हिमांक अवनमन

This article is about the phenomenon caused by solutes. For the phenomenon in pure fluids, see supercooling.

सड़क की सफाई के लिए नमक के ट्रक से नमक फैलाते मजदूर।

हिमांक अवनमन आइसक्रीम को 0°C से नीचे नरम रखने के लिए उत्तरदायी होता है।

हिमांक-बिंदु अवसाद न्यूनतम तापमान में एक गिरावट है जिस पर एक पदार्थ जम जाता है, जब एक छोटी मात्रा में एक और गैर-अस्थिरता (रसायन विज्ञान) पदार्थ जोड़ा जाता है। उदाहरणों में शामिल हैं पानी में नमक मिलाना (आइसक्रीम निर्माताओं में और डी-आइसिंग#रासायनिक डे-आइकर्स|डी-आइसिंग सड़कों के लिए), पानी में अल्कोहल, पानी में एथिलीन या प्रोपलीन ग्लाइकोल (कारों में एंटीफ्ऱीज़र में प्रयुक्त), कॉपर मिलाना पिघला हुआ चांदी (सोल्डर # हार्ड_सोल्डर बनाने के लिए उपयोग किया जाता है जो चांदी के टुकड़ों को जोड़ने से कम तापमान पर बहता है), या दो ठोस पदार्थ जैसे अशुद्धियों को बारीक पाउडर वाली दवा में मिलाना।

सभी मामलों में, कम मात्रा में जोड़े/उपस्थित पदार्थ को विलेय माना जाता है, जबकि बड़ी मात्रा में मौजूद मूल पदार्थ को विलायक माना जाता है। परिणामी तरल घोल या ठोस-ठोस मिश्रण में शुद्ध विलायक या ठोस की तुलना में कम हिमांक होता है क्योंकि मिश्रण में विलायक की रासायनिक क्षमता शुद्ध विलायक की तुलना में कम होती है, दोनों के बीच का अंतर प्राकृतिक लघुगणक के समानुपाती होता है मोल अंश का। इसी तरह, समाधान के ऊपर वाष्प की रासायनिक क्षमता एक शुद्ध विलायक के ऊपर की तुलना में कम होती है, जिसके परिणामस्वरूप क्वथनांक-उन्नयन होता है। हिमांक-बिंदु अवसाद के कारण समुद्र का पानी (पानी में नमक और अन्य यौगिकों का मिश्रण) नीचे के तापमान पर तरल बना रहता है 0 °C (32 °F), शुद्ध पानी का हिमांक।

स्पष्टीकरण

वाष्प दाब का प्रयोग

हिमांक बिंदु वह तापमान होता है जिस पर तरल विलायक और ठोस विलायक संतुलन पर होते हैं, ताकि उनका वाष्प दबाव बराबर हो। जब एक वाष्पशील तरल विलायक में एक गैर-वाष्पशील विलेय जोड़ा जाता है, तो समाधान वाष्प का दबाव शुद्ध विलायक की तुलना में कम होगा। नतीजतन, ठोस शुद्ध विलायक की तुलना में कम तापमान पर समाधान के साथ संतुलन तक पहुंच जाएगा। वाष्प दबाव के संदर्भ में यह स्पष्टीकरण रासायनिक क्षमता पर आधारित तर्क के बराबर है, क्योंकि वाष्प की रासायनिक क्षमता लॉगरिदमिक रूप से दबाव से संबंधित है। विलेय की उपस्थिति में विलायक की रासायनिक क्षमता को कम करने के परिणामस्वरूप सभी संपार्श्विक गुण उत्पन्न होते हैं। यह घटाव एक एन्ट्रापी प्रभाव है। समाधान की अधिक यादृच्छिकता (शुद्ध विलायक की तुलना में) ठंड के विरोध में कार्य करती है, ताकि तरल समाधान और ठोस समाधान चरणों के बीच संतुलन प्राप्त करने से पहले, एक व्यापक सीमा पर, कम तापमान तक पहुंचना चाहिए। पदार्थों की पहचान करने और उनकी शुद्धता का पता लगाने में सहायता के लिए गलनांक निर्धारण का आमतौर पर कार्बनिक रसायन विज्ञान में उपयोग किया जाता है।

एकाग्रता और एन्ट्रॉपी के कारण

तरल समाधान में, विलायक को एक विलेय के अतिरिक्त पतला किया जाता है, जिससे कि कम अणु जमने के लिए उपलब्ध होते हैं (शुद्ध विलायक की तुलना में विलायक की कम सांद्रता एक समाधान में मौजूद होती है)। संतुलन की पुन: स्थापना कम तापमान पर हासिल की जाती है जिस पर ठंड की दर द्रवीभूत होने की दर के बराबर हो जाती है। विलेय सॉल्वेंट को जमने से नहीं रोक रहा है या रोक नहीं रहा है, यह बस इसे पतला कर रहा है इसलिए किसी भी क्षण में विलायक के जमने की कोशिश करने की संभावना कम हो जाती है।

निचले हिमांक पर, तरल का वाष्प दबाव संगत ठोस के वाष्प दबाव के बराबर होता है, और दो चरणों की रासायनिक क्षमता भी बराबर होती है।

उपयोग करता है

हिमांक-बिंदु अवसाद की घटना के कई व्यावहारिक उपयोग हैं। ऑटोमोबाइल में रेडिएटर द्रव पानी और एंटीफ्ऱीज़ का मिश्रण है। हिमांक-बिंदु अवसाद रेडिएटर्स को सर्दियों में जमने से रोकता है। रोड साल्टिंग इस आशय का लाभ उठाता है कि जिस बर्फ पर इसे रखा गया है उसका हिमांक कम हो जाता है। हिमांक को कम करने से सड़क की बर्फ कम तापमान पर पिघलने लगती है, जिससे खतरनाक, फिसलन वाली बर्फ के संचय को रोका जा सकता है। आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला सोडियम क्लोराइड पानी के हिमांक को लगभग −21 °C (−6 °F). यदि सड़क की सतह का तापमान कम है, तो NaCl अप्रभावी हो जाता है और अन्य लवणों का उपयोग किया जाता है, जैसे कैल्शियम क्लोराइड, मैग्नीशियम क्लोराइड या कई का मिश्रण। ये लवण धातुओं, विशेष रूप से लोहे के लिए कुछ हद तक आक्रामक हैं, इसलिए हवाई अड्डों में सोडियम फॉर्मेट, पोटेशियम तैयार करें , नाजिया और पोटेशियम एसीटेट जैसे सुरक्षित मीडिया का उपयोग किया जाता है।

नमक के साथ सड़कों का पूर्व उपचार शुरू में बर्फ को पिघलाने और समाधान बनाने के लिए गर्म सड़क की सतह पर निर्भर करता है; पुलों का पूर्व-उपचार (जो सड़कों से ठंडे हैं) आमतौर पर काम नहीं करते हैं।

घुले हुए विलेय सर्दियों में पेड़ों में रस और अन्य तरल पदार्थों को जमने से रोकते हैं।

हिमांक-बिंदु अवसाद कुछ जीवों द्वारा उपयोग किया जाता है जो अत्यधिक ठंड में रहते हैं। ऐसे जीवों के विकास का मतलब है जिसके माध्यम से वे सोर्बिटोल और ग्लिसरॉल जैसे विभिन्न यौगिकों की उच्च सांद्रता का उत्पादन कर सकते हैं। विलेय की यह उच्च सांद्रता उनके अंदर पानी के हिमांक को कम कर देती है, जिससे जीवों को ठोस जमने से रोका जा सकता है, भले ही उनके आसपास का पानी जम जाता है, या उनके आसपास की हवा बहुत ठंडी हो जाती है। एंटीफ़्रीज़ यौगिकों का उत्पादन करने वाले जीवों के उदाहरणों में आर्कटिक-जीवित मछलियों की कुछ प्रजातियाँ शामिल हैं जैसे कि इंद्रधनुषी गंध, जो सर्दियों के महीनों के दौरान जमे हुए मुहाने में जीवित रहने के लिए ग्लिसरॉल और अन्य अणुओं का उत्पादन करती है। अन्य जानवरों में, जैसे कि स्प्रिंग पीपर फ्रॉग (स्यूडैक्रिस क्रूसिफ़र), ठंडे तापमान की प्रतिक्रिया के रूप में अस्थायी रूप से मोलिटी बढ़ जाती है। पीपर फ्रॉग के मामले में, ठंड का तापमान मेंढक के जिगर में ग्लाइकोजन के बड़े पैमाने पर टूटने और बाद में रक्त में भारी मात्रा में ग्लूकोज की रिहाई को ट्रिगर करता है।

नीचे दिए गए सूत्र के साथ, हिमांक-बिंदु अवसाद का उपयोग पृथक्करण (रसायन विज्ञान) या विलेय के दाढ़ द्रव्यमान को मापने के लिए किया जा सकता है। इस तरह के माप को क्रायोस्कोपी कहा जाता है (प्राचीन ग्रीक क्रायो = ठंडा, स्कोपोस = निरीक्षण करें; ठंड का निरीक्षण करें) और हिमांक के सटीक माप पर निर्भर करता है। पृथक्करण की डिग्री को पहले एम निर्धारित करके वैन 'टी हॉफ कारक i का निर्धारण करके मापा जाता है_B और फिर इसकी तुलना एम से करें_solute. इस मामले में, विलेय का दाढ़ द्रव्यमान ज्ञात होना चाहिए। किसी विलेय का दाढ़ द्रव्यमान m की तुलना करके निर्धारित किया जाता है_B विलेय की मात्रा के साथ। इस मामले में, मुझे पता होना चाहिए, और प्रक्रिया गैर-ध्रुवीय विलायक का उपयोग करने वाले कार्बनिक यौगिकों के लिए मुख्य रूप से उपयोगी है। क्रायोस्कोपी अब पहले की तरह सामान्य माप पद्धति नहीं है, लेकिन इसे 20वीं शताब्दी के मोड़ पर पाठ्यपुस्तकों में शामिल किया गया था। एक उदाहरण के रूप में, यह अभी भी 1910 के कोहेन के प्रैक्टिकल ऑर्गेनिक केमिस्ट्री में एक उपयोगी विश्लेषणात्मक प्रक्रिया के रूप में पढ़ाया जाता था, जिसमें नेफ़थलीन का दाढ़ द्रव्यमान बेकमैन हिमीकरण उपकरण का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है।

प्रयोगशाला उपयोग

खास तरह की स्कैनिंग उष्मामिति द्वारा विश्लेषण किए जाने पर फ्रीजिंग-पॉइंट डिप्रेशन का उपयोग शुद्धता विश्लेषण उपकरण के रूप में भी किया जा सकता है। प्राप्त परिणाम mol% में हैं, लेकिन विधि का अपना स्थान है, जहां विश्लेषण के अन्य तरीके विफल हो जाते हैं।

प्रयोगशाला में, हिमांक-बिंदु अवसाद के माध्यम से अज्ञात पदार्थ के दाढ़ द्रव्यमान की जांच के लिए लोरिक एसिड का उपयोग किया जा सकता है। लॉरिक एसिड का चुनाव सुविधाजनक है क्योंकि शुद्ध यौगिक का गलनांक अपेक्षाकृत अधिक (43.8 °C) होता है। इसका क्रायोस्कोपिक स्थिरांक 3.9 °C·kg/mol है। लॉरिक एसिड को अज्ञात पदार्थ के साथ पिघलाकर, इसे ठंडा करने की अनुमति देकर, और उस तापमान को रिकॉर्ड करके जिस पर मिश्रण जम जाता है, अज्ञात यौगिक का दाढ़ द्रव्यमान निर्धारित किया जा सकता है।

यह भी वही सिद्धांत है जो गलनांक-बिंदु अवसाद में देखा जाता है जब एक अशुद्ध ठोस मिश्रण के गलनांक को गलनांक-बिंदु तंत्र से मापा जाता है क्योंकि पिघलने और हिमांक बिंदु दोनों तरल-ठोस चरण संक्रमण (यद्यपि अलग-अलग दिशाओं में) को संदर्भित करते हैं। ).

सिद्धांत रूप में, इस उद्देश्य के लिए उबलते-बिंदु ऊंचाई और हिमांक-बिंदु अवसाद का उपयोग एक दूसरे के लिए किया जा सकता है। हालांकि, क्रायोस्कोपिक स्थिरांक एबुलियोस्कोपिक स्थिरांक से बड़ा होता है, और ठंडक बिंदु अक्सर सटीकता के साथ मापना आसान होता है, जिसका अर्थ है कि हिमांक-बिंदु अवसाद का उपयोग करने वाले माप अधिक सटीक होते हैं।

डेयरी उद्योग में FPD मापन का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए भी किया जाता है कि दूध में अतिरिक्त पानी नहीं मिलाया गया है। 0.509 °C से अधिक FPD वाले दूध को मिलावट रहित माना जाता है।

सूत्र

तनु घोल के लिए

लवणता के कार्य के रूप में विभिन्न दबावों और कुछ पदार्थों पर समुद्री जल का बर्फ़ीली तापमान। स्रोत के लिए छवि विवरण देखें।

यदि समाधान को एक आदर्श समाधान के रूप में माना जाता है, तो हिमांक-बिंदु अवसाद की सीमा केवल विलेय एकाग्रता पर निर्भर करती है, जिसे क्रायोस्कोपिक स्थिरांक (चार्ल्स ब्लागडेन के नियम) के साथ एक सरल रैखिक संबंध द्वारा अनुमान लगाया जा सकता है।

$\Delta T_{f}\propto {\frac {\text{Moles of dissolved species}}{\text{Mass of solvent}}}$

$\Delta T_{f}=K_{f}bi$

कहाँ:

• $\Delta T_{f}$ हिमांक में कमी है, जिसे हिमांक के रूप में परिभाषित किया गया है $T_{f}^{0}$ शुद्ध विलायक माइनस हिमांक $T_{f}$ समाधान का, जैसा कि ऊपर दिए गए सूत्र का परिणाम एक सकारात्मक मूल्य है, यह देखते हुए कि सभी कारक सकारात्मक हैं। से $\Delta T_{f}$ उपरोक्त सूत्र का उपयोग करके गणना की जाती है, समाधान के ठंडक बिंदु की गणना तब की जा सकती है $T_{f}=T_{f}^{0}-\Delta T_{f}$.
• $K_{f}$, क्रायोस्कोपिक स्थिरांक, जो विलायक के गुणों पर निर्भर है, न कि विलेय पर। (ध्यान दें: प्रयोग करते समय, एक उच्च k मान हिमांक में बड़ी बूंदों को देखना आसान बनाता है।)
• $b$ मोललता है (विलायक के प्रति किलोग्राम विलेय का मोल)
• $i$ वैन 'टी हॉफ कारक है (विलेय की प्रति सूत्र इकाई आयन कणों की संख्या, उदाहरण के लिए i = 2 NaCl के लिए, 3 BaCl के लिए₂).

क्रायोस्कोपिक स्थिरांक K के कुछ मान_f चयनित सॉल्वैंट्स के लिए:

Compound	Freezing point (°C)	Kf in K⋅kg/mol
Acetic acid	16.6	3.90
Benzene	5.5	5.12
Camphor	179.8	39.7
Carbon disulfide	−112	3.8
Carbon tetrachloride	−23	30
Chloroform	−63.5	4.68
Cyclohexane	6.4	20.2
Ethanol	−114.6	1.99
Ethyl ether	−116.2	1.79
Naphthalene	80.2	6.9
Phenol	41	7.27
Water	0	1.86

एकाग्र विलयन के लिए

उपरोक्त सरल संबंध विलेय की प्रकृति पर विचार नहीं करता है, इसलिए यह केवल तनु विलयन में प्रभावी है। उच्च सांद्रता पर अधिक सटीक गणना के लिए, आयनिक विलेय के लिए, जीई और वांग (2010) एक नया समीकरण प्रस्तावित:

$\Delta T_{\text{F}}={\frac {\Delta H_{T_{\text{F}}}^{\text{fus}}-2RT_{\text{F}}\cdot \ln a_{\text{liq}}-{\sqrt {2\Delta C_{p}^{\text{fus}}T_{\text{F}}^{2}R\cdot \ln a_{\text{liq}}+(\Delta H_{T_{\text{F}}}^{\text{fus}})^{2}}}}{2\left({\frac {\Delta H_{T_{\text{F}}}^{\text{fus}}}{T_{\text{F}}}}+{\frac {\Delta C_{p}^{\text{fus}}}{2}}-R\cdot \ln a_{\text{liq}}\right)}}.$

उपरोक्त समीकरण में, टी_F शुद्ध विलायक का सामान्य हिमांक होता है (उदाहरण के लिए पानी के लिए 273 K); ए_liq समाधान में विलायक की गतिविधि है (जलीय समाधान के लिए जल गतिविधि); डी एच^{झगड़ा}_TF T पर शुद्ध विलायक के संलयन का एन्थैल्पी परिवर्तन है उप>एफ</उप>, जो 273 के पानी के लिए 333.6 जे/जी है; डी सी^{झगड़ा}_p टी पर तरल और ठोस चरणों की ताप क्षमता के बीच का अंतर है_F, जो पानी के लिए 2.11 J/(g·K) है।

विलायक गतिविधि की गणना पित्जर समीकरणों या संशोधित टीसीपीसी मॉडल से की जा सकती है, जिसमें आमतौर पर 3 समायोज्य मापदंडों की आवश्यकता होती है। टीसीपीसी मॉडल के लिए, ये पैरामीटर उपलब्ध हैं कई एकल लवणों के लिए।

यह भी देखें

• मेल्टिंग-पॉइंट डिप्रेशन
• क्वथनांक ऊंचाई
• अनुबंधित विशेषताएं
• डिसीजिंग
• यूटेक्टिक बिंदु
• मिश्रण रेफ्रिजरेटर
• सॉल्वैंट्स के उबलने और जमने की जानकारी की सूची
• बर्फ़ हटवाना