در علم شیمی نقطه انجماد (Solidification یا freezing) به دمایی گفته می شود که در آن دما، مایع حالت خود را به جامد تغییر دهد. در بیشتر مواد شیمیایی، نقطه ذوب و نقطه انجماد یکسان می باشد، اما موادی نیز وجود دارند که نقطه ذوب و انجماد آنها یکسان نیست. توجه داشته باشید که این دو نقطه قابل تعویض نمی باشند، بنابراین نمی توان از این دو اصطلاح به جای هم استفاده نمود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک و با توجه به جایگاه مهم نقطه انجماد در شیمی، به بررسی آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- مقدمه
۲- فرآیند انجماد
۳- مایع زیر انجماد
۴- نقطه انجماد نرمال
۵- تفاوت بین نقطه ذوب و نقطه انجماد
۶- اثر ناخالصی در نقطه انجماد
۷- کاهش نقطه انجماد
مقدمه
مواد شیمیایی از سه حالت مختلف جامد، مایع و گاز تشکیل شده اند. این سه حالت ماده، تحت شرایط خاصی می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. به عنوان مثال آب را در نظر بگیرید. آب در حالت طبیعی به شکل مایع می باشد، در صورت حرارت دادن آن تا دمای بالاتر از نقطه جوش تبخیر می شود و به حالت گاز در می آید. حال اگر آن را تا دمای زیر صفر درجه سانتیگراد (۳۲ درجه فارنهایت) سرد نمایید، منجمد می شود و در نهایت یخ تشکیل می دهد. لازم به ذکر است که هر مایعی نقطه انجماد ویژه و مخصوص به خود را دارد، مثلا آب در صفر درجه سانتی گراد شروع به منجد شدن می کند. لازم به ذکر است که تعدادی از مواد شیمیایی در دما های پایینتر از دمای انجماد آب و تعدادی دیگر در دما های بالاتر از آن منجمد می شوند.
خواص حالت مایع در واقع حد وسط میان آرایش منظم مولکول ها در حالت جامد و بی نظمی مولکولی در حالت گاز می باشد. در حقیقت در حالت مایع، مولکول ها آنقدر آهسته جابجا شده و حرکت می کنند که نیرو های جاذبه بین مولکولی بین آنها می توانند مولکول ها را در حجم معین نگه دارند. اما از طرفی هنوز جنبش مولکول ها آنقدر سریع است که نیرو های جاذبه بین مولکولی نتوانند آنها را در موقعیت مشخصی از شبکه بلور ثابت نگه دارند.
فرآیند انجماد
با پایین آمدن دما و سرد شدن مایع، حرکت مولکول های آن کند می شود. تا جاییکه در یک دمای معین، انرژی جنبشی برخی مولکول ها آنقدر کم می شود که نیرو های جاذبه بین مولکولی بتوانند آنها را در یک شبکه بلوری، ثابت نگه دارند. در این حالت می توان گفت که منجمد شدن آغاز شده است و بدین ترتیب مولکول های کم انرژی آهسته و به تدریج در شبکه بلور قرار می گیرند. لازم به ذکر است که فرآیند انجماد یک ماده، آنتروپی آن ماده را کاهش می دهد. توجه داشته باشید که به دلیل جدا شدن مولکول های کم انرژی از محلول مورد نظر، دمای سایر مولکول های باقی مانده در محلول افزایش پیدا می کند. در نتیجه برای ثابت نگه داشتن دمای محلول، باید مقداری از گرمای آن محلول گرفته شود.
جالب است بدانید که
تعدادی از مواد شیمیایی، مانند یخ، قلع و سرب، در یک دمای مشخص از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می شوند. در واقع این گونه مواد، قبل از ذوب شدن نرم نمی شوند. اگر دمای این دسته مواد را کاهش دهید، در همان دمایی که ذوب شده اند، به شکل جامد در خواهند آمد. به بیان دیگر این گونه مواد دارای دمای ذوب معینی می باشند و می توان گفت که در چه دمایی ذوب یا منجمد می شوند. در حقیقت در این گروه از مواد دمای ذوب با دمای انجماد برابر خواهد بود.
در حالیکه گروهی دیگر از مواد مانند قیر و شیشه در هنگام تبدیل از حالت جامد به حالت مایع کم کم نرم می شوند. در واقع، زمانیکه این گروه از مواد گرم شوند، ابتدا نرم شده و از شکل جامد خارج می شوند. حال اگر فرآیند گرما دادن ادامه یابد، کم کم به طور کامل به شکل مایع در می آیند. توجه داشته باشید که این گونه مواد نقطه ذوب معینی ندارند و در اصطلاح گفته می شود که این مواد دارای ذوب خمیری هستند.
مایع زیر انجماد
در برخی موارد، دمای مولکول های یک مایع در هنگام سرد شدن به پایین تر از دمای انجماد می رسد. در این حالت، حرکات نا منظم مایع از دست رفته و در واقع مایع زیر انجماد می باشد. حال اگر یک دانه کوچک بلور جامد را در درون محلول بیندازید و یا یک همزن را به دیواره داخلی ظرف حاوی مایع بکشید، در اطراف آنها تبلور ایجاد می شود. در این صورت دمای محلول به دمای نقطه انجماد باز می گردد تا تعادل پایدار مایع- جامد دوباره برقرار شود. در واقع این فرآیند تبلو، باعث تولید گرما می شود تا دمای محلول به نقطه انجماد برگردد.
بعضی از مایعات حالت زیر انجماد خود را می توانند به مدت طولانی نگه دارند. در واقع مولکول های این دسته از مایعات در طی فرآیند سرد شدن، به جای آنکه شکل هندسی منظم مربوط به بلور داشته باشند، با آرایش نا منظمی جامد می شوند. توجه داشته باشید که این دسته از مواد ویسکوزیته نسبتا بالایی دارند و معمولا شکل مولکولی آنها پیچیده است، بنابراین به سختی متبلور می شوند. به این دسته از مواد، جامدات بی شکل یا شیشه مانند می گویند. قیر، شیشه و برخی پلاستیک ها در این دسته قرار می گیرند. به بیان دیگر این دسته از مواد را با سرد کردن تدریجی می توان رقیق کرد و همچنین با تغییرات بسیار آهسته در حالت زیر انجماد متبلور نمود.
نقطه انجماد نرمال
نقطه انجماد به عنوان مشخصه ای از مایعات محسوب می شود که در آن نقطه، مایع به جامد تبدیل می شود. نقطه انجماد نرمال یک مایع به دمایی گفته می شود که در آن دما، مایع و جامد تحت فشار کل یک اتمسفر در حال تعادل باشند. در واقع در دمای انجماد، دمای سیستم مایع – جامد مورد نظر ثابت باقی می ماند تا تمام مایع، منجمد گردد.
به میزان گرمایی که از مواد شیمیایی در این نقطه گرفته می شود تا یک مول از آن ماده منجمد شود، گرمای مولی تبلور می گویند. این مقدار در واقع با تفاوت انرژی گرمایی (ΔH) مایع و جامد برابر می باشد. به عبارت دیگر، در دمای انجماد، مقدار گرمای گرفته شده از ماده مورد نظر به اندازه ای خواهد بود که در اثر آن، نیرو های جاذبه بین مولکول های مایع، سبب کشیده شدن مولکول ها به سمت یکدیگر شود و بدین صورت مایع به جامد تبدیل گردد.
تفاوت بین نقطه ذوب و نقطه انجماد
نقطه ذوب و نقطه انجماد در حقیقت دو ویژگی فیزیکی مواد می باشند. در واقع تفاوت اصلی میان این دو نقطه، در اینست که در نقطه انجماد، هر مایعی حالت خود را به جامد تغییر می دهد، در حالیکه نقطه ذوب دمایی است که در آن دما، جامد به مایع تبدیل می شود. علاوه بر آن، آنتروپی میان دو دمای ذوب و انجماد متفاوت است. به بیان دیگر، در ضمن فرآیند ذوب، آنتروپی افزایش می یابد، در حالیکه در فرآیند منجمد شدن، آنتروپی کاهش پیدا می کند. توجه داشته باشید که هرچند از نظر تئوری، دمای ذوب و دمای انجماد برای مواد معین مشابه می باشند، اما در واقع با یکدیگر کمی متفاوت هستند.
اثر ناخالصی در نقطه انجماد
به طور کلی نا خالصی باعث کاهش نقطه انجماد می شود. به بیان دیگر، اضافه کردن یک ماده حل شونده غیر فرار به مایع، سبب نزول آن خواهد شد. در این صورت، هر محلول آبی که دارای حل شونده غیر فرار باشد، در دمایی پایین تر از صفر درجه سانتیگراد منجمد می شود. به عنوان مثال محلول آب نمک نسبت به آب خالص، در دمای پایین تری منجمد می شود. در حقیقت از این خاصیت می توان در زمستان برای سرعت دادن به ذوب شدن یخ ها در خیابان ها، پیاده رو ها، جاده ها و یا سایر سطوح پوشیده از برف استفاده کرد.
همچنین می توان در رادیاتور خودروها از مخلوط آب و ضدیخ (اتیلن گلیکول) به جای آب خالص استفاده کرد. در واقع از آنجاییکه نقطه انجماد محلول ضدیخ نسبت به آب خالص پایین تر است، بنابراین در فصل زمستان دیرتر منجمد می شود و از یخ زدن آب رادیاتور جلوگیری خواهد کرد. نکته قابل توجه دیگر تاثیر فشار بر نقطه انجماد است. اگر فشار وارد بر آب را کاهش دهید، بر خلاف سایر مایعات، نقطه انجماد آن افزایش پیدا می کند و بلعکس.
کاهش نقطه انجماد
کاهش نقطه انجماد از جمله خواص کولیگاتیو محسوب می شود و در واقع ناشی از اضافه شدن مولکول های حل شونده به حلال می باشد. همان طور که بیان شد، نقطه انجماد محلول ها به دلیل افزایش ناخالصی، پایین تر از نقطه انجماد حلال خالص خواهد بود. به بیان دیگر، این دما به طور مستقیم با غلظت مولال یا مولالیته حل شونده ارتباط دارد. در حقیقت هرچه مولالیته یک محلول بیشتر باشد، نزول نقطه انجماد آن نیز بیشتر بوده و در واقع دمای انجماد پایین تری خواهد داشت. کاهش نقطه انجماد را از طریق اختلاف دمای انجماد حلال و محلول می توان محاسبه کرد.
∆Tf = Tf (solvent) − Tf (solution) = m Kf
که در آن، Tf∆ برابر با نزول نقطه انجماد، Kf ثابت کاهش نقطه انجماد و m غلظت مولال می باشد. توجه داشته باشید که رابطه بالا در صورتی درست است که فرض کنید جسم حل شده منجمد نشود و جامد تولید شده فقط حلال خالص باشد. لازم به ذکر است که جهت محاسبه نقطه انجماد محلول ها به نکات زیر نیز توجه کنید.
- ثابت نزول نقطه انجماد آب را برابر با ١/٨٦- درجه سانتی گراد در نظر بگیرید.
- برای محلول های غیر الکترولیت این نقطه از رابطه (نقطه انجماد = ١/٨٦- × غلظت مولال) تعیین می شود.
- برای محلول های الکترولیت نیز با استفاده از مجموع زیروند یون ها (i) و به کمک رابطه (نقطه انجماد = ١/٨٦- × غلظت مولال × i ) تعیین می شود.
