TITIK BEKU: CARA MENGHITUNG DAN CONTOH - KIMIA - 2024

Titik beku adalah suhu di mana suatu zat mengalami kesetimbangan transisi cair-padat. Ketika sampai pada zat, itu bisa berupa senyawa, unsur murni atau campuran. Secara teoritis, semua materi membeku saat suhu turun ke nol absolut (0K).

Namun, suhu ekstrim tidak diperlukan untuk mengamati pembekuan cairan. Gunung es adalah salah satu contoh air beku yang paling jelas. Demikian juga, fenomena ini dapat dilacak secara real time menggunakan rendaman nitrogen cair, atau menggunakan freezer sederhana.

Sumber: Pxhere

Apa perbedaan antara Pembekuan dan Pemadatan? Bahwa proses pertama sangat bergantung pada suhu, kemurnian cairan, dan merupakan kesetimbangan termodinamika; sedangkan yang kedua lebih berkaitan dengan perubahan komposisi kimiawi zat yang membeku, bahkan tanpa sepenuhnya cair (berupa pasta).

Oleh karena itu, pembekuan adalah pemadatan; tetapi kebalikannya tidak selalu benar. Selanjutnya, untuk mengesampingkan istilah solidifikasi, harus ada fasa cair dalam kesetimbangan dengan padatan dari bahan yang sama; gunung es melakukan ini: mereka mengapung di atas air cair.

Jadi, seseorang menghadapi pembekuan cairan ketika fasa padat terbentuk sebagai akibat dari penurunan suhu. Tekanan juga mempengaruhi sifat fisik ini, meskipun pengaruhnya lebih kecil pada cairan dengan tekanan uap rendah.

Berapakah titik bekunya?

Saat suhu turun, energi kinetik rata-rata molekul menurun, dan karenanya mereka sedikit melambat. Saat Anda bergerak lebih lambat dalam cairan, akan datang titik di mana mereka berinteraksi cukup untuk membentuk susunan molekul yang teratur; ini adalah padatan pertama, dari mana kristal yang lebih besar akan tumbuh.

Jika padatan pertama ini "bergoyang" terlalu banyak, maka perlu untuk menurunkan suhu lebih jauh sampai molekulnya tetap diam. Suhu di mana ini dicapai sesuai dengan titik beku; dari sana, kesetimbangan cair-padat terbentuk.

Skenario sebelumnya terjadi untuk zat murni; tapi bagaimana jika tidak?

Dalam hal ini, molekul padatan pertama harus berhasil memasukkan molekul asing. Akibatnya, terbentuk padatan tidak murni (atau larutan padat), yang membutuhkan suhu lebih rendah dari titik beku untuk pembentukannya.

Kemudian kita berbicara tentang penurunan titik beku. Karena ada lebih banyak molekul asing, atau lebih tepatnya, kotoran, cairan akan membeku pada suhu yang lebih rendah dan lebih rendah.

Pembekuan vs kelarutan

Diberikan campuran dua senyawa, A dan B, saat suhu turun, A membeku, sedangkan B tetap cair.

Skenarionya mirip dengan yang baru saja dijelaskan. Sebuah bagian dari A belum membeku, dan oleh karena itu terlarut dalam B. Apakah kesetimbangan kelarutan yang kita bicarakan, bukan transisi cair-padat?

Kedua deskripsi tersebut valid: A mengendap atau membeku, berpisah dari B saat suhu turun. Semua A akan mengendap jika tidak ada lagi yang terlarut dalam B; yang sama dengan mengatakan bahwa A akan membeku sepenuhnya.

Namun demikian, akan lebih mudah menangani fenomena tersebut dari sudut pandang pembekuan. Jadi, A membeku lebih dulu karena titik beku lebih rendah, sedangkan B membutuhkan suhu yang lebih dingin.

Namun, "es A" sebenarnya terdiri dari padatan yang memiliki komposisi A lebih kaya daripada B; tapi B juga ada. Hal ini karena A + B adalah campuran yang homogen, dan oleh karena itu sebagian dari homogenitas tersebut ditransfer ke padatan beku.

Bagaimana cara menghitungnya?

Bagaimana Anda bisa memprediksi atau menghitung titik beku suatu zat? Ada perhitungan fisikokimia yang memungkinkan diperolehnya nilai perkiraan titik ini di bawah tekanan lain (selain 1atm, tekanan ambien).

Namun, ini mengarah pada entalpi fusi (Δ _Fus ); karena, fusi adalah proses yang berlawanan dengan pengertian pembekuan.

Lebih lanjut, secara eksperimental lebih mudah untuk menentukan titik leleh suatu zat atau campuran daripada titik bekunya; Meski tampak sama, mereka menunjukkan perbedaan tertentu.

Seperti disebutkan di bagian sebelumnya: semakin tinggi konsentrasi pengotor, semakin besar penurunan titik bekunya. Hal ini juga dapat dikatakan sebagai berikut: semakin rendah fraksi mol X padatan dalam campuran, semakin rendah suhu yang akan membeku.

Persamaan penurunan suhu

Persamaan berikut mengungkapkan dan merangkum semua yang telah dikatakan:

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

Dimana R adalah konstanta gas ideal, yang penggunaannya hampir universal. Tº adalah titik beku normal (pada tekanan lingkungan), dan T adalah suhu di mana zat padat akan membeku menjadi fraksi mol X.

Dari persamaan ini, dan setelah serangkaian penyederhanaan, diperoleh hal-hal berikut yang lebih dikenal:

ΔTc = K _F m (2)

Di mana m adalah molalitas zat terlarut atau pengotor, dan K _F adalah konstanta krioskopik pelarut atau komponen cairan.

Contoh

Penjelasan singkat tentang pembekuan beberapa zat akan diberikan di bawah ini.

air

Air membeku sekitar 0ºC. Namun, nilai ini dapat menurun jika mengandung zat terlarut yang terlarut di dalamnya; untuk mengatakan, garam atau gula.

Tergantung pada jumlah zat terlarut, ada molalitas berbeda m; dan saat m meningkat, X berkurang, yang nilainya dapat diganti dalam persamaan (1) dan dengan demikian menyelesaikan untuk T.

Misalnya, jika gelas berisi air ditempatkan di freezer, dan gelas lain dengan air manis (atau minuman berbahan dasar air), gelas berisi air akan membeku terlebih dahulu. Ini karena kristal terbentuk lebih cepat tanpa gangguan molekul glukosa, ion, atau spesies lain.

Hal yang sama akan terjadi jika Anda memasukkan segelas air laut ke dalam freezer. Sekarang, segelas air laut mungkin atau mungkin tidak membeku lebih dulu daripada segelas air manis; perbedaannya akan tergantung pada jumlah zat terlarut dan bukan pada sifat kimianya .

Karena alasan inilah penurunan Tc (suhu beku) bersifat koligatif.

Alkohol

Sumber: Pixabay

Alkohol membeku pada suhu yang lebih dingin daripada air cair. Misalnya, etanol membeku sekitar -114 ° C. Jika dicampur dengan air dan bahan lainnya, maka akan terjadi peningkatan titik beku sebaliknya.

Mengapa? Karena air, zat cair yang dapat larut dengan alkohol, membeku pada suhu yang jauh lebih tinggi (0ºC).

Kembali ke lemari es dengan gelas berisi air, jika kali ini memasukkan minuman beralkohol, ini akan menjadi yang terakhir untuk dibekukan. Semakin tinggi kadar etil, freezer perlu mendinginkannya lebih lanjut untuk membekukan minuman. Karena alasan inilah minuman seperti tequila lebih sulit dibekukan.

susu

Sumber: Pixabay

Susu adalah zat berbasis air, di mana lemak disebarkan bersama dengan laktosa dan kalsium fosfat, selain lipoprotein lainnya.

Komponen yang lebih larut dalam air menentukan seberapa besar titik bekunya akan bervariasi dengan komposisinya.

Rata-rata susu membeku pada suhu sekitar -0,54ºC, tetapi berkisar antara -0,50 dan -0,56 tergantung persentase air. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengetahui apakah susu telah dipalsukan. Dan seperti yang Anda lihat, segelas susu akan membeku hampir setara dengan segelas air.

Tidak semua susu membeku pada suhu yang sama, karena komposisinya juga bergantung pada sumber hewani.

Air raksa

Merkuri adalah satu-satunya logam yang berbentuk cair pada suhu kamar. Untuk membekukannya, perlu diturunkan suhu menjadi -38,83ºC; Dan kali ini ide menuangkannya ke dalam gelas dan menaruhnya di freezer akan dihindari, karena dapat menyebabkan kecelakaan yang mengerikan.

Perhatikan bahwa merkuri membeku sebelum alkohol. Hal ini mungkin disebabkan fakta bahwa kristal merkuri bergetar lebih sedikit karena terdiri dari atom-atom yang dihubungkan oleh ikatan logam; sedangkan dalam etanol, mereka adalah molekul CH ₃ CH ₂ OH yang relatif ringan yang harus diakomodasi secara perlahan.

Bensin

Dari semua contoh titik beku, bensin adalah yang paling kompleks. Seperti susu, itu adalah campuran; tetapi basisnya bukanlah air, tetapi sekelompok hidrokarbon, masing-masing dengan karakteristik strukturalnya sendiri. Beberapa molekul kecil, dan beberapa yang besar.

Hidrokarbon dengan tekanan uap lebih rendah akan membeku terlebih dahulu; sedangkan yang lainnya akan tetap dalam keadaan cair, meskipun segelas bensin dikelilingi oleh nitrogen cair. Ini tidak akan dengan benar membentuk "es bensin", tetapi gel dengan nada kuning-hijau.

Untuk membekukan bensin sepenuhnya, mungkin perlu untuk mendinginkan suhu hingga -200ºC. Pada suhu ini kemungkinan besar es bensin akan terbentuk, karena semua komponen campuran akan membeku; Artinya, tidak akan ada lagi fase cair dalam kesetimbangan dengan padatan.

Referensi

1. Departemen Fisika, Universitas Illinois di Urbana-Champaign. (2018). T&J: Pembekuan bensin. Diperoleh dari: van.physics.illinois.edu
2. Ira N. Levine. (2014). Prinsip fisikaokimia. (Edisi keenam). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Perjanjian Fisikokimia. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Madrid (Spanyol).
4. Walter J. Moore. (1962). Kimia Fisik. (Edisi keempat). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Penentuan Titik Beku Susu. Diperoleh dari: sibagropribor.ru
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 Juni 2018). Titik Beku Alkohol. Diperoleh dari: thinkco.com