mistura homogênea e, portanto, parte dessa homogeneidade é transferida para o sólido congelado.
Como calcular?
Como você pode prever ou calcular o ponto de congelamento de uma substância? Existem cálculos físico-químicos que permitem obter um valor aproximado desse ponto sob outras pressões (exceto 1atm, a pressão ambiente).
No entanto, estes levam à entalpia de fusão (Δ Fus ); desde então, a fusão é o processo oposto de congelamento.
Além disso, é experimentalmente mais fácil determinar o ponto de fusão de uma substância ou mistura do que seu ponto de congelamento; embora possam parecer iguais, mostram certas diferenças.
Como mencionado na seção anterior: quanto maior a concentração de impurezas, maior o ponto de congelamento diminui. Isso também pode ser dito da seguinte forma: quanto menor a fração molar X do sólido na mistura, ela congelará a uma temperatura mais baixa.
Equação da queda de temperatura
A equação a seguir expressa e resume tudo o que foi dito:
LnX = – (Δ Fus / R) (1 / T – 1 / Tº) (1)
Onde R é a constante dos gases ideais, que tem um uso quase universal. Tº é o ponto de congelamento normal (à pressão ambiente) e T é a temperatura na qual o sólido será congelado na fração molar X.
A partir desta equação, e após uma série de simplificações, obtém-se o seguinte, mais conhecido:
ΔTc = K F m (2)
Onde m é a molaridade do soluto ou impureza, e K F é a constante crioscópica do componente de solvente ou líquido.
Exemplos
Uma breve descrição do congelamento de algumas substâncias será fornecida abaixo.
Agua
A água congela em torno de 0ºC. No entanto, esse valor pode diminuir se ele contiver um soluto dissolvido; isto é, sal ou açúcar.
Dependendo da quantidade de soluto dissolvido, você tem diferentes molalidades m; e ao aumentar m, X diminui, cujo valor pode ser substituído na equação (1) e, portanto, T. claro.
Por exemplo, se um copo de água for colocado no freezer e outro de água doce (ou qualquer bebida à base de água), o copo de água congelará primeiro. Isso ocorre porque seus cristais se formam mais rapidamente sem a perturbação de moléculas de glicose, íons ou outras espécies.
O mesmo aconteceria se um copo de água do mar fosse colocado no freezer. Agora, o copo com água do mar pode ou não congelar primeiro do que o copo com água açucarada; a diferença dependerá da quantidade de soluto e não de sua natureza química .
É por esse motivo que a diminuição de Tc (temperatura de congelamento) é uma propriedade coligativa.
Álcool
Os álcoois congelam a temperaturas mais baixas que a água líquida. Por exemplo, o etanol congela em torno de -114 ° C. Se misturado com água e outros ingredientes, haverá um aumento no ponto de congelamento.
Porque Porque a água, uma substância líquida e miscível com álcool, congela a uma temperatura muito mais alta (0ºC).
Voltando à geladeira com os copos de água, se desta vez for apresentado com uma bebida alcoólica, este será o último a congelar. Quanto maior o grau de etila, o freezer deve esfriar ainda mais para congelar a bebida. É por esse motivo que bebidas como tequila são mais difíceis de congelar.
Leite
O leite é uma substância à base de água, na qual a gordura é dispersa juntamente com a lactose e os fosfatos de cálcio, além de outras lipoproteínas.
Os componentes mais solúveis em água são aqueles que determinam quanto o seu ponto de congelamento variará com a composição.
Em média, o leite congela a uma temperatura em torno de -0,54 ° C, mas varia de -0,50 a -0,56, dependendo da porcentagem de água. Assim, pode-se saber se o leite foi adulterado. E como você pode ver, um copo de leite congelará quase uniformemente com o copo de água.
Nem todos os leites congelam na mesma temperatura, pois sua composição também depende da fonte animal.
Mercúrio
O mercúrio é o único metal que está na forma líquida à temperatura ambiente. Para congelar, é necessário baixar a temperatura para -38,83ºC; e desta vez a idéia de derramar em um copo e colocá-lo em um freezer será evitada, pois pode levar a acidentes terríveis.
Observe que o mercúrio congela antes do álcool. Isso pode ser devido ao cristal de mercúrio que vibra menos porque consiste em átomos ligados por ligações metálicas; enquanto no etanol, são moléculas de CH 3 CH 2 OH relativamente leves que devem acomodar lentamente.
Gasolina
De todos os exemplos de ponto de congelamento, o da gasolina é o mais complexo. Como o leite, é uma mistura; mas sua base não é a água, mas um grupo de vários hidrocarbonetos, cada um com suas próprias características estruturais. Algumas moléculas pequenas e outras grandes.
Aqueles hidrocarbonetos com baixas pressões de vapor congelam primeiro; enquanto os outros permanecerão em estado líquido, mesmo que um copo de gasolina esteja cercado por nitrogênio líquido. Não formará adequadamente um “gelo de gasolina”, mas um gel com tons de verde-amarelo.
Para congelar completamente a gasolina, pode ser necessário arrefecer a temperatura até -200ºC. A essa temperatura, é provável que o gelo da gasolina se forme, pois todos os componentes da mistura terão congelado; isto é, não haverá mais uma fase líquida em equilíbrio com um sólido.
Referências
- Departamento de Física, Universidade de Ilinois em Urbana-Champaign. (2018). Perguntas e Respostas: Congelamento de gasolina. Recuperado de: van.physics.illinois.edu
- Ira N. Levine. (2014). Princípios de físico-química. (Sexta edição). Mc Graw Hill
- Glasstone (1970). Tratado de físico-química. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38 anos, Madri (Espanha).
- Walter J. Moore (1962). Química Física (Quarta edição). Longmans
- Sibagropribor (2015). Determinação do ponto de congelamento do leite. Recuperado de: sibagropribor.ru
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de junho de 2018). Ponto de congelamento do álcool. Recuperado de: thoughtco.com