Videnskabsprojekter om, hvad der fryser hurtigere: Vand eller sukkervand?

Statlige og kommunale myndigheder udsender ofte salt som afisningsmiddel på veje. Det virker ved effektivt at sænke isens smeltetemperatur. Dette fænomen - kendt som frysepunktsdepression - giver også grundlaget for en lang række videnskabelige projekter. Projekterne kan variere fra simpelt til indviklet - komplet med matematiske forudsigelser - afhængigt af studentens niveau. Desuden indeholder listen over krævede udstyr kun en saucepande og et termometer.

Frysepunktdepression

Når faste stoffer opløses i vand, danner de små, diskrete partikler. For organiske stoffer som sukker består partiklerne af individuelle sukkermolekyler. I tilfælde af salte, såsom bordsalt, også kendt som natriumchlorid, består partiklerne af de ladede ioner, der udgør saltet. Tilstedeværelsen af ​​partikler i vandet interfererer med vandmolekylernes evne til at binde sammen for at danne et fast stof, idet vandets temperatur nærmer sig dets frysepunkt. Frysepunktsdepression forekommer i alle væsker, ikke kun vand.

Måling af frysning

En eksperimentør skal være særlig opmærksom på, hvad hun måler, og hvordan hun måler den. Dette kommer ned på det grundlæggende spørgsmål ved at stille de rigtige spørgsmål. I dette særlige tilfælde bør eksperimentet beskæftige sig med, hvad der fryser hurtigere, eller den temperatur, hvor frysningen opstår? Spørgsmålet om, hvad der fryser hurtigere indebærer, at hvis en prøve af vand og en prøve af sukkervand blev anbragt i en fryser samtidigt, så ville en af ​​dem fryse for den anden. Men hvilke oplysninger ville det faktisk give? Den hastighed, hvormed et stof fryser, vedrører blandt andet parametre opløsningens varmekapacitet og mængden af ​​stof. Det bedre valg i dette tilfælde ville være at måle temperaturen, som løsningerne fryser på, fordi dette svarer til det vigtigste spørgsmål: Er urenheder i vand påvirket dets frysepunkt og i bekræftende fald hvor meget?

At få matematisk

Kemister og fysikere har veletableret videnskab og matematik bag frysepunktsdepression. For avancerede studerende, eller dem med stor interesse for matematik, er standardekvationen for frysepunktsdepression, delta (T), af en opløsning delta (T) = -k * m, hvor k repræsenterer den molære frysepunkts-depressionskonstant af opløsningsmidlet og m repræsenterer opløsningens molalitet eller mol partikler divideret med kilo solvent. Dette virker mere kompliceret, end det faktisk er. Under forudsætning af at vand repræsenterer det eneste opløsningsmiddel, der anvendes i eksperimentet, k = 1,86. Desuden udviser sukker, også kendt som saccharose, en molekylvægt på 342,3. Ligningen for frysepunktsdepression forenkler nu at delta (T) = -1,86 * (gram saccharose /342,3 /kg vand). Så hvis f.eks. 10 gram saccharose blev opløst i 100 ml vand, så blev 100 ml = 100 g = 0,100 kg og delta (T) = -1,86 * (10 /342,3 /0,1) = -0,54 grader Celsius. Således skal denne opløsning fryses ved en temperatur på 0,54 grader Celsius under frysepunktet for rent vand.

Avancerede Projekter

Omarrangering af ligningen fra Trin 3 vil give en eksperimentator mulighed for at måle deltaet (T) og derefter løse for molekylvægten, MW, af saccharose. Det vil sige, MW = (-1,86 * gram saccharose) /(delta (T) * kg vand). Faktisk udfører mange high school og college-niveau kemi studerende eksperimenter, hvor de eksperimentelt bestemmer molekylvægten af ​​et ukendt stof. Metoden virker også med hensyn til kogepunkter, bortset fra at værdien for k ændres til 0,52.