Fizikaviy kimyo fanidan “ eritmalarning muzlash harorati. Krioskopiya

Etil spirt
Aroq yoki etil spirtining boshqa eritmalari qotib qoladigan harorat shkalasi bo'yicha mutlaqo aniq bir nuqtani berish juda qiyin. Ideal echimlar uchun Raul qonuni amal qiladi, boshqa javoblarda batafsil tavsiflangan, ammo bitta muammo shundaki, mutlaqo toza alkogoldan farqli o'laroq, uni topish juda qiyin. Sof alkogolning muzlash harorati -115 darajaga teng, biz o'ndan hisoblamaymiz, chunki bu muhim emas. Boshqa tomondan, aroq -22 dan -30 gacha bo'lgan har qanday haroratda muzlashni boshlashi mumkin va bu birinchi navbatda tarkibidagi aralashmalarning mavjudligiga bog'liq va unda aniq muzlash nuqtasining echimi yo'q - bu har doim ma'lum bir harorat oralig'idir. Bundan tashqari, ichimlikning 60% -76 daraja muzlaydi, men 80% eritma haqida ma'lumot topmadim.
40 daraja eritma = -28,7
60 daraja eritma = (taxminan) -43-44 daraja
80 daraja eritma = -55 (taxminan)
Umuman olganda, bunday hisob-kitoblar uchun Raulning ikkinchi qonuni qo'llaniladi T = K * C
Bu erda T - muzlash nuqtasi, K - erituvchining kriyoskopik doimiysi (suv uchun biz allaqachon 1,86 ni bilamiz) C - eruvchan moddaning molyar konsentratsiyasi
Umuman olganda ko'raylik :Etil spirti tezda yonadi, alkogolning yonishi uchun +11 daraja harorat nuqtasi etarli. Etil spirti +78,3 darajada qaynaydi, ammo u -117 darajagacha muzlashi mumkin. Agar alkogol suv bilan 40 qismli alkogolning 100 qism suv bilan nisbatida aralashtirilsa, u holda aralash -28 daraja muzlaydi. Bular GOST bo'yicha ma'lumotlar.
Avtomobillar; muzlashga qarshi; alkogolning ozgina qismi bo'lsa, tezroq muzlaydi. Saqlash qoidalarini quot; muzlamaydigan kvot; da ko'rib chiqishingiz mumkin, shunda siz suyultirilgan spirtning qanday nol darajadagi haroratga bardosh bera olishini aniq bilib olishingiz mumkin. Yoki 40 darajali aroqning muzlash nuqtasidan boshlab hisoblang. Agar u -28 da muzlab qolsa, unda 80 daraja aralashma 56 darajada muzlaydi. Qolgan qadriyatlarni hisoblang, menda bor. afsuski, foiz stavkalari juda qattiq. Keyingi Raulning ikkinchi qonuni, aroq (bu, albatta, GOSTga to'g'ri keladi va tarkibida 40% alkogol bor), minus 28 daraja muzlay boshlaydi va suv qobig'ini hosil qiladi. Qolgan eritmadagi alkogol miqdori ko'payadi, shuning uchun darajalar pasayib borishi bilan uning keyingi kristallanishi mumkin. Natijada, 40% spirtli eritma nihoyat muzlashi uchun harorat -35 dan past bo'lishi kerak.
Muayyan hisob-kitoblarga ko'ra,
60% eritma 48-50 daraja haroratda to'liq muzlaydi
80% - 58-60 daraja haroratda
95% taxminan 115 daraja.
Sof spirtli ichimliklar (etanol) -115 daraja sovuqda muzlaydi. Shu sababli spirtli ichimliklar muzga qarshi suyuqlik sifatida ishlatiladi.Aroq yoki 40 foiz spirtli eritma -25 - 29 daraja haroratda muzlaydi. Quyosh hali ham spirtli ichimliklar sifatiga bog'liq bo'ladi, qanchalik yomon bo'lsa, muzlash darajasi past bo'ladi. Ko'pchilik allaqachon biladiki, oddiy suv 0 daraja haroratda muzlaydi. Aniqrog'i suvning tarkibiga bog'liq. Ammo 40 graduslik aroq (spirtli eritma) -28,7 daraja haroratda muzlaydi. Agar darajalar yuqoriroq bo'lsa, unda muzlash harorati mos ravishda pastroq bo'ladi. Shunday qilib, 60% spirtli eritma -45 ... -50 daraja haroratda kristallanadi. Ammo 80% spirtli eritma -60 darajadan haroratda kristallana boshlaydi.
Dengiz suvi qanday haroratda muzlaydii?
Dengiz suvining muzlash nuqtasi deb hisoblangan o'rtacha harorat Selsiy bo'yicha -1.9 darajani tashkil qiladi. Biroq, bu aniq o'rtacha muzlash nuqtasi, ba'zi dengizlarda yuqori bo'lishi mumkin, boshqalarda esa, aksincha, pastroq. Muzlash nuqtasiga ta'sir qiluvchi asosiy omil dengizning sho'rlanishidir. Okeanning o'rtacha sho'rligi 35 ppm ni tashkil qiladi va aynan shu sho'rlanish uchun o'rtacha muzlash nuqtasi ko'rsatilgan. agar sho'rligi kamroq bo'lsa, dengiz tezroq muzlaydi, masalan, Azov va Qora dengizlar -0.6 dan -1 darajagacha bo'lgan haroratda muzlashadi va Arktikadagi Oq dengiz, sho'rligi 25 ppm bilan, -1.4 darajagacha muzlaydi. Aksincha,
sho'rligi 40 ppm dan oshganligi bilan tanilgan Qizil dengiz faqat -2.2 darajadan muzlay boshlaydi. Dengizning muzlash nuqtasi bir necha omillarga bog'liq. Turli xil dengizlarda, dengiz suvi tarkibida turli xil. Bir dengiz suvi boshqasidan ko'ra sho'rroq bo'lishi mumkin. Dengiz suvining o'rtacha muzlash harorati -NNUMX daraja deb hisoblanadi. Ammo o'lik dengizdagi suvni muzlatish uchun siz past haroratga ehtiyoj sezasiz. Men bu savolning javobini bilmasdim, shuning uchun uni Internetda qidirish kerak edi. Va men, bu dengiz suvi minus 1,8-1,9 daraja muzlatdi, chiqadi (bu haqda hech o'ylamagandim) deb o'ylamayman. Dengiz suvi ham muzlaydi. Lekin dengiz suvining muzlash nuqtasi chuchuk suvning muzlash nuqtasidan ozgina farq qiladi. Tuzli dengiz suvlari allaqachon kamida muzlatiladi 1,8 daraja Tselsiy bo'yicha. Asosan, dengiz suvida, toza suvdan farqli ravishda, ma'lum bir muzlash nuqtasi yo'q. Hammasi sho'rlik darajasiga bog'liq! O'rtacha okean sho'rligi bilan, masalan, 35%, muzlash nuqtasi taxminan -1.9 daraja bo'ladi.
Uning tarkibida dengiz suvlari katta miqdordagi tuz bilan toza suvdan farq qiladi va har okeandagi tuz kontsentratsiyasi turlicha bo'ladi va ko'pgina omillarga bog'liq. O'rtacha ishlashga ishonasizmi, dengiz suvi o'rtacha -1,9- (-2) darajasida muzlaydi. Dengiz suvining muzlash nuqtasi asosan suv tarkibiga bog'liq bo'lib, unda aralashmalar mavjud. Dunyo okeanining o'rtacha sho'rligi bilan dengiz suvining muzlash nuqtasi -1,8 daraja deb aytiladi. Tuzliligi qanchalik baland bo'lsa, muzlash nuqtasi past bo'ladi. Ko'p narsa suv sifatiga bog'liq: u sho'r yoki yangi, toza yoki ifloslangan. Masalan, toza distillangan suv -2 daraja Selsiyda haroratda muzlaydi. Oddiy sharoitlarda toza suv nol daraja darajasida muzlay boshlaydi, ammo muzlatish uchun dengiz tuzi suvi minus 1,9 daraja haroratni talab qiladi. Dengiz suvi toza suvga qaraganda past haroratlarda muzlaydi. Taxminan 1,9 daraja Selsiy. Ammo bu siz dengiz suvini alohida qabul qilsangiz. Ammo dengizning o'zi odatda bu havo haroratida muzlashmaydi. Buning sababi suvning (to'lqinlarning) doimiy tebranishlari bunga imkon bermasligi, shuningdek dengizda issiqlik to'planib qolishi bilan bog'liq.
Suvning sho'rligi uning muzlashuviga qanday ta'sir qiladi?
Suv sho'rroq bo'lsa, harorat pasayadi. Buning sababi ko'proq tabiiy konveksiya - issiqlik oqimini moddalar oqimi bilan o'tkazish. Chuchuk suv maksimal zichlikka ega + 4 darajaga etadi va sovutish bilan uning zichligi pasayadi, yuqori sovuq qatlam engilroq bo'ladi, pastga tusha olmaydi, suv aralashmaydi, issiqlik o'tkazilmaydi, sirt qatlami juda tez soviy boshlaydi va harorat xnumx daraja. Tuzli suv quyi haroratlarda maksimal zichlikka etadi; sho'rlanish qancha yuqori bo'lsa, zichlik shuncha yuqori bo'ladi. Ya'ni, haroratning pasayishi bilan sho'r suvning yuqori sovuq qatlamining zichligi oshadi, u pastki issiqroq qatlamlarga qaraganda og'irroq bo'ladi va "cho'kish"; konvektsiyani yaratish - pastki qatlamlarga issiqlik uzatish. Natijada, suv sho'rlanish darajasiga qarab muzlashadi.
Nima uchun muzdan suv engilroq?
Afsuski, bu keng tarqalgan noto'g'ri tushuncha, muz ba'zida suvda suzadi, chunki bu holda uning zichligi suvdan kam bo'ladi. Ammo bu har doim ham sodir bo'lmaydi, lekin faqat muz va suv o'rtasidagi harorat farqi kichik bo'lganda. Agar suv va muz o'rtasidagi harorat farqi etarlicha katta bo'lsa, unda muzning zichligi suv zichligidan kattaroq bo'lishi mumkin va muz unda cho'kib ketadi. Suvning maksimal zichligi +3,98 darajagacha bo'lgan haroratda. Nima uchun bu shunday, va nima uchun harorat pasayganda, suvning zichligi va keyin muz ham pasayadi, bu alohida savol. Ammo harorat bu qiymatdan plyus yoki minusga farq qilganda ham muz, ham suv zichligi pasayadi. Masalan, 1 daraja S haroratdagi muzning zichligi taxminan + 9,2 daraja S haroratdagi suv zichligiga teng, shuning uchun 1 daraja S haroratli muz suvga g'arq bo'ladi, masalan, harorati + 10 daraja S Buni tekshirish nisbatan oson. Bu tajriba uyda ham qiyin emas. Qattiq holatda bo'lgan suv suyuq suvga qaraganda engilroq, chunki uning hajmi oshganda zichligi pasayadi, boshqacha qilib aytganda, muzlaganda suv qisqarmaydi, balki kengayadi. Bu suvning noyob xususiyati, uni olimlar chindan ham izohlay olmaydilar. Olimlar bu haqiqatni tushuntirib berolmaydilar, bu suvning g'ayritabiiy xususiyati hisoblanadi, boshqa hech bir modda bu xususiyatga ega emas. Biroq, bu xususiyat daryo aholisining qishlashiga imkon beradi, aks holda daryolardagi suv tubigacha muzlagan. Suv muzga aylanib kengaymoqda. Hajmi kattalashadi, massasi bir xil bo'lib qoladi.Shuning uchun zichlik pasayadi.Massa bir xil hajmda kamroq bo'ladi. Muz bir xil suvdir va u og'irligi jihatidan undan engilroq bo'lolmaydi, shunchaki muzga aylanganda suv ixchamlashadi va siqiladi, bu vazn kamaygan degan
taassurot qoldiradi, lekin aslida bu unday emas, shunchaki mashhur noto'g'ri tushuncha. Suyuqlik-muz fazasining o'tishi suyuqlikning boshqa kristallanish jarayonlari bilan taqqoslaganda juda keng tarqalgan emas. Ko'pincha, suyuq modda uning kristalli fazasidan pastroq zichlikka ega va shuning uchun engilroq bo'lib chiqadi. Suyuq qo'rg'oshin xuddi suyuq metall singari qattiq qo'rg'oshin ustida suzadi. Ammo suvning o'ziga xos bo'lmagan, ammo juda kam xususiyatiga ega, unga ko'ra kristallanish jarayonida muzning zichligi suv zichligidan kam bo'lib chiqadi, ya'ni muz suvdan engilroq bo'lib chiqadi va bundan tashqari u katta hajmni egallay boshlaydi - ko'pchilik, ehtimol suv bilan to'ldirilgan butilkalarning qanday yorilib ketishini ko'rgan. uning muzlashi. Ushbu hodisa salbiy termal kengayish deb ataladi.
Muzlash harorati past bo’lgan suyuqliklar.
Antifriz – bu past haroratlarda muzlamaydigan suyuqlik. Avtomobil antifrizlari ichki yonish dvigatellarini sovutish uchun qo‘llaniladi va etilenglikol yoki propilenglikol, suv, rang beruvchilar va prisadkalar paketidan tashkil topgan bo‘ladi.
Dvigatellar avtomobillar singari ular uchun sovituvchi suyuqliklar ham har xil bo‘ladi. Ammo antifriz turlarida farqlash yanada murakkablashib bormoqda. Har bir davlatda antifrizlar lokal standartlar bo‘yicha ishlab chiqariladi, u yoki bu avtomobil uchun mos keluvchi antifrizni tanlash esa bu standartlarni tushuntirmaydi.
Antifriz sifatida etilen glikol ishlatiladi.
Etilen glikolning (sovutuvchi, antifriz, antifriz suyuqligi) suvli eritmasining termofizik xususiyatlarini yaxshilash uchun ishlatiladigan qo'shimchalar to'plamiga eritmaning korroziv va oksidlanish xususiyatlarini kamaytirish, uning ko'piklanishi, shkalaning paydo bo'lishining oldini olish uchun mo'ljallangan o'nga yaqin moddalar kiradi. va mavjud bo'lgan shkalani olib tashlash, shuningdek sovutish suyuqligining termofizik xususiyatlarini barqarorlashtirish uchun (etilen glikol eritmalarining sifat ko'rsatkichlari talablarga javob berishi kerak GOST 28084-89 "Muzlatmaydigan sovutadigan suyuqliklar" va uning asosida ishlab chiqilgan texnik xususiyatlar). Ko'pgina konsentratsiyali issiqlik uzatish suyuqliklari 60% -65% etilen glikol, 30% -35% suv va 3% -4% faol qo'shimchalardan tashkil topgan eritma. Bunday foizlar etilen glikol, suv va inhibitörler -70 ° C kristallanish boshlanishining maksimal minus harorati bilan samarali issiqlik tashuvchisi sifatida suvli eritmaning eng yaxshi termofizik xususiyatlarini olishga imkon beradi. Etilen glikolning muzlash darajasi past bo'lgan suvli eritmalari etilen glikolning past konsentratsiyasi yordamida ishlab chiqariladi va qo'shimchalarning (inhibitorlar) massa ulushi deyarli o'zgarmaydi. Muzlash nuqtasining etilen glikol konsentratsiyasiga bog'liqligi quyida, 1-jadvalda keltirilgan. Isitish tizimlarining turli xil iqlimiy ish rejimlari va ish sharoitlari uchun bir qator yuqori sifatli kerakli kristallanish harorati va barqaror termofizik xususiyatlari bilan: Etilen glikol suvli eritmasi - isitish va sovutish tizimlari uchun issiqlik tashuvchisi va antifriz suyuqligi
Avtonom isitish va sanoat havoni tozalash tizimlarida sovutish suyuqligi etilen glikolning suvli eritmasi turli maqsadlar uchun qo'shimchalar bilan keng qo'llaniladi. Sof etilen glikolning zichligi 20 ° C da 1,112 g / sm3, muzlash nuqtasi -13 ° S dir. Etilen glikol konsentratsiyasi 30% dan 70% gacha bo'lgan suvli eritmalarning muzlash darajasi pastroq bo'ladi. Maksimal muzlash haroratiga –70 ° C etilen glikol konsentratsiyasi 70% ga yetganda erishiladi. Muzlashdan so'ng, etilen glikol eritmasi amorf holatga o'tib, uning muzlashi paytida suv hajmining oshishiga qaraganda bir oz kattaroq chegaralarda hajmining oshishi bilan yopishqoq massa hosil qiladi. 95% etilen glikol tarkibidagi konsentrlangan eritmalar ham ishlab chiqariladi, ular tizimga to'ldirishdan oldin suv bilan suyultiriladi. Etilen glikolning foizini sovutish suyuqligi ishlaydigan minimal harorat asosida tanlash tavsiya etiladi. Kerakli muzlash haroratiga ega bo'lgan tayyor kontsentrlangan issiqlik uzatish suyuqliklari tizimni to'ldirishdan oldin suv bilan suyultiriladi. Suyultirish uchun distillangan suvdan foydalanish tavsiya etiladi, agar u yo'q bo'lsa - qattiqligi 6 birlikgacha bo'lgan musluk suvi. Ammo shuni yodda tutish kerakki, qo'shimchalar paketiga mos kelmasligi sababli tozalanmagan suvdan foydalanish istalmagan. Konsentrlangan etilen glikolni 50% dan ko'proq suyultirish issiqlik tashuvchisi iste'mol xususiyatlarining sezilarli darajada yomonlashishiga olib keladi. Kerakli kristallanish harorati va barqaror termofizik xususiyatlari bilan etilen glikolning yuqori sifatli suvli eritmasini olish faqat sanoat sharoitida mumkin. Ko'pgina isitish va sanoat konditsioner tizimlarining jihozlarini ishlatish bo'yicha ko'rsatmalar eritmalarning termofizik xususiyatlariga yuqori talablarni qo'yadi va shuning uchun faqat tegishli kristallanish (muzlash) haroratiga mo'ljallangan tayyor suvli eritmalardan foydalanish tavsiya etiladi.
Benzin
Sovuq haroratining barcha misollaridan benzin eng murakkab hisoblanadi. Sut singari, bu aralashdir; Ammo uning asosi suv emas, balki har biri o'ziga xos tuzilish xususiyatlariga ega bo'lgan turli xil uglevodorodlar guruhidir. Ba'zi kichik molekulalar, ba'zilari esa katta.Bug 'bosimi pastroq bo'lgan uglevodorodlar avval muzlaydi; boshqalari esa suyuq holatda qoladi, hatto bir stakan benzin suyuq azot bilan o'ralgan bo'lsa ham. Bu to'g'ri "benzinli muz" hosil qilmaydi, lekin sariq-yashil ranglarga ega.Benzinni to'liq muzlatish uchun haroratni -200ºC gacha sovutish kerak bo'lishi mumkin. Bunday haroratda benzinli muz paydo bo'lishi ehtimoldan yiroq, chunki aralashmaning barcha tarkibiy qismlari muzlab qoladi; ya'ni qattiq bilan muvozanatda suyuq faza bo'lmaydi.

Issiq suv va sovuq suv muzlash harorati orasida ham o’zaro farq mavjud. Nima uchun issiq suv sovuq suvdan tezroq muzlashi mumkinligi haqida aniq izoh yo'q. Shartlarga qarab har xil mexanizmlar kuchga kiradi.Asosiy omillar quyidagicha ko'rinadi:

Bug'lanish: Sovuq suvga qaraganda ko'proq issiq suv bug'lanadi, shuning uchun muzlatish uchun qolgan suv miqdori kamayadi. Ommaviy o'lchovlar bizni bu ochiq idishdagi suvni sovutish paytida muhim omil deb hisoblashimizga olib keladi, ammo Mpemba Effect yopiq idishlarda qanday paydo bo'lishini tushuntirish mexanizmi emas.
Super sovutish: Issiq suv sovuq suvga qaraganda haddan tashqari sovitish ta'sirini kamroq sezadi. Qachon superkoollar bo'lgan bo'lsa, u bezovtalanmaguncha suyuqlik bo'lib qolishi mumkin, hatto odatdagi muzlash haroratidan ancha past. Sovutilmagan suv, suvning muzlash nuqtasiga yetganda qattiqlashishi ehtimoli yuqori.
Konvektsiya: Sovutganda suv konvektsiya oqimlarini rivojlantiradi. Suv zichligi odatda harorat oshishi bilan kamayadi, shuning uchun sovutadigan suv idishi odatda pastki qismiga qaraganda issiqroq bo'ladi. Agar biz suv issiqlikning katta qismini o'zining yuzasida yo'qotadi deb hisoblasak (sharoitga qarab, bu haqiqat bo'lishi mumkin yoki bo'lmasligi mumkin), u holda tepasi issiqroq suv issiqlikni yo'qotadi va tepasi sovuq bo'lgan suvga qaraganda tezroq muzlaydi.
Eritilgan gazlar: Issiq suv sovuq suvga qaraganda erigan gazlarni ushlab turish qobiliyatiga ega emas, bu uning muzlash tezligiga ta'sir qilishi mumkin.
Atrofning ta'siri: Ikkita idishdagi suvning dastlabki harorati orasidagi farq atrofga ta'sir qilishi mumkin, bu esa sovutish tezligiga ta'sir qilishi mumkin. Masalan, iliq suv sovuqni oldindan sovutish qatlamini eritishi va yaxshi sovutish tezligini ta'minlashi mumkin.
Raul qonunlari — eritma ustidagi erituvchining toʻyingan bugʻ bosimi bilan eritmaning tarkibi orasidagi bogʻlanishni ifodalovchi qonunlar. Raul eritma bugʻ bosimining sof erituvchi bugʻ bosimiga qaraganda past boʻlishidan foydalanib bir nechta mutsim qonunlar kashf etdi. Eritma bugʻ bosimining pasayishi sababli eritmaning muzlash temperaturasi sof erituvchining muzlash temperaturasidan past boʻladi, uning qaynash temperaturasi esa sof erituvchinikidan yuqori boʻladi. Bu kattalik erituvchining tegishlicha krioskopik yoki ebulioskopik konstantasi deb ataladi. Raul qonunlariiga asoslanib erituvchida erigan moddalarning mol. m. aniqpanadi. Erituvchi muzlash temperaturasining pasayishiga karab mol.m.ni aniqlash usuli — krioskopik usul, qaynash temperaturasining kutarilishiga qarab aniqlash usuli esa ebulioskopik usul deb ataladi. Qonunlar 1882—88 yillarda F.M.Raul tomonidan kashf etilgan
Suyultirilgan eritmalarning kristallanish harorati. Eritma toza erituvchidan farqli o’larok, to’laligicha bitta doimiy haroratda qotmaydi. Ma’lum bir haroratda kristallar paydo bo’lib, harorat pasayishi bilan kristallar soni ortadi va pravardida butunlay qotadi. Eritmalarni sovutish natijasida kristallanishni boshlab beradigan harorat eritmalarni kristallanishini boshlanish harorati deyiladi. Qattiq eritmalar hosil bo’lmaydigan sharoitda erituvchi kristallari eritma bilan berilgan tarkibdagi muvozanatda turadi. Agar kristallanish harorati uy haroratidan yuqori bo’lmasa, eritmaning muzlash harorati deyiladi. Suyultirilgan eritmalar toza erituvchiga nisbatan past haroratda muzlaydi. Lomonosov o’z davrida dengiz suvi 273 K emas, balki pastroq harorat muzlashini isbotlagan. Bu keyinchalik Raulning ikkinchi qonuniga asos bo’ldi.
Raul qonunlaridan ko’rinib turibdiki, bug’ning portsial bosimi va konsentratsiya orasida to’g’ri chiziqli bog’liqlik bor. Ideal holatda portsial bosimning o’zgarishi va bug’ning umumiy bosimi orasidagi bog’liqlik to’g’ri chiziq bilan ifodalanadi . Eritmaning muzlash haroratining pasayishi erituvcihinikiga nisbatan pasayishiga erigan modda konsentratsiyasiga to’g’ri proportsionaldir:
T_M=K * C_m
Bu yerda , m – 1000 g eritmada erigan modda mol miqdorini ifodalovchi – molyar konsentratsiya . Bu tenglama Raulning II qonuni tenglamasi deyiladi.