Ponto de congelamento: como calculá-lo e exemplos - Ciência - 2023

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o ponto de congelamento é a temperatura na qual uma substância experimenta um equilíbrio de transição líquido-sólido. Quando se trata de substância, pode ser um composto, um elemento puro ou uma mistura. Teoricamente, toda matéria congela quando a temperatura cai para zero absoluto (0K).

Porém, temperaturas extremas não são necessárias para observar o congelamento de líquidos. Os icebergs são um dos exemplos mais óbvios de corpos d'água congelados. Da mesma forma, o fenômeno pode ser rastreado em tempo real usando banhos de nitrogênio líquido ou usando um freezer simples.

Qual é a diferença entre congelamento e solidificação? Que o primeiro processo é altamente dependente da temperatura, da pureza do líquido, e é um equilíbrio termodinâmico; enquanto o segundo está mais relacionado a mudanças na composição química da substância que se solidifica, mesmo sem ser completamente líquida (uma pasta).

Portanto, um congelamento é uma solidificação; mas o inverso nem sempre é verdadeiro. Além disso, para descartar o termo solidificação, deve haver uma fase líquida em equilíbrio com o sólido da mesma substância; Os icebergs fazem isso: eles flutuam na água líquida.

Assim, está-se perante o congelamento de um líquido quando se forma uma fase sólida em consequência da diminuição da temperatura. A pressão também influencia essa propriedade física, embora seus efeitos sejam menores em líquidos com baixa pressão de vapor.

Qual é o ponto de congelamento?

À medida que a temperatura cai, a energia cinética média das moléculas diminui e, portanto, elas ficam um pouco mais lentas. À medida que você vai mais devagar no líquido, chega um ponto em que eles interagem o suficiente para formar um arranjo ordenado de moléculas; este é o primeiro sólido, do qual crescerão cristais maiores.

Se esse primeiro sólido "balançar" muito, será necessário baixar ainda mais a temperatura até que suas moléculas permaneçam estáveis o suficiente. A temperatura na qual isso é alcançado corresponde ao ponto de congelamento; a partir daí, o equilíbrio líquido-sólido é estabelecido.

O cenário acima ocorre para substâncias puras; mas e se eles não forem?

Nesse caso, as moléculas do primeiro sólido devem conseguir incorporar as moléculas estranhas. Como resultado, um sólido impuro (ou solução sólida) é formado, o que requer uma temperatura inferior ao ponto de congelamento para sua formação.

É então falado queda do ponto de congelamento. Como há mais moléculas estranhas, ou mais corretamente falando, impurezas, o líquido irá congelar em temperaturas cada vez mais baixas.

Congelamento vs solubilidade

Dada uma mistura de dois compostos, A e B, conforme a temperatura cai, A congela, enquanto B permanece líquido.

O cenário é semelhante ao que acabamos de explicar. Uma parte de A ainda não congelou e, portanto, está dissolvida em B. É então uma questão de equilíbrio de solubilidade em vez de uma transição líquido-sólido?

Ambas as descrições são válidas: A precipita ou congela, separando-se de B quando a temperatura cai. Todo A terá precipitado quando não houver mais nada dele dissolvido em B; o que é o mesmo que dizer que A terá congelado completamente.

Porém, é mais conveniente tratar o fenômeno do ponto de vista do congelamento. Portanto, A congela primeiro porque tem um ponto de congelamento mais baixo, enquanto B precisará de temperaturas mais frias.

No entanto, o "gelo de A" na verdade consiste em um sólido que tem uma composição mais rica de A do que B; mas B também está lá. Isso ocorre porque A + B é uma mistura homogênea e, portanto, parte dessa homogeneidade é transferida para o sólido congelado.

Como calcular?

Como você pode prever ou calcular o ponto de congelamento de uma substância? Existem cálculos físico-químicos que permitem obter um valor aproximado deste ponto sob outras pressões (diferente de 1atm, a pressão ambiente).

No entanto, estes levam à entalpia de fusão (Δ_Fus); já que, a fusão é o processo em sentido oposto ao congelamento.

Além disso, experimentalmente é mais fácil determinar o ponto de fusão de uma substância ou mistura do que seu ponto de congelamento; Embora possam parecer iguais, eles apresentam certas diferenças.

Conforme mencionado na seção anterior: quanto maior a concentração de impurezas, maior a queda no ponto de congelamento. Isso também pode ser dito da seguinte maneira: quanto mais baixa for a fração molar X do sólido na mistura, mais baixa será a temperatura de congelamento.

Equação de diminuição da temperatura

A seguinte equação expressa e resume tudo o que foi dito:

LnX = - (Δ_Fus/ R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Onde R é a constante de gás ideal, que tem uso quase universal. Tº é o ponto de congelamento normal (à pressão ambiente) e T é a temperatura na qual o sólido irá congelar até uma fração molar X.

Desta equação, e após uma série de simplificações, obtém-se o seguinte, mais conhecido:

ΔTc = K_Fm (2)

Onde m é a molalidade do soluto ou impureza, e K_F é a constante crioscópica do solvente ou componente líquido.

Exemplos

Uma breve descrição do congelamento de algumas substâncias será fornecida a seguir.

Água

A água congela a cerca de 0ºC. No entanto, este valor pode diminuir se contiver um soluto dissolvido nele; para dizer, sal ou açúcar.

Dependendo da quantidade de soluto dissolvido, existem diferentes molalidades m; e à medida que m aumenta, X diminui, cujo valor pode ser substituído na equação (1) e assim resolver para T.

Por exemplo, se você colocar um copo de água no freezer e outro com água adoçada (ou qualquer bebida à base de água), o copo de água congelará primeiro. Isso ocorre porque seus cristais se formam mais rapidamente sem a perturbação das moléculas de glicose, íons ou outras espécies.

O mesmo aconteceria se um copo de água do mar fosse colocado no freezer. Agora, o copo de água do mar pode ou não ser congelado primeiro do que o copo de água doce; a diferença vai depender da quantidade de soluto e não de sua natureza química.

É por esta razão que a diminuição da Tc (temperatura de congelamento) é uma propriedade coligativa.

Álcool

Os álcoois congelam em temperaturas mais baixas do que a água líquida. Por exemplo, o etanol congela em torno de -114 ° C. Se for misturado com água e outros ingredientes, haverá aumento no ponto de congelamento.

Por quê? Porque a água, uma substância líquida miscível com o álcool, congela a uma temperatura muito mais alta (0ºC).

Voltando à geladeira com os copos d'água, se desta vez for introduzido um com uma bebida alcoólica, este será o último a congelar. Quanto mais alto o teor de etil, o freezer precisará resfriá-lo ainda mais para congelar a bebida. É por esse motivo que bebidas como a tequila são mais difíceis de congelar.

Leite

O leite é uma substância de base aquosa, na qual a gordura se dispersa junto com a lactose e os fosfatos de cálcio, além de outras lipoproteínas.

Os componentes que são mais solúveis em água determinam o quanto seu ponto de congelamento varia com a composição.

Em média, o leite congela a uma temperatura em torno de -0,54ºC, mas varia entre -0,50 e -0,56 dependendo da porcentagem de água. Assim, é possível saber se o leite foi adulterado. E como você pode ver, um copo de leite congelará quase no mesmo nível que um copo de água.

Nem todo leite congela na mesma temperatura, pois sua composição também depende de sua origem animal.

Mercúrio

O mercúrio é o único metal que se encontra na forma líquida à temperatura ambiente. Para congelar, é necessário baixar a temperatura para -38,83ºC; E desta vez a ideia de despejá-lo em um copo e colocá-lo no freezer será evitada, pois pode causar acidentes terríveis.

Observe que o mercúrio congela antes do álcool. Isso pode ser devido ao fato de que o cristal de mercúrio vibra menos por ser formado por átomos ligados por ligações metálicas; enquanto no etanol, são moléculas de CH₃CH₂OH relativamente leve que deve se assentar lentamente.

Gasolina

De todos os exemplos de pontos de congelamento, a gasolina é o mais complexo. Como o leite, é uma mistura; Mas sua base não é a água, mas um grupo de vários hidrocarbonetos, cada um com suas próprias características estruturais. Algumas moléculas pequenas e outras grandes.

Os hidrocarbonetos com pressões de vapor mais baixas congelarão primeiro; enquanto os outros permanecerão no estado líquido, mesmo que um copo de gasolina seja cercado por nitrogênio líquido. Não formará propriamente um “gelo de gasolina”, mas um gel com tons verde-amarelados.

Para congelar completamente a gasolina, pode ser necessário resfriar a temperatura até -200ºC. A esta temperatura é provável que se forme gelo de gasolina, uma vez que todos os componentes da mistura terão congelado; ou seja, não haverá mais uma fase líquida em equilíbrio com um sólido.

Referências

Departamento de Física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. (2018). Q&A: Congelamento de gasolina. Recuperado de: van.physics.illinois.edu
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