Температура замерзания

Температура замерзания — это температура, при которой вещество переходит из жидкого состояния в твёрдое (кристаллическое). Для чистых веществ при постоянном давлении температура замерзания численно равна температуре плавления. В случае растворов и смесей температура замерзания, как правило, ниже температуры замерзания чистого растворителя — это явление называется криоскопией.

Физическая сущность

Замерзание — это фазовый переход первого рода, при котором выделяется скрытая теплота кристаллизации. Для того чтобы началось образование кристаллов, в жидкости должны возникнуть центры кристаллизации — мельчайшие твёрдые частицы (например, пылинки, неровности стенок сосуда, или специально внесённые «затравки»). В отсутствие таких центров жидкость может быть переохлаждена — оставаться жидкой при температуре ниже точки замерзания. Переохлаждённая жидкость находится в метастабильном состоянии и при малейшем возмущении (встряхивании, внесении затравки) быстро кристаллизуется.

Температура замерзания зависит от давления. Для большинства веществ (например, воды) с ростом давления температура замерзания понижается. Для веществ, объём которых при плавлении уменьшается (например, висмут, галлий, лед при высоких давлениях), зависимость обратная: с ростом давления температура замерзания повышается.

Замерзание воды

Вода — одно из немногих веществ, у которого плотность твёрдой фазы (льда) меньше плотности жидкой. Это объясняется особенностями водородных связей: при кристаллизации образуется ажурная гексагональная решётка, занимающая больший объём, чем неупорядоченная структура жидкой воды. Поэтому лёд плавает на поверхности воды, а температура замерзания воды при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа) составляет 0 °C (273,15 K).

При повышении давления температура замерзания воды понижается примерно на 0,0073 °C на каждую дополнительную атмосферу. Это объясняет, почему лёд под давлением (например, под лезвием конька) может подтаивать, образуя тонкую плёнку воды, облегчающую скольжение.

Переохлаждение воды

Чистая вода, лишённая центров кристаллизации, может быть переохлаждена до температуры около −42 °C (в лабораторных условиях — до −48 °C). При более низких температурах вода самопроизвольно кристаллизуется. В природе переохлаждённые капли воды встречаются в облаках, образуя переохлаждённые туманы и облака (например, в верхней тропосфере). При соприкосновении с твёрдыми предметами такие капли мгновенно замерзают, образуя гололёд.

Замерзание растворов и смесей

Для растворов температура замерзания ниже, чем для чистого растворителя. Понижение температуры замерзания (ΔT) описывается законом Рауля:

ΔT = K_кр · m,

где K_кр — криоскопическая постоянная растворителя (для воды K_кр = 1,86 K·кг/моль), m — моляльность раствора (количество молей растворённого вещества на 1 кг растворителя). Это свойство используется для определения молекулярной массы растворённых веществ (криоскопия).

На практике понижение температуры замерзания растворов применяется:

• для приготовления антифризов (например, водные растворы этиленгликоля или пропиленгликоля замерзают при температурах до −50 °C и ниже);
• для посыпания дорог солью (NaCl, CaCl₂) — солевой раствор замерзает при более низкой температуре, чем чистая вода, что способствует таянию льда;
• в пищевой промышленности (например, мороженое, которое содержит сахар и другие растворённые вещества, замерзает при температуре ниже 0 °C).

Эвтектические смеси

При определённом соотношении компонентов смесь может иметь единственную температуру замерзания, называемую эвтектической. Эвтектическая смесь замерзает при постоянной температуре, как чистое вещество. Пример: смесь NaCl с водой (23,3 % NaCl по массе) замерзает при −21,2 °C — это эвтектическая точка системы вода-хлорид натрия.

Замерзание металлов и сплавов

Для чистых металлов температура замерзания (кристаллизации) совпадает с температурой плавления. Например, железо замерзает при 1538 °C, алюминий — при 660 °C, медь — при 1085 °C. Для сплавов характерен интервал кристаллизации — температура начала и конца замерзания различаются. Сплав может оставаться частично жидким в некотором температурном диапазоне, что важно для литейных процессов.

Криогенные жидкости

Вещества с очень низкими температурами замерзания относятся к криогенным жидкостям. Примеры:

• жидкий азот — замерзает при −210 °C;
• жидкий кислород — замерзает при −218,8 °C;
• жидкий гелий — замерзает при −272,2 °C (0,95 K) при нормальном давлении; при более низких температурах гелий переходит в сверхтекучее состояние.

Значение в природе и технике

Температура замерзания — критический параметр для многих технологических процессов и природных явлений:

• в метеорологии — образование инея, гололёда, снежного покрова;
• в строительстве — глубина промерзания грунта, морозостойкость материалов;
• в биологии — криоконсервация клеток и тканей (использование криопротекторов для снижения температуры замерзания);
• в химической технологии — кристаллизация, вымораживание, разделение смесей;
• в авиации — обледенение самолётов, использование антиобледенительных жидкостей.

Интересные факты

• Самая низкая температура замерзания среди известных жидкостей у жидкого гелия-3 — около 0,001 K (1 мК) при высоком давлении.
• Вода в микроскопических капиллярах (диаметром менее 2 нм) может не замерзать даже при −100 °C из-за поверхностных эффектов.
• В природе встречается «горячий лёд» — лед VII, который образуется при высоком давлении (около 2,5 ГПа) и температуре до 100 °C.
• Ртуть — единственный жидкий металл при комнатной температуре; её температура замерзания составляет −38,83 °C.

Источники

• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5.
• Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономарёвой. — 10-е изд. — СПб.: Иван Фёдоров, 2003.
• Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. — М.: Наука, 1976. — Ч. 1.
• ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.