हिमांक बिंदु: इसकी गणना कैसे करें और उदाहरण - रसायन विज्ञान - 2025

ठंड बिंदु तापमान जिस पर एक पदार्थ एक तरल-ठोस संक्रमण संतुलन का अनुभव करता है। जब पदार्थ की बात आती है, तो यह एक यौगिक, एक शुद्ध तत्व या मिश्रण हो सकता है। सैद्धांतिक रूप से, सभी पदार्थ जम जाते हैं क्योंकि तापमान शून्य (0K) तक गिर जाता है।

हालांकि, तरल पदार्थों के ठंड का निरीक्षण करने के लिए अत्यधिक तापमान आवश्यक नहीं है। हिमशैल पानी के जमे हुए पिंडों के सबसे स्पष्ट उदाहरणों में से एक हैं। इसी तरह, घटना को तरल नाइट्रोजन स्नान का उपयोग करके या एक साधारण फ्रीजर का उपयोग करके वास्तविक समय में ट्रैक किया जा सकता है।

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ठंड और जमने के बीच अंतर क्या है? यह पहली प्रक्रिया तरल की शुद्धता पर तापमान पर अत्यधिक निर्भर है, और एक थर्मोडायनामिक संतुलन है; जबकि दूसरा पदार्थ के रासायनिक संरचना में परिवर्तन से संबंधित है, जो पूरी तरह से तरल (एक पेस्ट) होने के बिना भी जम जाता है।

इसलिए, एक फ्रीज एक जमना है; लेकिन रिवर्स हमेशा सच नहीं होता है। इसके अलावा, शब्द के जमने का नियम बनाने के लिए, समान पदार्थ के ठोस के साथ संतुलन में एक तरल चरण होना चाहिए; हिमशैल ऐसा करते हैं: वे तरल पानी पर तैरते हैं।

इस प्रकार, एक तरल के ठंड का सामना करना पड़ रहा है जब तापमान में कमी के परिणामस्वरूप एक ठोस चरण बनता है। दबाव इस भौतिक संपत्ति को भी प्रभावित करता है, हालांकि इसका प्रभाव कम वाष्प दबाव वाले तरल पदार्थों में कम होता है।

हिमांक क्या है?

जैसे ही तापमान गिरता है, अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा कम हो जाती है, और इसलिए वे थोड़ा धीमा हो जाते हैं। जब आप तरल में धीमी गति से चलते हैं, तो एक बिंदु आता है जहां वे अणुओं की एक व्यवस्थित व्यवस्था बनाने के लिए पर्याप्त बातचीत करते हैं; यह पहला ठोस है, जिसमें से बड़े क्रिस्टल विकसित होंगे।

यदि यह पहला ठोस "बहुत" डगमगाता है, तो तापमान को और भी कम करना आवश्यक होगा जब तक कि इसके अणु अभी भी पर्याप्त न हों। जिस तापमान पर यह हासिल किया जाता है वह हिमांक से मेल खाता है; वहां से, तरल-ठोस संतुलन स्थापित किया जाता है।

पिछला परिदृश्य शुद्ध पदार्थों के लिए होता है; लेकिन अगर वे नहीं हैं तो क्या होगा?

उस मामले में, पहले ठोस के अणुओं को विदेशी अणुओं को शामिल करने का प्रबंधन करना चाहिए। नतीजतन, एक अशुद्ध ठोस (या ठोस समाधान) बनता है, जिसे इसके गठन के लिए ठंड बिंदु से कम तापमान की आवश्यकता होती है।

हम हिमांक के अवरोह की बात करते हैं। जैसा कि अधिक विदेशी अणु हैं, या अधिक सही ढंग से बोलना, अशुद्धियां हैं, तरल कम और कम तापमान पर फ्रीज होगा।

ठंड बनाम घुलनशीलता

दो यौगिकों, A और B के मिश्रण को देखते हुए, जैसे तापमान गिरता है, A जम जाता है, जबकि B तरल रहता है।

परिदृश्य वही है जो अभी समझाया गया है। ए का एक हिस्सा अभी तक जमे नहीं है, और इसलिए बी में भंग कर दिया गया है। क्या यह तरल-ठोस संक्रमण के बजाय घुलनशीलता संतुलन का सवाल है?

दोनों विवरण मान्य हैं: एक अवक्षेप या फ्रीज, तापमान की बूंदों के रूप में बी से अलग हो जाता है। सभी ए तब अवक्षेपित होंगे जब बी में भंग होने वाला कोई भी नहीं है; जो यह कहते हुए समान है कि A पूरी तरह से जमे हुए है।

हालांकि, ठंड के दृष्टिकोण से घटना का इलाज करना अधिक सुविधाजनक है। इस प्रकार, ए पहले जमा देता है क्योंकि इसमें एक कम ठंड बिंदु होता है, जबकि बी को कूलर तापमान की आवश्यकता होगी।

हालांकि, "ए की बर्फ" में वास्तव में एक ठोस होता है जिसमें बी की तुलना में ए की समृद्ध रचना होती है; लेकिन बी वहाँ भी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि A + B एक सजातीय मिश्रण है, और इसलिए उनमें से कुछ समरूपता जमे हुए ठोस में स्थानांतरित हो जाती है।

इसकी गणना कैसे करें?

आप किसी पदार्थ के हिमांक की भविष्यवाणी या गणना कैसे कर सकते हैं? भौतिक रासायनिक गणनाएं हैं जो अन्य दबावों (1atm, परिवेश दबाव के अलावा) के तहत इस बिंदु का अनुमानित मूल्य प्राप्त करने की अनुमति देती हैं।

हालांकि, ये संलयन () _{फ्यूस}) के _{आंत्रशोथ के} लिए नेतृत्व करते हैं; चूंकि, संलयन ठंड के विपरीत अर्थ में प्रक्रिया है।

इसके अलावा, प्रयोगात्मक रूप से किसी पदार्थ या मिश्रण के पिघलने बिंदु को उसके हिमांक से निर्धारित करना आसान है; हालांकि वे एक ही लग सकते हैं, वे कुछ अंतर दिखाते हैं।

जैसा कि पिछले भाग में बताया गया है: अशुद्धियों की एकाग्रता जितनी अधिक होगी, हिमांक में गिरावट उतनी ही अधिक होगी। इसे निम्नानुसार भी कहा जा सकता है: मिश्रण में ठोस का मोल अंश X जितना कम होगा, उतना कम तापमान जम जाएगा।

तापमान में कमी का समीकरण

निम्नलिखित समीकरण व्यक्त करता है और जो कुछ भी कहा गया है उसे संक्षेप में प्रस्तुत करता है:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / T () (1)

जहाँ R आदर्श गैस स्थिरांक है, जिसका लगभग सार्वभौमिक उपयोग है। T सामान्य हिमांक बिंदु है (परिवेश दबाव पर), और T वह तापमान है जिस पर ठोस मोल अंश को स्थिर करेगा।

इस समीकरण से, और सरलीकरण की एक श्रृंखला के बाद, निम्नलिखित, बेहतर ज्ञात, प्राप्त किया जाता है:

CTc = K _F m (2)

जहाँ m विलेय या अशुद्धता की molality है, और K _F विलायक या तरल घटक का क्रायोस्कोपिक स्थिरांक है।

उदाहरण

कुछ पदार्थों के जमने का संक्षिप्त विवरण नीचे दिया जाएगा।

पानी

पानी 0ºC के आसपास जमा होता है। हालाँकि, यह मान घट सकता है यदि इसमें एक विलेय घुल जाता है; कहने के लिए, नमक या चीनी।

भंग विलेय की मात्रा के आधार पर, अलग-अलग मोललिटीज़ एम हैं; और जैसे-जैसे एम बढ़ता है, एक्स घटता जाता है, जिसका मान समीकरण (1) में प्रतिस्थापित किया जा सकता है और इस तरह टी के लिए हल हो सकता है।

उदाहरण के लिए, यदि आप एक गिलास पानी एक फ्रीजर में रखते हैं, और दूसरा मीठा पानी (या किसी भी पानी पर आधारित पेय) के साथ, पहले पानी का गिलास जम जाएगा। ऐसा इसलिए है क्योंकि ग्लूकोज अणुओं, आयनों या अन्य प्रजातियों की गड़बड़ी के बिना इसके क्रिस्टल तेजी से बनते हैं।

ऐसा ही होगा यदि आप एक गिलास समुद्री पानी फ्रीज़र में रखते हैं। अब, मीठे पानी के गिलास की तुलना में समुद्र के पानी का गिलास पहले जम सकता है या नहीं; अंतर विलेय की मात्रा पर निर्भर करेगा और उसके रासायनिक प्रकृति पर नहीं ।

यह इस कारण से है कि Tc (ठंड तापमान) में कमी एक संपत्ती गुण है।

शराब

स्रोत: पिक्साबे

तरल पानी की तुलना में ठंडा तापमान पर अल्कोहल जम जाता है। उदाहरण के लिए, इथेनॉल -114 डिग्री सेल्सियस के आसपास जमा होता है। यदि पानी और अन्य अवयवों के साथ मिलाया जाता है, तो इसके विपरीत हिमांक में वृद्धि होगी।

क्यों? क्योंकि पानी, शराब के साथ एक तरल पदार्थ गलत है, बहुत अधिक तापमान (0)C) पर जम जाता है।

पानी के गिलास के साथ फ्रिज में लौटना, अगर इस बार एक मादक पेय के साथ पेश किया जाता है, तो यह फ्रीज करने के लिए अंतिम होगा। एथिल ग्रेड जितना अधिक होगा, फ्रीजर को पेय को फ्रीज करने के लिए इसे और ठंडा करना होगा। यह इस कारण से है कि टकीला जैसे पेय को फ्रीज करना अधिक कठिन है।

दूध

स्रोत: पिक्साबे

दूध एक पानी पर आधारित पदार्थ है, जिसमें वसा को लैक्टोज और कैल्शियम फॉस्फेट के साथ अन्य लिपोप्रोटीन के अलावा फैलाया जाता है।

वे घटक जो पानी में अधिक घुलनशील हैं, यह निर्धारित करते हैं कि रचना के साथ इसका हिमांक कितना भिन्न होगा।

औसतन, दूध -0.54,C के आसपास के तापमान पर जम जाता है, लेकिन यह पानी के प्रतिशत के आधार पर -0.50 और -0.56 के बीच रहता है। इस प्रकार, यह जानना संभव है कि क्या दूध में मिलावट हुई है। और जैसा कि आप देख सकते हैं, एक गिलास पानी के साथ दूध का एक गिलास लगभग बराबर हो जाएगा।

सभी दूध एक ही तापमान पर नहीं जमते हैं, क्योंकि इसकी संरचना इसके पशु स्रोत पर भी निर्भर करती है।

बुध

पारा एकमात्र ऐसी धातु है जो कमरे के तापमान पर तरल रूप में होती है। इसे फ्रीज करने के लिए, तापमान को -38.83;C तक कम करना आवश्यक है; और इस बार इसे एक गिलास में डालने और एक फ्रीजर में डालने के विचार से बचा जाएगा, क्योंकि इससे भयानक दुर्घटनाएं हो सकती हैं।

ध्यान दें कि शराब से पहले पारा जम जाता है। यह इस तथ्य के कारण हो सकता है कि पारा क्रिस्टल कम कंपन करता है क्योंकि इसमें धातु बांड द्वारा जुड़े परमाणु होते हैं; जबकि इथेनॉल में, वे अपेक्षाकृत हल्के सीएच ₃ सीएच ₂ ओएच अणु हैं जिन्हें धीरे-धीरे समायोजित किया जाना चाहिए।

पेट्रोल

सभी हिमांक बिंदु उदाहरणों में, गैसोलीन सबसे जटिल है। दूध की तरह, यह एक मिश्रण है; लेकिन इसका आधार पानी नहीं है, बल्कि विभिन्न हाइड्रोकार्बन का एक समूह है, प्रत्येक की अपनी संरचनात्मक विशेषताएं हैं। कुछ छोटे अणु, और कुछ बड़े।

कम वाष्प दबाव वाले हाइड्रोकार्बन पहले जम जाएंगे; जबकि अन्य तरल अवस्था में रहेंगे, भले ही गैसोलीन का एक गिलास तरल नाइट्रोजन से घिरा हो। यह ठीक से एक "गैसोलीन बर्फ" नहीं बनाएगा, लेकिन पीले-हरे टन के साथ एक जेल।

पूरी तरह से गैसोलीन को फ्रीज करने के लिए -200.C तक तापमान को ठंडा करना आवश्यक हो सकता है। इस तापमान पर यह संभावना है कि गैसोलीन बर्फ बनेगा, क्योंकि मिश्रण के सभी घटक जमे हुए होंगे; यही है, अब एक ठोस के साथ संतुलन में एक तरल चरण नहीं होगा।

संदर्भ

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