Spesso i governi statali e municipali erogano sale come agente antigelo sulle strade. Funziona abbassando efficacemente la temperatura di fusione del ghiaccio. Questo fenomeno - noto come la depressione da punto di congelamento - fornisce anche la base per una varietà di progetti scientifici. I progetti possono variare da semplici a complessi - completi di previsioni matematiche - a seconda del livello di laurea dello studente. Inoltre, l'elenco delle attrezzature necessarie include solo un piatto per salse e un termometro.
Depressione del punto di congelamento
Quando i solidi si dissolvono in acqua, formano particelle piccole e discrete. Nel caso di sostanze organiche come lo zucchero, le particelle sono composte da singole molecole di zucchero. Nel caso dei sali, come il sale da cucina, noto anche come cloruro di sodio, le particelle sono costituite dagli ioni caricati che costituiscono il sale. La presenza di particelle nell'acqua interferisce con la capacità delle molecole d'acqua di legarsi insieme per formare un solido mentre la temperatura dell'acqua si avvicina al suo punto di congelamento. La depressione del punto di congelamento si verifica in tutti i liquidi, non solo nell'acqua.
Misurazione del congelamento
Uno sperimentatore deve prestare particolare attenzione a ciò che sta misurando esattamente e a come lo sta misurando. Questo dipende dalla questione fondamentale di porre le domande giuste. In questo caso particolare, lo sperimentatore dovrebbe preoccuparsi di cosa si congela più velocemente o della temperatura alla quale si verifica il congelamento? La domanda su cosa si congela più velocemente implica che se un campione di acqua e un campione di acqua zuccherata fossero posti contemporaneamente in un congelatore, uno di essi si congelerebbe prima dell'altro. Ma quali informazioni potrebbero effettivamente fornire? La velocità con cui una sostanza si congela riguarda, tra gli altri parametri, la capacità termica della soluzione e la quantità di sostanza. La scelta migliore in questo caso sarebbe quella di misurare la temperatura alla quale le soluzioni si congelano perché questo risponde alla domanda più importante: le impurità in acqua influiscono sul punto di congelamento e, in tal caso, da quanto?
Come ottenere la matematica
Chimici e fisici hanno ben stabilito la scienza e la matematica dietro la depressione del punto di congelamento. Per gli studenti avanzati, o quelli con un forte interesse per la matematica, l'equazione standard per la depressione del punto di congelamento, delta (T), di una soluzione è delta (T) = -k * m, dove k rappresenta la costante di depressione del punto di congelamento molare del solvente e m rappresenta la molalità della soluzione, o moli di particelle divise per i chilogrammi di solvente. Questo sembra più complicato di quanto non sia in realtà. Supponendo che l'acqua rappresenti l'unico solvente utilizzato nell'esperimento, k = 1,86. Inoltre, lo zucchero, noto anche come saccarosio, presenta un peso molecolare di 342,3. L'equazione per la depressione del punto di congelamento ora si semplifica al delta (T) = -1,86 * (grammi di saccarosio /342,3 /kg di acqua). Quindi, per esempio, se 10 grammi di saccarosio sono stati disciolti in 100 ml di acqua, quindi 100 ml = 100 g = 0,100 kg e delta (T) = -1,86 * (10 /342,3 /0,1) = -0,54 gradi Celsius. Quindi, questa soluzione dovrebbe congelare a una temperatura di 0,54 gradi Celsius sotto il punto di congelamento dell'acqua pura.
Progetti avanzati
Riorganizzare l'equazione dalla fase 3 consentirebbe a uno sperimentatore di misurare il delta (T) e quindi risolvere per il peso molecolare, MW, di saccarosio. Ovvero, MW = (-1,86 * grammi di saccarosio) /(delta (T) * kg di acqua). Infatti, molti studenti di chimica delle scuole superiori e di livello universitario conducono esperimenti in cui determinano sperimentalmente il peso molecolare di una sostanza sconosciuta. Il metodo funziona anche con riferimento ai punti di ebollizione, tranne il valore per k cambia a 0,52.
