Hvorfor smelter sukker is?

Det er almindelig praksis at sprede is på veje for at smelte vinteris, men i mangel af is kan du også bruge sukker. Faktisk kan du bruge ethvert stof, der opløses i vand. Sukker ville ikke fungere så godt som salt, og der er spørgsmålet om alt det klæbrige vand, der gør vejkrydset til taffy. Men da det sænker vandets frysepunkt, ville is smelte, så længe udetemperaturen ikke er for kold. Årsagen til at dette sker er, at ethvert opløst stof i vand forstyrrer vandmolekylernes evne til at samle sig til en fast form.

TL; DR (for lang; læste ikke)

Sukker sænker frysepunktet for vand ved at binde til vandmolekylerne og skabe mere plads mellem dem. Dette hjælper dem med at overvinde de elektrostatiske kræfter, der binder dem til en solid struktur. Det samme gælder for ethvert stof, der opløses i vand.
Of Water and Ice
••• Foto af Jonathan Percy på Unsplash

Når vand er i fast tilstand af is, bindes molekylerne med hinanden ind i en krystalstruktur, hvorfra ingen af dem har energi til at flygte. Når temperaturen stiger, får molekylerne vibrationsenergi og bevægelsesfrihed. På et kritisk punkt kan de frigøre sig fra de elektrostatiske kræfter, der binder dem ind i en krystallinsk struktur og bevæge sig mere frit i flydende tilstand. Du kender dette kritiske punkt godt, da det er smeltepunktet ved 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius).

Når vand er i flydende tilstand, og du sænker temperaturen, mister molekylerne energi og til sidst samles i en krystal struktur. Ved denne kritiske temperatur, frysepunktet, har molekylerne ikke nok energi til at undslippe de elektrostatiske bindinger, de udøver på hinanden, så de sætter sig i en "sovende" tilstand som en gruppe af katte, der kæmper sammen for at undslippe vinterkølen. Igen er det de elektrostatiske tiltrækningskræfter, de udøver på hinanden, og som får dette til at ske. sænker frysepunktet af en forholdsvis enkel grund. Når et stof opløses, omgiver vandmolekyler det og binder til det elektrostatisk. Opløsningen giver rum mellem vandmolekylerne og mindsker tiltrækningen, de udøver på hinanden. Som et resultat har de brug for mindre energi for at bevare deres bevægelsesfrihed og vil forblive i flydende tilstand ved lavere temperaturer.

Dette sker, uanset om de opløste partikler er individuelle ioner, såsom natrium- og chloridioner i salt eller store, komplekse molekyler, såsom sucrose (bordsukker), som har den kemiske formel C <12H _{22O 11. Med 45 atomer pr. Molekyle adskiller sukker ikke vandmolekylerne så effektivt som mindre, stærkere ladede ioner, hvorfor sukker ikke sænker smeltepunktet så effektivt som salt. En anden relateret årsag er, at virkningen på frysepunktet er afhængig af mængden af opløst stof. Fordi sukkermolekyler er så meget større end saltioner, vil færre af dem passe ind i en given mængde vand.
Sukker smelter ikke rigtig is. • •• Vlad Turchenko /iStock /Getty Images}

lidt unøjagtigt at sige, at sukker smelter is. Hvad der faktisk sker, er at det sænker frysepunktet, så vand kan forblive i flydende tilstand ved en koldere temperatur. Det gør dette ved at give plads mellem vandmolekylerne og reducere deres tiltrækning på hinanden. Hvis du kaster sukker på is ved 30 grader Fahrenheit (-1,1 grader celsius), smelter isen, men hvis temperaturen falder lavere, fryser vandet til sidst. Det nye frysepunkt er lavere end rent vand, men højere end det ville være, hvis du kastede salt på isen.