جدول نقطه انجماد مایعات

نقطه انجماد (Freezing point)؛ یکی از مباحث بنیادی علم شیمی و فیزیک است که به تعریف تغییر حالت ماده از مایع به جامد می‌پردازد. درواقع، نقطه انجماد دمایی است که در آن انرژی جنبشی مولکول‌های مایع به حدی کاهش می‌یابد که نیروهای جاذبه بین مولکولی بر نیروهای دافعه غلبه کرده و ساختار بلوری جامد تشکیل می‌شود. نکته حائز اهمیت این است که فرایند انجماد، باعث کاهش آنتروپی ماده می‌گردد. در این مقاله قصد داریم، نقطه انجماد مایعات، جدول نقطه انجماد مایعات، عوامل مؤثر بر آن و کاربردهای آن در صنایع مختلف را مورد بحث و بررسی قرار دهیم.

👈 به روز ترین قیمت میلگرد و قیمت آهن 

آشنایی با مفهوم نقطه انجماد

همان‌طور که در بالا اشاره شد، در نقطه انجماد حالت ماده از مایع به جامد تغییر می‌کند. بدین صورت که در این نقطه، مولکول‌های مایع به دلیل سرد شدن به اندازه‌ای به یکدیگر نزدیک می‌شوند که تقریباً حرکت آزادانه برای آن‌ها غیرممکن شده و ساختار جامد را تشکیل می‌دهند. بسیاری از مواد، نقطه انجماد و نقطه ذوب یکسانی دارند، یعنی در دمایی که از حالت از مایع به جامد تغییر می‌کنند، درواقع همان دمایی است که از جامد به مایع تبدیل می‌شوند. ولی در برخی از موارد، نقطه انجماد و ذوب مواد یکسان نیست.

نقطه انجماد و نقطه ذوب چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟

با اینکه نقطه انجماد و نقطه ذوب، هر دو به تغییر حالت ماده دلالت دارند، اما با یکدیگر تفاوت‌هایی نیز دارند. تفاوت اصلی میان این دو نقطه این است که در نقطه ذوب، انرژی جنبشی ذرات جامد به اندازه‌ای افزایش می‌یابد که پیوندهای بین آن‌ها شکسته شده و ماده، از جامد به مایع تغییر حالت می‌دهد. این در حالی است که در نقطه انجماد، انرژی جنبشی ذرات مایع کاهش یافته و پیوند‌های بین آن‌ها قوی‌تر می‌شود تا ساختار جامد را تشکیل دهند. در برخی از مواد آلی و مواد پیچیده، به دلیل وجود ناخالصی، فشار و سرعت سرد شدن، این دو نقطه ممکن است کمی با هم متفاوت باشند.

متداول‌ترین روش‌های اندازه‌گیری نقطه انجماد کدام‌اند؟

نقطه انجماد، در صنایع مختلف مثل: صنایع غذایی، شیمیایی، دارویی و پتروشیمی، به فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به همین دلیل انداره‌گیری آن، از اهمیت بسزایی برخوردار است. برای اندازه‌گیری نقطه انجماد، متدها و روش‌های مختلفی در دسترس است که هر یک مزایا و معایب مخصوص خود را دارند. برخی از مهم‌ترین روش‌های اندازه‌گیری نقطه انجماد مایعات در زیر ارائه شده است.

• روش دیفرانسیل ترموگرافی (Thermography): در روش ترموگرافی، با استفاده از نمودار تغییرات دما بر حسب زمان، می‌توان نقطه انجماد را به دست آورد.
• کریوسکوپی (Cryoscopic): استفاده از دستگاه کرایوسکوپ، رایج‌ترین متد برای اندازه‌گیری نقطه انجماد محسوب می‌شود. در این متد، نمونه‌ای از ماده در یک لوله آزمایش قرار داده شده و به آرامی سرد می‌گردد. سپس با استفاده از سنسور دما، دمایی که در آن اولین بلورهای یخ تشکیل می‌شود، به عنوان نقطه انجماد ثبت می‌شود.
• روش نقطه انجماد ابر: در این روش، نمونه ابتدا تا زیر نقطه انجماد سرد می‌شود تا بلورهای یخ تشکیل شوند. سپس با افزایش تدریجی دما، دمایی که در آن ابر یخ ناپدید می‌شود، به عنوان نقطه انجماد، ثبت می‌گردد.
• سایر روش‌های حرارتی: علاوه بر موارد ذکرشده، روش‌های حرارتی دیگری مانند کالریمتری روبشی تفاضلی (Differential Scanning Calorimetry) نیز به دلیل دقت بالا و امکان اندازه‌گیری همزمان چندین پارامتر، برای اندازه‌گیری نقطه انجماد به کار می‌روند.

مهم‌ترین کاربردهای نقطه انجماد در صنایع مختلف

نقطه انجماد، در صنایع مختلف و زندگی روزمره کاربردهای گسترده‌ای دارد که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

• صنایع شیمیایی: از نقطه انجماد در صنایع شیمیایی به منظور جداسازی مواد از یکدیگر و هم‌چنین تولید بلور با میزان خلوص مناسب، استفاده می‌شود.
• صنایع خودروسازی: ضدیخ و روغن‌های صنعتی با نقطه انجماد مناسب، از کاربردهای مهم نقطه انجماد در صنایع خودروسازی محسوب می‌شود.
• پزشکی: در پزشکی، از کاهش نقطه انجماد به منظور حفظ بافت‌ها در دماهای پایین، استفاده می‌کنند.
• صنایع هوافضا: از مهم‌ترین کاربردهای نقطه انجماد در صنایع هوافضا می‌توان به تنظیم آن در سوخت موشک اشاره کرد که باید به گونه‌ای باشد تا در شرایط مختلف دمایی، از عملکرد مناسبی برخوردار باشد.
• صنایع غذایی: تهیه بستنی و سایر محصولات یخ‌زده و هم‌چنین نگهداری مواد غذایی با کاهش دمای آن‌ها تا زیر نقطه انجماد، از رایج‌ترین کاربردهای نقطه انجماد در صنایع غذایی به شمار می‌رود.
• کشاورزی: در بعضی از مناطق سردسیر، برای محافظت از محصولات کشاورزی در برابر سرما، از روش‌های کاهش نقطه انجماد استفاده می‌شود.
• هواشناسی: در هواشناسی، از اندازه‌گیری نقطه انجماد آب برای پیش‌بینی مه و یخبندان استفاده می‌کنند.

اثر ناخالصی بر نقطه انجماد

ناخالصی‌ها باعث کاهش نقطه انجماد می‌شوند؛ یعنی افزودن مواد حل‌شونده غیر فرار، دمای انجماد مایع را کاهش می‌دهد. به همین دلیل، محلول‌های آبی با حل‌شونده غیر فرار مانند آب نمک، در دمای پایین‌تری نسبت به آب خالص یخ می‌زنند. این ویژگی در زمستان برای سریع‌تر ذوب شدن یخ‌ روی سطوح مختلف کاربرد دارد.

در خودروها نیز به جای آب خالص، از ترکیب آب و ضدیخ (اتیلن گلیکول) استفاده می‌شود تا به دلیل کاهش نقطه انجماد محلول، رادیاتور دیرتر یخ بزند. لازم به ذکر است که تأثیر فشار بر نقطه انجماد آب، برعکس سایر مایعات است. بدین صورت که اگر فشار وارد بر آب کاهش یابد، نقطه انجماد آن افزایش پیدا می‌کند اما در باقی مایعات، عکس این قضیه اتفاق می‌افتد.

کاهش نقطه انجماد

کاهش نقطه انجماد، با افزودن مولکول‌های حلال به حل‌شونده رخ می‌دهد و از خواص کولیگاتیو (Colligative properties) به شمار می‌رود. معمولاً نقطه انجماد محلول‌ها، از حلال خالص پایین‌تر بوده که با مولالیته حل‌شونده ارتباط مستقیمی دارد. میزان کاهش نقطه انجماد، با استفاده از اختلاف نقطه انجماد حلال و محلول به دست می‌آید که فرمول آن در ذیل ارائه شده است:

ΔTf​=Tf​(solvent)−Tf​(solution)=Kf​×m

در این فرمول، Kf​ به عنوان ثابت کاهش نقطه انجماد و m، به عنوان غلظت مولال در نظر گرفته می‌شوند.

اصلی‌ترین کاربردهای کاهش نقطه انجماد

عده بیشماری از موجودات زنده، با تولید غلظت‌های بالا از ترکیباتی مثل سوربیتول و گلیسرول، نقطه انجماد آب اطراف خود را کاهش داده و از این پدیده، برای ادامه حیات خود در محیط‌های بسیار سرد بهره می‌برند. هم‌چنین از دیگر قابلیت‌های کاهش نقطه انجماد، می‌توان به نمک‌پاشی جاده‌ها در زمان یخبندان اشاره کرد. با استفاده از نقطه انجماد و با بهره‌گیری از NaCl، می‌توانیم شاهد کاهش نقطه انجماد تا دمای 18- درجه، باشیم. ولی برای دماهای کمتر از 18-، استفاده از NaCl یا همان نمک خوراکی، شدنی نیست و به جای آن، CalCl2​ به کار برده می‌شود. لازم به ذکر است که استفاده از نمک باعث تسریع زنگ زدن و خوردگی فلزات می‌شود و به همین دلیل، در فرودگاه‌ها از موادی مثل سدیم فرمات (HCOONa) و پتاسیم فرمات (HCOOK) استفاده می‌کنند.

آشنایی با جدول نقطه انجماد رایج‌ترین مایعات

با توجه به مطالب گفته شده، آشنایی با نقطه انجماد مایعات معروف، ضروری به نظر می‌رسد. در جدول زیر، نقطه انجماد برخی از مایعات رایج در فشار 1 اتمسفر نمایش داده شده است.

نکات کلیدی پیرامون نقطه انجماد مایعات

با توجه به آنچه در این مقاله عنوان شد، نتیجه می‌گیریم که نقطه انجماد دمایی است که در آن مولکول‌های مایع با از دست دادن انرژی جنبشی و تحت تأثیر نیروهای بین‌مولکولی، ساختار بلوری جامد را می‌سازند. این پارامتر با عواملی مانند فشار، ناخالصی‌ها و نوع پیوندهای بین‌مولکولی تغییر یافته و با روش‌های مختلفی نظیر کریوسکوپی و کالریمتری تفاضلی اندازه‌گیری می‌شود. کاهش نقطه انجماد با افزودن حل‌شونده‌های غیر فرار، برای مصارفی مانند ضدیخ‌سازی و حفاظت محصولات غذایی نقش دارد. جدول نقطه انجماد مایعات رایج، ابزار مناسبی برای مهندسان و پژوهشگران صنایع شیمیایی، خودروسازی، پتروشیمی، هوافضا و محیط‌زیست به شمار می‌رود تا با استفاده از آن، ضمن بهینه‌سازی فرایندها، ایمنی و کیفیت را تضمین کنند.