眾所周知,當您向冰中添加鹽時,冰不僅會融化,而且實際上會變冷。從化學書籍中,我了解到鹽會降低水的凝固點。但是我對為什麼會導致溫度下降而不是僅僅以0°C的水結束而感到困惑。
當鹽融化冰以降低溫度時會發生什麼?
眾所周知,當您向冰中添加鹽時,冰不僅會融化,而且實際上會變冷。從化學書籍中,我了解到鹽會降低水的凝固點。但是我對為什麼會導致溫度下降而不是僅僅以0°C的水結束而感到困惑。
當鹽融化冰以降低溫度時會發生什麼?
將鹽添加到冰塊中時,最終會得到一個溫度高於其熔點的冰塊。
此冰塊將執行任何高於其熔點的冰塊的作用:它會融化。當它融化時,它會冷卻下來,因為能量被用來破壞固態的鍵。
(請注意,如果您不熟悉相變,以上幾點可能會令人困惑。立方體融化會吸收能量,而冰塊融化會釋放能量,我喜歡按照勒·查特里爾的原理來思考:如果您需要降低溫度來凍結冰塊,則意味著水會散發出
因此,您得到的冷卻來自以下事實:冰中的某些鍵被打破形成水,並吸收了能量。冰塊失去能量是導致其冷卻的原因。
我們知道融化或凍結是一個平衡過程。直到所有固體水都融化為止,融化冰塊所需的能量不會有助於升高其溫度。
如果我們取兩個冰塊並向其中一個添加鹽,則將每個冰塊放進去。它們在室溫下,兩個冰塊都將從周圍環境吸收能量,正如我們所說,這種能量將有助於破壞水分子之間的鍵。
未添加鹽的多維數據集的熔點為$ 0〜\ mathrm {^ \ circ C} $,因此,如果我們在融化期間測量其溫度,它將保持為零,直到所有冰融化為止。我們向其中添加了鹽的那個冰塊,添加的鹽降低了水的熔點和凝固點,因為它降低了水的蒸汽壓。該冰塊將從環境中吸收能量,以幫助打破水分子之間的鍵。我們知道添加的鹽將溶解在冰的融化部分中。這種形成的鹽溶液將具有較低的凝固點,因此固相和水相之間的平衡將移向液相,因為這樣的溶液將在例如$ -2〜\ mathrm {^ \ circ C}處凍結。 $。由於這兩個階段彼此靠近,所以冰將從鹽溶液吸收能量,並將其溫度降低至$ -2〜\ mathrm {^ \ circ C} $,以保持平衡。當所有的冰融化後,我們最終得到的鹽溶液的溫度約為-1.5〜\ mathrm {^ \ circ C} $。這是由於溶液現在被稀釋了。之後,它將開始從房間吸收熱量,並達到零或更高。因此,總之就是鹽使冰融化的方式。
水和冰的混合物穩定在水的冰點。
如果冰更冷,它將吸收水中的熱量,在此過程中,冰的溫度會升高,同時凍結一部分
如果水更熱,它會通過融化一些冰而冷卻。
之所以起作用,是因為冰解凍是吸熱的。即使溫度保持不變,能量(熱)也被用來將固體轉變為液體。
水的冰點是$ 0 \ pu {°C} $,因此水冰泥保持在$ 0 \ pu {°C} $。如果較低,它將在較低溫度下穩定。通過添加鹽,可以降低冷凍溫度。混合物在那裡穩定並且溫度更低。
當您將$ \ ce {NaCl} $溶解在水中時,它將不得不從系統中吸收能量以破壞其結構,以便它可以溶解在水中。這就是水變冷的原因,因為鹽會利用水中的能量來解決它。現在,讓我們看一下添加鹽時冰融化的原因。這基於所謂的依數屬性。這些屬性僅取決於物質的量。將顆粒添加到溶劑中時,其蒸氣壓會降低。這將導致更高的沸點(使用鹽煮食)和更低的溶液凍結溫度。
我希望這為進一步閱讀有關物理化學的參考書(例如Atkins)提供了一個起點
詢問原因
在詢問原因時,您想了解因果關係。如果我問“冷包為什麼會顯示溫度下降”,而答案是“因為反應是吸熱的”,這可能被認為是重言式。畢竟,吸熱意味著需要能量,而這種能量可能來自周圍,降低了溫度。
為什麼加鹽後冰水變得更冷?
如OP所述,這會降低液體的凝固點。系統不再處於平衡狀態,一些冰將在吸熱過程中融化。結果,溫度下降並且鹽水被稀釋。當鹽的濃度和溫度再次匹配時,融化過程停止,即液體的凝固點等於系統的溫度。
眾所周知,將鹽添加到冰中,冰不僅融化,而且實際上會變冷。
熔化過程處於液體和固體的界面,因此溶液和冰都會變冷。
從化學書中,我我們已經知道鹽會降低水的凝固點。但是我對為什麼會導致溫度下降而不是僅僅以0°C的水結束而感到困惑。
因此,問題在於有些冰融化了,為什麼溫度下降。說冰融化是一個吸熱過程,可能無法完全回答問題(解釋因果關係)。
當鹽融化冰以降低溫度時會發生什麼?
就動力學而言,鹽不會融化冰。相反,它降低了水的凍結速度。最終結果是冰融化。在分子水平上,根據 https://www.nyu.edu/pages/mathmol/textbook/info_water.html,“在液態水中,每個分子都與大約3.4個其他水分子氫鍵合。在冰中,每個分子都氫鍵合到另外四個分子上。”因此,融化後,水失去大約一半的氫鍵。另外,剩餘的氫鍵可能具有較差的理想距離和角度。這就是使過程吸熱的原因。 NaCl在高能學中幾乎沒有作用,因為任何其他溶質幾乎都具有相同的作用(膠凝性質)。
當您向冰融化時加鹽時,由於您沒有提出要求,我將不介紹原因。您所要做的就是,如果您不相信我->
http://science.howstuffworks.com/nature/climate-weather/atmospheric/road-salt。 htm
繼續前進,只要物質在經歷不同的相變(即固體)時查看大多數物質的圖,那麼無論何時物質進行相變,它的溫度都不會升高並且通常保持相對恆定。從液體到氣體),您會觀察到“平坦”或水平的區域,這是因為能量不再導致溫度升高而是狀態改變。由於您已經將鹽溶解在冰中,因此會降低冰點(請注意,任何物質的冰點和熔點都相同,它們可以看作是彼此的反射鏡),這意味著水現在可以在較低的溫度下存在並且不會轉動變成冰或換句話說,它將在較低溫度下開始融化,這可以歸因於為什麼溫度會降低,因為它不再需要達到那麼高的溫度才能開始融化。我還沒有很清楚地解釋它,但我希望您能理解它,因為上面的人建議這是一個好主意,請查閱物理和化學教科書。
融化是吸熱的,凍結是放熱的。我們永遠不會觀察到水結冰時會變熱,因為在更多水結冰之前必須從系統中損失掉更多的能量。當水從冷空氣中凍結時,熱量的釋放實際上會減慢凍結速度。將鹽添加到水和冰的混合物中時,它會降低冰點,而不是通過添加內部能量來使更多的冰融化,從而實際上會變冷。
讓我們進行一次思想實驗,看看發生了什麼。在完全絕緣的容器中,將500 mL的純H2O和500克的冰分別在0 C下混合。然後添加300克NaCl(也在0 C下)。首先,並不是所有的NaCl都會溶解,因為NaCl在0°C時僅可溶於26%的水中。(由於溶解鹽所需的能量,水的溫度會略有降低:大約1 kcal / mol的鹽。
冰塊的熔點仍為0C。但是,冰塊周圍的液體雖然約為0 C,但卻是接近飽和的鹽溶液,而不是純淨的水。
來自冰塊的水分子將擴散到鹽溶液中,將其稀釋。從固態冰到水的轉變需要能量:融化冰所需的熱量為68.3 kcal / mol(熔融熱)。這種能量來自鹽溶液,從而降低了溫度。只要冰塊與溶液不平衡,冰塊就會繼續融化(從固體變成液體)。冰塊不會融化,因為周圍的液體具有較低的凝固點,冰塊會融化,因為周圍的溶液少於100%的水。周圍的溶液已經低於0攝氏度,冰塊仍是0攝氏度的純淨固體水。換句話說,驅動力是濃度的不平衡。在實驗開始時,存在熱平衡(所有溫度均為0℃),但是濃度不平衡迫使溶液中的熱能使冰融化。凍結點降低是解決方案的特徵,但不是驅動力。
不。不幸的是,我們似乎都忘記了冰的基本屬性-當我意識到它的時候就踢自己。想一想從家用冷凍櫃中取出的一大塊冰,坐在桶中,漂浮在自己的融化水中。冰周圍的所有液態水都在 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ span>處。暴露於融水的冰的極端表面(即將轉變為液體的層)也位於 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ 。但是,冰塊的固體(非過渡)內部仍處於冰櫃的溫度附近,大約 $ \ pu {-18 ^ \ circ C} $ span>!因此,我們不應該將存儲桶中的所有水(液態&固體)都視為 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ span>。取而代之的是,大多數冷凍水比 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ span>要冷得多。因此,現在我們看到,在大塊冰中存在明顯的溫度梯度。確切的中心最冷(可能在 $ \ pu {-18 ^ \ circ C} $ span>)。從那裡移開,溫度會升高,直到到達冰已升至 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ span>的溫度並開始融化的表面為止。現在我們可以很容易地理解為什麼向冰塊周圍的液體中添加鹽會降低該鹹的融化水的溫度。通過添加鹽,您降低了熔點。 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ span>的冰的表層會迅速融化,因為鹽與之緊密接觸並對其起作用冰表面現在太熱而無法保持固態。在快速融化的冰層下面是另一個層,例如 $ \ pu {-1 ^ \ circ C} $ span>。鹽將能夠依次作用於較冷的冰上,並使它也融化,同時保持該負溫度,從而產生少量的 $ \ pu {-1 ^ \ circ C} $ span>鹽水。鹽水引起的這種低於零的熔化作用將繼續朝著新的溫度平衡(固體表面和液體之間)在 $ \ pu {0 ^ \ circ C} $ span>取決於融水的鹽度水平。