빙점 저기압

Freezing-point depression
이 기사는 용매로 인한 현상에 대한 것이다.순수한 유체의 현상에 대해서는 과냉각(supercooling)을 참조하십시오.
도로를 제빙하기 위해 소금 트럭에서 소금을 뿌리는 일꾼들.
빙점 억제는 아이스크림을 0°[1]C 이하로 부드럽게 유지하는 원인이 됩니다.

빙점 강하란 물질이 얼 때 온도가 떨어지는 것으로, 소량의 다른 비휘발성 물질이 첨가될 때 발생합니다.예를 들어 소금(아이스크림 제조업체 및 제빙 도로에 사용), 물 속의 알코올, 에틸렌 또는 프로필렌 글리콜(자동차 부동액에 사용), 녹은에 구리(접합되는 은 조각보다 낮은 온도로 흐르는 땜납을 만드는 데 사용), 불순물 i와 같은 두 고체의 혼합이 포함됩니다.잘게 분말화된 약에.

모든 경우, 소량 첨가/존재하는 물질은 용매로 간주되며, 대량으로 존재하는 원래의 물질은 용매로 간주됩니다.결과적으로 생성되는 액체 용액 또는 고체 혼합물은 혼합물에 포함된 용제의 화학적 잠재력이 순수한 용제의 잠재력보다 낮기 때문에 응고점이 순수한 용제 또는 고체보다 낮다. 두 용제의 차이는 몰 분율의 자연 대수에 비례한다.마찬가지로 용액 위의 증기의 화학적 전위는 순수한 용제 위의 전위보다 낮아 비등점 상승이 발생한다.어는점 억제는 순수한 물의 어는점인 0°C(32°F) 미만의 온도에서 바닷물(소금과 다른 화합물의 혼합물)을 액체 상태로 유지하게 하는 것입니다.

설명.

증기 압력 사용

응고점은 액체 용매와 고체 용매가 평형을 이루는 온도이며, 따라서 증기 압력이 동일합니다.휘발성 액체 용매에 비휘발성 용질을 첨가하면 용액 증기 압력이 순수한 용매보다 낮아집니다.그 결과 고체는 순수한 [2]용매보다 낮은 온도에서 용액과 평형에 도달한다.증기의 화학적 잠재력은 압력과 대수적으로 관련이 있기 때문에 증기 압력의 관점에서 이러한 설명은 화학적 잠재력에 기초한 주장과 동일합니다.모든 콜로게이티브 특성은 용질이 존재하는 상태에서 용제의 화학적 전위 저하로 인해 발생합니다.이 감소는 엔트로피 효과입니다.(순수 용매에 비해) 용액의 무작위성이 높기 때문에, 액체 용액과 고체 용액 상 사이의 평형이 이루어지기 전에, 보다 넓은 범위에서 낮은 온도에 도달해야 한다.녹는점 측정은 일반적으로 유기화학에서 물질을 식별하고 그 순도를 확인하기 위해 사용됩니다.

결정 결함으로 인해

소금은 물 분자가 0°C(32°F)에서 얼음 결정으로 굳는 것을 방지하고, 대신 그 온도에서 끈적끈적한 상태를 유지한 후 -9°C(16°[3]F) 정도로 얼어버립니다.

비휘발성 용질의 유무에 관계없이 용제가 매우 순수한 결정으로 동결되는 문제를 고려합니다.이는 일반적으로 용질 분자가 결정체에 잘 맞지 않기 때문에 발생합니다. 즉, 결정체의 용질 분자를 용질 대신하는 엔탈피가 높습니다.이 경우 저용질 농도의 경우 동결점 강하는 개별 특성이 아닌 용질 입자의 농도에만 의존합니다.따라서 동결점 강하 현상을 대조적 [4]특성이라고 합니다.

빙점 강하에 대한 설명은 용매 분자가 액체를 떠나 고체와 결합할 때 용질 입자가 돌아다닐 수 있는 더 적은 양의 액체를 남기게 된다는 것입니다.따라서 용질 입자의 엔트로피가 감소하는 것은 그 특성과 무관합니다.농도가 용질-용질 상호작용이 중요해질 정도로 커지면 이 근사치는 유지되지 않습니다.이 경우 응고점 강하는 [citation needed]농도 이외의 용질의 특정 특성에 따라 달라진다.

사용하다

빙점 저기압 현상은 많은 실용성을 가지고 있다.자동차의 라디에이터 오일은 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물입니다.어는점 저기압은 겨울철 방열기의 동결을 막아준다.도로 염분은 이 효과를 이용하여 얼음의 결빙점을 낮춥니다.빙점을 낮추면 도로 얼음이 낮은 온도에서 녹아서 위험하고 미끄러운 얼음이 쌓이는 것을 막을 수 있다.일반적으로 사용되는 염화나트륨은 물의 응고점을 약 -21°C(-6°F)까지 낮출 수 있습니다.노면 온도가 낮으면 NaCl이 효과가 없어지고 염화칼슘, 염화마그네슘 또는 많은 염류의 혼합물과 같은 다른 염류가 사용됩니다.이러한 소금은 금속, 특히 철에 다소 공격적이기 때문에 공항에서는 포름산나트륨, 포름산칼륨, 아세트산나트륨, 아세트산칼륨과 같은 안전한 매체가 대신 사용됩니다.

도로를 소금으로 전처리하는 것은 처음에 눈을 녹이고 해결책을 만들기 위해 따뜻한 노면에 의존합니다.다리의 전처리(도로보다 차가운)는 일반적으로 [5]효과가 없습니다.

빙점 저기압은 극도의 추위에 사는 몇몇 유기체들에 의해 사용된다.이러한 생물들은 소르비톨과 글리세롤과 같은 다양한 화합물을 고농도로 생산할 수 있는 방법을 진화시켜 왔다.이 높아진 용질 농도는 그들 내부의 물의 응고점을 감소시켜, 그들 주변의 물이 얼거나 그들 주변의 공기가 매우 차가워질 때에도 유기체가 고체를 얼리는 것을 막는다.부동액 화합물을 생산하는 유기체의 예로는 겨울 [6]동안 얼어붙은 강어귀에서 살아남기 위해 글리세롤과 다른 분자를 생산하는 무지개 빙어와 같은 북극 생물 어종이 있습니다.스프링피퍼 개구리(Pseudacris Crucifer)와 같은 다른 동물에서는 추운 온도에 대한 반응으로 몰리티가 일시적으로 증가한다.피퍼 개구리의 경우, 얼어붙은 온도는 개구리의 간에서 글리코겐의 대규모 분해를 유발하고 그 후에 대량의 포도당이 [7]혈액으로 방출됩니다.

침엽수는 겨울에 [8]부동액과 같은 작용을 하는 농축된 세포 수액을 가지고 있다.

아래 공식에 따르면 동결점 억제는 용질의 해리 정도 또는 몰 질량을 측정하는 데 사용될 수 있다.이러한 종류의 측정을 저온경(그리스어 cryo = cold, scopos = observate; cold;[9] "추위 측정")이라고 하며, 어는점의 정확한 측정에 의존합니다.해리도는 먼저 m을 결정하고B m과 비교하여solute van't Hoff 인자 i를 결정함으로써 측정된다.이 경우 용질의 몰 질량을 알아야 한다.용질의 몰 질량은 용해된 용질량과 m을 비교하여B 결정된다.이 경우 반드시 알아야 하며, 이 절차는 주로 무극성 용매를 사용하는 유기 화합물에 유용하다.저온검사는 더 이상 예전처럼 흔한 측정법이 아니지만, 20세기 초에 교과서에 포함되었다.예를 들어,[10] 그것은 1910년의 코헨의 실용 유기 화학에서 여전히 유용한 분석 절차로 가르쳤는데, 여기서 나프탈렌의 몰 질량은 베크만 냉동 장치를 사용하여 결정된다.

실험실의 용도

부동점 강하법은 차동 주사 열량법으로 분석할 때 순도 분석 도구로 사용할 수도 있다.얻어진 결과는 mol%이지만, 다른 분석 방법이 실패하는 경우에는 방법이 적절합니다.

연구실에서는 동결점 억제를 통해 미지의 물질의 몰 질량을 조사하기 위해 라우르산을 사용할 수 있다.순수한 화합물의 녹는점이 비교적 높기 때문에 라우르산을 선택하는 것이 편리합니다(43.8°C).극저온 상수는 3.9°C·kg/mol이다.라우르산을 미지의 물질과 용융시켜 냉각시키고, 혼합물이 얼었을 때의 온도를 기록함으로써 미지의 화합물의 몰 질량을 [11][citation needed]결정할 수 있다.

녹는점과 어는점은 모두 액-고상 전이를 의미하므로 불순한 고체 혼합물의 녹는점을 용해점 장치로 측정할 때 관찰되는 녹는점 강하와 동일한 원리다.

원칙적으로 이 목적을 위해 비등점 상승과 어는점 강하를 서로 바꿔 사용할 수 있다.그러나 빙점 상수는 비점 상수에 비해 크고, 결빙점은 종종 정밀하게 측정하기 쉬우며, 이는 결빙점 강하를 이용한 측정이 더 정확함을 의미합니다.

이 현상은 아이스크림을 만들기 위해 얼린 혼합물을 준비하는 데 적용할 수 있다.이를 위해 얼음의 녹는점을 낮추기 위해 NaCl 또는 다른 소금을 사용한다.

FPD 측정은 우유에 여분의 물이 첨가되지 않았는지 확인하기 위해 유제품 산업에서도 사용됩니다.FPD가 0.509°C 이상인 우유는 [12]혼합되지 않은 것으로 간주된다.

공식

희석액의 경우

염도의 함수로서 다양한 압력 및 일부 물질의 동결 온도.소스에 대해서는, 이미지의 설명을 참조해 주세요.

용액을 이상적인 용액으로 취급할 경우 동결점 강하의 정도는 저온 상수와 단순한 선형 관계("블랙든의 법칙")로 추정할 수 있는 용질 농도에 의해서만 결정된다.

여기서:

  • t t는 동결점의 입니다.
  • Kf { K _ { } 。용액이 아닌 용제의 특성에 따라 달라집니다.(주: 실험을 할 때 k 값이 클수록 결빙점에서의 큰 방울을 쉽게 관찰할 수 있다.)
  • b는 몰리티(용매 kg당 용질량)입니다.
  • ii는 van't Hoff 계수(용질량의 공식 단위당 이온 입자 수, 예를 들어 NaCl의 경우 = 2, BaCl의2 경우 3)이다.

선택한 [13]용매에 대한 극저온 상수f K의 일부 값:

컴파운드 결빙점(°C) Kkgkg/mol 단위f
아세트산 16.6 3.90
벤젠 5.5 5.12
장뇌 179.8 39.7
이황화탄소 −112 3.8
사염화탄소 −23 30
클로로포름 −63.5 4.68
사이클로헥산 6.4 20.2
에탄올 −114.6 1.99
에틸에테르 −116.2 1.79
나프탈렌 80.2 6.9
페놀 41 7.27
물. 0 1.86[14]

농축 솔루션용

위의 간단한 관계는 용질의 성질을 고려하지 않기 때문에 희석된 용액에서만 효과가 있습니다.더 높은 농도에서 보다 정확한 계산을 위해 이온 용질의 경우 Ge와 Wang(2010)[15][16]은 새로운 방정식을 제안했다.

위의 방정식에서는, 순수한 용매(273K물, 예를 들면)의 TF이 정상적인 동결 지점 용매의 해결에 aliq 있는 활동(수용액에 수분 활동도);ΔHfus.순수한 용매의 융합의 TF를 지급하는 것 333.6 J/g 물을 273K의 TF은 엔탈피 변화;의 열기 능력 사이에 ΔCfusp 다른 점이 있다.물의 경우 2.11J/(g·K)인 T에서F 액체 및 고체상.

용제 활동은 피처 모델 또는 수정된 TCPC 모델에서 계산할 수 있으며, 일반적으로 3개의 조정 가능한 매개변수가 필요합니다.TCPC 모델의 경우 이들 파라미터는 많은 단일 소금에 사용할 수 있습니다[17][18][19][20].

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Controlling the hardness of ice cream, gelato and similar frozen desserts". Food Science and Technology. 2021-03-18. doi:10.1002/fsat.3510_3.x. ISSN 1475-3324.
  2. ^ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General Chemistry (8th ed.). Prentice-Hall. pp. 557–558. ISBN 0-13-014329-4.
  3. ^ Pollock, Julie. "Salt Doesn’t Melt Ice—Here’s How It Makes Winter Streets Safer". Scientific American.
  4. ^ Atkins, Peter (2006). Atkins' Physical Chemistry. Oxford University Press. pp. 150–153. ISBN 0198700725.
  5. ^ Pollock, Julie. "Salt Doesn’t Melt Ice—Here’s How It Makes Winter Streets Safer". Scientific American.
  6. ^ Treberg, J. R.; Wilson, C. E.; Richards, R. C.; Ewart, K. V.; Driedzic, W. R. (2002). "The freeze-avoidance response of smelt Osmerus mordax: initiation and subsequent suppression 6353". The Journal of Experimental Biology. 205 (Pt 10): 1419–1427. doi:10.1242/jeb.205.10.1419.
  7. ^ L. 셔우드 외, 동물생리학: 유전자에서 유기체로, 2005년, 톰슨 브룩스/콜, 벨몬트, CA, ISBN 0-534-55404-0, 페이지 691-692.
  8. ^ Ray, C. Claiborne (2002-02-05). "Q & A". The New York Times. ISSN 0362-4331. Retrieved 2022-02-10.
  9. ^ BIOEYNOM – 그리스 기원 생물의학 용어.저온경 검사, 생물어학.blogspot.com 를 참조해 주세요.
  10. ^ Cohen, Julius B. (1910). Practical Organic Chemistry. London: MacMillan and Co.
  11. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2020-08-03. Retrieved 2019-07-08.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  12. ^ "Freezing Point Depression of Milk". Dairy UK. 2014. Archived from the original on 2014-02-23.
  13. ^ P. W. 앳킨스, 물리화학, 제4판, C. 17페이지 (표 7.2)
  14. ^ Aylward, Gordon; Findlay, Tristan (2002), SI Chemical Data 5th ed. (5 ed.), Sweden: John Wiley & Sons, p. 202, ISBN 0-470-80044-5
  15. ^ Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). "Estimation of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, and Vaporization Enthalpies of Electrolyte Solutions". Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (10): 5123. doi:10.1021/ie900434h. ISSN 0888-5885.
  16. ^ Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). "Calculations of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, Vapor Pressure and Enthalpies of Vaporization of Electrolyte Solutions by a Modified Three-Characteristic Parameter Correlation Model". Journal of Solution Chemistry. 38 (9): 1097–1117. doi:10.1007/s10953-009-9433-0. ISSN 0095-9782. S2CID 96186176.
  17. ^ Ge, Xinlei; Wang, Xidong; Zhang, Mei; Seetharaman, Seshadri (2007). "Correlation and Prediction of Activity and Osmotic Coefficients of Aqueous Electrolytes at 298.15 K by the Modified TCPC Model". Journal of Chemical & Engineering Data. 52 (2): 538–547. doi:10.1021/je060451k. ISSN 0021-9568.
  18. ^ Ge, Xinlei; Zhang, Mei; Guo, Min; Wang, Xidong (2008). "Correlation and Prediction of Thermodynamic Properties of Some Complex Aqueous Electrolytes by the Modified Three-Characteristic-Parameter Correlation Model". Journal of Chemical & Engineering Data. 53 (4): 950–958. doi:10.1021/je7006499. ISSN 0021-9568.
  19. ^ Ge, Xinlei; Zhang, Mei; Guo, Min; Wang, Xidong (2008). "Correlation and Prediction of Thermodynamic Properties of Nonaqueous Electrolytes by the Modified TCPC Model". Journal of Chemical & Engineering Data. 53 (1): 149–159. doi:10.1021/je700446q. ISSN 0021-9568.
  20. ^ Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). "A Simple Two-Parameter Correlation Model for Aqueous Electrolyte Solutions across a Wide Range of Temperatures†". Journal of Chemical & Engineering Data. 54 (2): 179–186. doi:10.1021/je800483q. ISSN 0021-9568.