דיכאון נקודת הקפאה כדי לקבוע תרכובת לא ידועה

תכונות מסוימות של פתרון שונים מאלה של ממס טהור עקב אינטראקציות המתרחשות בין מולקולות ממסים. המאפיינים המציגים שינויים כאלה נקראים המאפיינים הקוליגטיביים וכוללים הורדת לחץ אדים, גובה נקודת רתיחה, דיכאון נקודת הקפאה ושינויים בלחץ האוסמוטי. תכונות אלה תלויות רק במספר החלקיקים המומסים בממס, ולא בזהות החלקיקים. חלקיק, במקרה זה, מוגדר כיון או מולקולה. ניסוי זה מתמקד ברכוש של דיכאון נקודת הקפאה.

כאשר solute מסוים מומס בממס, הביטוי הבא מחזיק נכון:

ΔT = T_f° - T_f = K_fm

המונחים T_f° ו- T_f מתייחסים לטמפרטורות נקודת ההקפאה של הממס הטהור והפתרון, בהתאמה. המונח "m" מציין את המולת של הפתרון, המוגדר כמספר מולים של solute לכל 1,000 גרם של ממס. כמות זו משמשת, ולא טוחנת, כי זה לא תלוי בטמפרטורה. הקבוע, K_f, מכונה קבוע נקודת הקפאה-דיכאון תלוי רק על הממס. שינוי הטמפרטורה תלוי גם במספר החלקיקים ההולכים בתמיסה - ככל שיש יותר חלקיקים, כך השינוי בטמפרטורה גדול יותר. מסיבה זו, המשוואה הקודמת נכתבת לעתים כ:

T_f° - T_f = K_fim

כאשר i = מספר החלקיקים ההולכים המיוצרים ליחידת פורמולה שמתמוססת. בתמיסה המכילה אלקטרוליט, כל יון נחשב לחלקיק.

ניסוי זה משתמש cyclohexane, תרכובת אורגנית כי הוא נוזל בטמפרטורת החדר, כמו ממס. התרכובת הלא ידועה היא מולקולה אורגנית לא יונית; לכן, אני שווה ל- 1. המשקל המולקולרי של תרכובת לא ידועה זו יכול להיקבע על ידי התבוננות בנקודת ההקפאה של פתרון של המתחם cyclohexane והשוואתו לנקודת ההקפאה של cyclohexane טהור.

cyclohexane המתחם יש נקודת התכה (או נקודת הקפאה) של כ 6 °C (6 °F). סדרה של טמפרטורות של cyclohexane טהור מתקבלים כפי שהוא מתקרר מטמפרטורת החדר דרך נקודת ההקפאה שלה באמבט קרח. הטמפרטורות האלה מתוותות אז כפונקציה של זמן. באופן דומה, טמפרטורות של פתרון של המתחם הלא ידוע מומס cyclohexane מתקבלים כפי שהוא מתקרר עד לנקודת ההקפאה, אשר גם שרטטו. העלילות אמורות להיראות דומות לחלקות באיור 1. ניתן לשער את ערכי T_f° ו- T_f, כפי שמוצג. באיור 1b, הטמפרטורה אינה נשארת קבועה לחלוטין כשהפתרון קופא. נקודת ההקפאה של הפתרון היא הנקודה שבה הוא מתחיל להקפיא לראשונה והוא מצוין באופן גרפי על ידי שינוי במדרון של עקומת זמן הטמפרטורה.

הרכיכות, m, של פתרון יכולה לבוא לידי ביטוי במונחים של המסה הטוחנת של solute:

החלפת ביטוי זה במשוואה עבור דיכאון נקודת הקפאה (כאשר i = 1), משיגה:

סידור מחדש כדי לפתור עבור מסה טוחנת, משיג:

המשקל המולקולרי (באמו) של חומר יש את אותו ערך מספרי כמו המסה הטוחנת שלה.

החומר הלא ידוע הוא אחת התרכובות הבאות:

• ביפניל (C₁₂H₁₀)
• 2-ברומוכלורובנזן (C₆H₄BrCl)
• נפטלין (C₁₀H₈)
• אנתרקין (C₁₄H₁₀)
• 1,4-דיברתברומבנזן (C₆H₄Br₂)

איור 1. איור 1a הוא חלקת טמפרטורה כפונקציה של זמן לקביעת T_f° עבור הממס הטהור. איור 1b הוא חלקת טמפרטורה כפונקציה של זמן לקביעת T_f לפתרון.

ניתן לחשב את המסה של cyclohexane שניתן היה לחלק. הצפיפות של cyclohexane הוא 0.779 g / mL.

ניתן לקבוע את הערכים עבור T_f° ו- T_f מהמגרשים.

ניתן לחשב גם את המסה הטוחנת, ולכן את המשקל המולקולרי של המתחם הלא ידוע. עבור cyclohexane, K_f = 20.2 °C ק"ג / מול של solute.

מסת טחנת = 134 גרם/מול

משקל מולקולרי = 134 אמו

המשקלים המולקולריים של התרכובות האפשריות הם:

• 154.21 אמו לביפניל
• 191.46 אמו עבור 2-ברומוכלורובנזנה
• 128.17 אמו לנפתלין
• 178.23 אמו לאנתרקין
• 235.90 אמו עבור 1,4-דיברתולמובנזן

הערך שנקבע באופן ניסיוני עבור המשקל המולקולרי של המתחם הלא ידוע הוא הקרוב ביותר לערך הספרותי עבור נפטלין.

ניתן לחשב את שגיאת האחוז.

% error = 4.55%

אולי היישום הבולט ביותר של תופעת הדיכאון נקודת הקפאה מתרחשת במהלך חודשי החורף, כאשר כבישים ומדרכות הופכים קפואים, ומלח משמש לטיפול במשטחים החלקלקים. כאשר המלח מתערבב עם הקרח, נקודת ההקפאה של המים מדוכאת כך שהקרח נמס בטמפרטורה נמוכה יותר. מכיוון שמידת הדיכאון של נקודת ההקפאה תלויה במספר החלקיקים בתמיסה, מלחים המשחררים שלושה יונים ליחידת פורמולה, כגון סידן כלוריד (CaCl₂), מנוצלים לעתים קרובות למטרה זו. יצרני גלידה גם לעשות שימוש בדיכאון נקודת הקפאה המתרחשת כאשר מלח וקרח מעורבבים. נקודת ההקפאה של שמנת היא הרבה מתחת 0 °C (50 °F), במיוחד כאשר הוא משולב עם סוכר ומרכיבים אחרים המשמשים להכנת גלידה. מסיבה זו, קרח ומלח סלע משולבים במיכל החיצוני של מכונת גלידה על מנת להשיג טמפרטורה נמוכה מספיק כדי להקפיא את התערובת המצורפת במיכל הפנימי.

כימאים מנצלים את התופעה של דיכאון נקודת הקפאה בניתוח של תרכובות אורגניות מוצקות. הטוהר של מוצר מוצק מסינתזה כימית נקבע לעתים קרובות על ידי מדידת נקודת ההיתוך (תיאורטית, זהה לנקודת ההקפאה) של החומר. אם קיים טומאת תוקף במתחם, נקודת ההיתוך הנצפית נמוכה מהצפוי. זה קורה כי, כמו מוצק מתחיל להינמס, ההטמאה פועלת כמו solute כי הוא מומס בצורה נוזלית של המתחם; לכן, נקודת ההיתוך, או ההקפאה של המתחם מדוכאת.

תעשיית התרופות משתמשת בכמויות גדולות של ממיסים אורגניים לתגובות שמובילות לסינתזה של סוכנים טיפוליים. ממיסים אלה יוצרים כמויות משמעותיות של פסולת נוזלית המסוכנות לסביבה. מדי פעם, ניתן לנצל את תופעת הדיכאון נקודת ההקפאה כדי לחסל את הצורך ממס בסינתזה. כאשר מגיבים מוצקים המעורבים בתגובה נמחצים יחד, נקודות ההיתוך (או ההקפאה) של שתי התרכובות יורדות. אם לשתי התרכובות יש נקודת התכה נמוכה מאוד, הזוג למעשה הופך לנוזלים בטמפרטורת החדר כאשר הם טחונים יחד, מה שמאפשר למולקולות לקיים אינטראקציה זו עם זו כדי שהתגובה תתרחש. תהליכים אלה ללא ממסים הם דוגמה לכימיה "ירוקה", המתייחסת להליכים כימיים המפחיתים או מבטלים את השימוש והיצירה של חומרים מסוכנים.