Đông đặc là một quá trình chuyển trạng thái khi một chất chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn khi nhiệt độ của nó giảm xuống dưới nhiệt độ đông đặc.
Đối với hầu hết các chất, quá trình nóng chảy và đông đặc xảy ra ở cùng một nhiệt độ; Tuy nhiên, một số chất có nhiệt độ chuyển trạng thái rắn-lỏng khác nhau. Ví dụ thạch cho thấy có độ trễ giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc. Nó nóng chảy tại 85 °C (185 °F) và đông đặc từ 32 °C đến 40 °C (89.6 °F đến 104 °F).[1] Khi đông đặc, nhiều chất cũng xảy ra kết tinh, trong đó chuyển động Brown của các phân tử bị giảm. Các phân tử do đó có ít năng lượng hơn trong trạng thái rắn so với trạng thái lỏng, điều này tương đuơng với một sự giải phóng năng lượng/nhiệt.[2] Đông đặc trong hầu hết trường hợp là một quá trình tỏa nhiệt, tức là khi chất lỏng chuyển sang trạng thái rắn, nhiệt (và áp suất) được tỏa ra. Điều này có vẻ đi ngược với trực giác,[3] do nhiệt độ của vật liệu không tăng khi đông đặc, ngoại trừ khi nếu chất lỏng ở trạng thái siêu lạnh. Nhiệt phải được liên tục bị lấy khỏi chất lỏng đông đặc, nếu không quá trình đông đặc sẽ dừng lại. Năng lượng tỏa ra khi đông đặc là một loại ẩn nhiệt, còn gọi là nhiệt (entanpi) nóng chảy và đúng bằng năng lượng cần thiết để nóng chảy một lượng chất rắn tương đương. Tuy nhiên, heli nhiệt độ thấp là ngoại lệ duy nhất.[4] Heli-3 có entanpi nóng chảy âm ở nhiệt độ dưới 0.3 K. Heli-4 cũng có entanpi nóng chảy khá âm khi nhiệt độ dưới 0.8 K. Điều này có nghĩa là, ở áp suất không đổi phù hợp, nhiệt lượng phải được thêm vào những chất này để có thể đông đặc.[5] Một số chất, chẳng hạn nước và bismuth giãn nở về thể tích khi chúng đông đặc. Nước và các dung dịch khác đóng băng khi chúng đông đặc sang trạng thái rắn.[6] Từ đông đá cũng thường được sử dụng để chỉ sự bảo quản thực phẩm bằng cách làm lạnh tới điểm đông đặc. Đối với các hợp kim và thủy tinh, sự đông đặc bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ liquidus và hoàn thành ở nhiệt độ solidus.[7]
Tính chất tập hợp là một trong những tính chất của dung dịch, phụ thuộc vào số lượng phân tử chất tan trong một thể tích dung môi cho trước và không liên quan đến tính chất riêng của phân tử tan (ví dụ: kích thước, khối lượng...)[1]. Tính chất tập hợp gồm bốn hiện tượng: giảm áp suất hơi; nâng nhiệt độ sôi; hạ nhiệt độ đông đặc; và áp suất thẩm thấu (xem thêm: Thẩm thấu và Thẩm thấu ngược). Việc đo lường sự biến đổi tính chất của dung dịch loãng chứa chất tan không điện ly có thể cho ta biết khối lượng mol của chất tan tương đối chính xác. Đối với chất tan phân ly, việc đo lường có thể cho ta kết quả về phần trăm ion có mặt trong dung dịch.
Định luật Raoult nêu rõ mối quan hệ giữa độ giảm áp suất hơi và nồng độ chất tan, phát biểu như sau:
Cả hai hiện tượng nâng nhiệt độ sôi và giảm nhiệt độ đông đặc đều là kết quả của hiện tượng giảm áp suất hơi của dung dịch loãng.
Nâng điểm sôiNhiệt độ sôi∑ = Nhiệt độ sôidung môi + ΔTstrong đó ΔTs = nồng độ molan * Ks * i, (Ks = hằng số nghiệm sôi, với nước là 0.51°C kg/mol; i = hệ số van 't Hoff)Vì nhiệt độ sôi chỉ đạt được khi cân bằng giữa pha khí và pha lỏng được thiết lập, có nghĩa là, số lượng phân tử đi vào bằng số phân tử đi từ pha lỏng ra pha khí (rời khỏi pha lỏng), cho nên lượng chất tan thêm vào sẽ tạo ra tương tác với dung môi khiến phân tử dung môi khó rời khỏi hệ dung dịch. Bù lại hệ sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng mới, nhiệt độ sôi tăng lên. Hạ điểm đông đặcNhiệt độ đông đặc∑ = Nhiệt độ đông đặcdung môi + ΔTđtrond đó: ΔTđ = nồng độ molan * Kđ * i, (Kđ = hằng số nghiệm lạnh, với nước là -1.86°C kg/mol; i = hệ số van 't Hoff)Nhiệt độ đông đặc, và cân bằng giữa pha lỏng và pha rắn nhìn chung bị giảm so với dung môi tinh khiết do sự có mặt của chất tan. Các tiểu phân dung môi không thể đi vào pha rắn, nên số phân tử trong cân bằng ít hơn. Và, cân bằng sẽ được tái thiết lập ở nhiệt độ thấp hơn. Hai định luật về áp suất thẩm thấu của dung dịch loãng được hai nhà thực vật học W. F. P. Pfeffer (người Đức) và nhà hoá học J. H. van’t Hoff (Hà Lan) khám phá, được phát biểu như sau:
Hai phát biểu trên gần như tương tự các định luật Boyle-Mariotte và Charles của khí lý tưởng. Và công thức biểu diễn cũng tương tự: πV = nRTihay π = [ ]RTitrong đó: π = áp suất thẩm thấu; [ ] là nồng độ mol chất tan; V là thể tích; nhiệt độ tuyệt đối T; n là số mol chất tan; R = 8.3145 J/mol.K, hằng số khí lý tưởng; i = hệ số van 't Hoff.
• Định luật Raoult : Độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch loãng chứa chất tan khôngđiện ly tỷ lệ với lượng chất tan có trong một lượng dung môi xác định ( tỉ lệ vớinồng độ molan của dung dịch)∆Ts = Tdd - Tdm(∆Ts = nhiệt độ sôi dd- nhiệt độ sôi dm)∆Ts = ks .Cmks hằng số nghiệm sôi dung môi (độ.kg/mol)Cm nồng độ molanSlide 39 of 48General Chemistry:HUI© 2006 9.5.2 Nhiệt độ đông đặc của một chất lỏng–Là nhiệt độ tại đó áp suất hơi trên bề mặt pha lỏngbằng áp suất hơi trên bề mặt pha rắn.• Nhiệt độ đông đặc của dung dịch–Định luật Raoult: Độ hạ nhiệt độ đông đặc của dungdịch loãng chứa chất tan không điện ly tỷ lệ với lượngchất tan có trong một lượng dung môi xác định (tỉ lệthuận với nồng độ molan của dung dịch)∆Tđ = Tdm - Tdd(∆Tđ = nhiệt độ đông đặc dm- nhiệt độ đông đặc dd)∆Tđ = kđ CmKđ:hằng số nghiệm lạnh dung môi (độ.kg/mol)Cm : nồng độ molanSlide 40 of 48General Chemistry:HUI© 2006 • Định luật Raoult II: Độ tăng nhiệt độ sôi hayđộ hạ nhiệt độ đông đặc của dung dịchloãng chất tan không bay hơi (không điệnly) tỷ lệ thuận với nồng độ molan chất tantrong dung dịch∆Ts = ks.Cm∆Tđ = kđCmSlide 41 of 48General Chemistry:HUI© 2006 9.6 ÁP SUẤT THẨM THẤU VÀ ĐỊNH LUẬTVan’t Hoff9.6.1 Khái niệm về sự thẩm thấuDung dịchđườngNướcSlide 42 of 48General Chemistry:HUI© 2006 Khái niệm về sự thẩm thấu• Màng bán thấm là màng có tính chất chỉ cho sựkhuyếch tán một chiều• Sự thẩm thấu: là hiện tượng khuyếch tán mộtchiều các tiểu phân dung môi qua màng bánthấmSlide 43 of 48General Chemistry:HUI© 2006 |
