การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง (Freezing Point Depression)

Freezing Point Depression จุดเยือกแข็งของสารละลายมีค่าต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของตัวทำละลาย

Thermodynamic aspects กระบวนการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง ΔH คายความร้อน (-) , ΔS ลดลง (-) สมการ : ΔG = ΔH – TΔS T ต้องมีค่าน้อยๆ เพื่อให้ ΔG มีค่าเป็น (-) จึงจะเป็น spontaneous การเติมตัวถูกละลายลงไปในสารละลาย solute เพิ่มความไม่เป็นระเบียบ (ΔS ) เพื่อให้ ΔG มีค่าเป็น (-) การเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง T จึงต้องมีค่าน้อยลงไปอีก

ความสัมพันธ์ของ Freezing Point Depression อุณหภูมิของจุดเยือกแข็งที่ลดลงในสารละลายสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้นในหน่วย molality ของตัวถูกละลาย DTf = Tf, solvent – Tf,solution = i Kf  m Tf, solvent : the freezing point of the pure solvent Tf, solution : the freezing point of the solution i : the van’t Hoff factor m is the molality of the solution (mol/kg) Kf : the freezing-point depression constant (0C/m)

moles of solute mass of solvent (kg) Wsolute Wsolvent M.W.solute Molality (m) moles of solute m = mass of solvent (kg) Wsolute Wsolvent M.W.solute 1000 X =

Solutions Containing Ions NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq) The Van’t Hoff factor : Numer of ion particles per individual molecule of solute, i.e. Solutions Containing Ions NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq) 1 particle + 1 particle i = 2 particles Na2SO4(s)  2 Na+(aq) + SO42-(aq) 2 particles + 1 particle i = 3 particles

the “effective” number Nonideal behavior of electrolyte solutions. the “effective” number Due to electrostatic interaction between solute and solvent (Debye-Huckel Theory)

The van’t Hoft factor, I ขึ้นกับความเข้มข้นของ electrolyte solutions (ยิ่งเจือจางมาก ก็ยิ่งเข้าใกล้ค่าเป็น ideal solution)

การทดลอง 1. หาจุดเยือกแข็งของ น้ำบริสุทธิ์ 1. หาจุดเยือกแข็งของ น้ำบริสุทธิ์ 2. หาจุดเยือกแข็งของสารละลาย glucoseในน้ำ ความเข้มข้น 7.2 g/ 100 g water สารละลาย NaCl ในน้ำ ความเข้มข้น 0.2 mol NaCl /1 kg water สารละลาย MgSO4 ในน้ำ ความเข้มข้น 0.2 mol MgSO4 /1 kg water สารละลาย MgCl2 ในน้ำ ความเข้มข้น 0.2 mol MgCl2 /1 kg water 3. หาจุดเยือกแข็งของสารละลาย electrolyte คำนวณหา M.W. ของ glucose คำนวณหา van’t Hoff factor (i) ของสารละลายเกลือแต่ละชนิด

เทอร์โมมิเตอร์ scale ± 0.05 oC เริ่มบันทึกเวลา t = 0 sec ที่ 10.00 oC บันทึกอุณหภูมิทุกๆ 20 sec หยุดการทดลองเมื่ออุณหภูมิคงที่ต่อเนื่อง 3 min หลอดแก้วขนาด 50 mL บรรจุสารละลาย 15 mL น้ำแข็ง + เกลือ คนด้วยแท่งแก้ว อย่างสม่ำเสมอ แท่งกวนแม่เหล็ก หมุนเร็วตลอดเวลา

การหา Tf, solvent และ Tf, solution จากกราฟ นำข้อมูลมา plot กราฟ Tf, solvent Tf, solution

เปรียบเทียบค่า M.W.ที่ได้จากการทดลองกับค่าที่คำนวณจากสูตร การคำนวณ M.W.glucose DTf = Tf, solvent – Tf,solution Tf, solvent : จุดเยือกแข็งของน้ำ Tf, solvent : จุดเยือกแข็งของสารละลาย glucose DTf = i Kf Wsolute Wsolvent M.W.solute 1000 X กำหนดให้ i = 1, Kf Water = 1.86 oC/m Wglucose Wwater 7.2 g glucose 100 g water = เปรียบเทียบค่า M.W.ที่ได้จากการทดลองกับค่าที่คำนวณจากสูตร C6H12O6

คำนวณหา van’t Hoff factor (i) ของสารละลายเกลือแต่ละชนิด DTf = Tf, solvent – Tf,solution Tf, solvent : จุดเยือกแข็งของน้ำ Tf, solvent : จุดเยือกแข็งของสารละลาย electrolyte คำนวณ van’t Hoff factor (i) ของสารละลาย DTf = i Kf  m กำหนดให้ Kf Water = 1.86 oC/m , m = 0.2 m เปรียบเทียบค่า iobserved กับค่าที่ i expected

อื่นๆ เพิ่มเติม เทอร์โมมิเตอร์ 2400 บาท กรุณาทำแลบด้วยความระมัดระวัง ในการทดลองให้เติมเกลือน้อยๆๆ ห้ามเกิน 1 ช้อนโต๊ะ นิสิตต้องมาเข้าแลปในอาทิตย์ถัดไปด้วย เพื่อตรวจความเสียหายของเครื่องแก้วใน ตู้ของตนเอง

NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq) จุดเยือกแข็งที่ลดลงของสารละลาย ของเหลวที่ไม่บริสุทธิ์หรือสารละลายจึงมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่าของตัวทำละลายบริสุทธิ์ NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq) อนุภาคของ Solute ใช้พื้นที่ในสารละลายส่วนหนึ่ง และ Soluteไปกีดขวางการเกิดโครงสร้างของแข็งของ solvent C6H12O6(s)  C6H12O6(aq)

เทอร์โมไดนามิกส์ของเปลี่ยนสถานะของ liquid solid ΔG = ΔH – TΔS กระบวนการคายความร้อน ΔH < 0 (-), ΔS ลดลง (-) T ต้องมีค่าน้อยๆ เพื่อให้ ΔG มีค่าเป็น (-) H2O(l) H2O(s)

Common Applications of Freezing Point Depression 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง Common Applications of Freezing Point Depression

Change in Freezing Point

Change in Freezing Point Ethylene glycol – deadly to small animals Propylene glycol

Dissolved sugars also play a role in helping plants to be frost tolerant.

This frog is frozen, but the water in it did not turn into ice crystals, which would have ruptured the cells in its body. Why didn’t ice crystals form? Glucose and glycerol in its blood and cells prevent water from freezing.

Ice is a pure substance but ice cream is a mixture Ice is a pure substance but ice cream is a mixture. In other words, there are other chemicals that get in the way of water freezing. So you have get colder than 0°C to get it to freeze. About 30% of the water in ice cream never freezes because of the high level of dissolved solids like sugar, fats, and proteins. Notice that ice cream melts differently than ice. Ice stays hard until it melts. Ice cream gradually get softer and softer.

Eggs are mostly water, but dissolved proteins keep them from freezing at 0°C. Chefs take advantage of this in frozen desserts.

Debye and Hückel Nonideal behavior of electrolyte solutions. 1923 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง Nonideal behavior of electrolyte solutions. Peter Debye Erich Hückel Debye and Hückel 1923 Ions in solution do not behave independently. Each ion is surrounded by others of opposite charge. Ion mobility is reduced by the drag of the ionic atmosphere.

Solute-Solvent Interactions Nonideal behavior of electrolyte solutions. Solute-Solvent Interactions Cyclohexane Glucose

Solvent Freezing Point (°C) 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง Phase Diagrams of H2O จุดเยือกแข็ง (Freezing Point) คือ อุณหภูมิที่ของเหลวเริ่มเปลี่ยนเป็นของแข็ง เกิดภาวะสมดุลระหว่างของเหลวและของแข็ง ของเหลวบริสุทธิ์จะมีจุดเยือกแข็งแน่นอน ที่ความดันหนึ่งๆ @ 1 atm Solvent Freezing Point (°C) Cyclohexane 6.55 Benzene 5.5 Water 0.0 Chloroform -62.5 Ethanol -114.6

โครงสร้างและแรงระหว่างโมเลกุลของน้ำ : พันธะ? 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง โครงสร้างและแรงระหว่างโมเลกุลของน้ำ : พันธะ?

สารละลาย (solution) เป็นของผสมเนื้อเดียวกัน ของสาร 2 ชนิดขึ้นไป 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง สารละลาย (solution) เป็นของผสมเนื้อเดียวกัน ของสาร 2 ชนิดขึ้นไป ตัวถูกละลาย (solute) เป็นสารที่มีจำนวนน้อยกว่า ตัวทำละลาย (solvent) เป็นสารที่มีจำนวนมากกว่า

ทบทวนความรู้ก่อนทดลอง 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง ทบทวนความรู้ก่อนทดลอง Phase Diagrams ของเหลว ของแข็ง แก๊ส

ของเหลวที่ไม่บริสุทธิ์หรือสารละลายจึงมี 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง อนุภาคของ Solute ใช้พื้นที่ในสารละลายส่วนหนึ่ง และSoluteไปกีดขวางการเกิดโครงสร้างของแข็งของ solvent ของเหลวที่ไม่บริสุทธิ์หรือสารละลายจึงมี จุดเยือกแข็งต่ำกว่าของตัวทำละลายบริสุทธิ์

Thermodynamic aspects กระบวนการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง ΔH คายความร้อน (-) , ΔS ลดลง (-) สมการ ΔG = ΔH – TΔS T ต้องมีค่าน้อยๆ เพื่อให้ ΔG มีค่าเป็น (-) จึงจะเป็น spontaneous ในสารละลาย solute ทำให้ความไม่เป็นระเบียบสูงขึ้น (ΔS มีค่ามากขึ้น ) การแยกตัวของ solvent เพื่อเกิดผลึก T จึงต้องมีค่าน้อยลงไปอีก เพื่อให้ ΔG มีค่าเป็น (-)

the pure solvent the solution Freezing-Point Depression DTf = T f – Tf = Kf m T f > Tf DTf > 0 T f is the freezing point of the pure solvent Tf is the freezing point of the solution m is the molality of the solution (mol/kg) Kf is the molal freezing-point depression constant (0C/m) moles of solute mass of solvent

Factors Affecting on Freezing-Point Depression Number of particle generated Solutions Containing Ions NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq) 1 particle + 1 particle = 2 particles Na2SO4(s)  2 Na+(aq) + SO42-(aq) 2 particles + 1 particle = 3 particles The van’t Hoft factor, i, = the “effective” number of ions are in the solution. van’t Hoff factor (i) i = measured value for electrolyte solution expected value for nonelectrolyte solution For freezing point depression: Tf = i (fm) Jacobus H. van 't Hoff The Nobel Prize in Chemistry 1901

การหาจุดเยือกแข็งโดยวิธี supercooling กราฟการเย็นตัว cooling curve 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 10 จุดเยือกแข็งที่ลดลง Freezing Point Determination การหาจุดเยือกแข็งโดยวิธี supercooling กราฟการเย็นตัว cooling curve