Depressão do ponto de congelamento
Em um dia quente de verão, é divertido saborear uma casquinha de sorvete refrescante. Ou você pode preferir um copo simples de água com gelo. Você sabia que a temperatura do sorvete é mais fria que a do gelo? Embora ambos estejam congelados e ambos tenham «gelo» no nome, as temperaturas são diferentes.
O ponto de congelamento pode variar com base em quais solutos estão em um líquido; isso é chamado de depressão do ponto de congelamento . Se a água contiver sal, o ponto de congelamento será menor do que apenas água pura. Isso tem muitos usos práticos, como por que salgamos as estradas no inverno e como fazemos sorvete.
Equação
Para determinar o novo ponto de congelamento de uma solução (Tfs), primeiro precisamos saber algumas informações. Primeiro precisamos saber o ponto de congelamento do solvente (Tfi). Portanto, para a água, sabemos que o ponto de congelamento é de 0 graus Celsius (ou 32 graus Fahrenheit). Também precisamos saber a molalidade (b). A molalidade é moles por quilograma, então é o número de moles de soluto (como sal) por quilograma de solvente (como água).
Também precisamos saber o fator de Van’t Hoff (i). O fator de Van’t Hoff é determinado com base em quantas partículas de íons estão na solução. Uma vez que alguns compostos se separam em solução, ele age como 2 ou mais moléculas individuais. Por exemplo, o sal (NaCl) se separará em íons de sódio e íons de cloro, então o fator Van’t Hoff para o sal é 2. Mas uma molécula como o açúcar não se separa nem mesmo em solução, então o fator Van’t Hoff é 1
A última coisa que precisamos saber é a constante crioscópica (Kf). A constante crioscópica é diferente para cada solvente, pois depende das propriedades do solvente. Por exemplo, a constante crioscópica para água é igual a 1,853 K * kg / mol e para ácido acético (vinagre) é 3,90 K * kg / mol. O K é uma abreviatura de Kelvin, que é uma unidade de medida de temperatura.
A equação é:
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Portanto, se você tiver 5 moles de açúcar (o que equivale a 1711,5 gramas de açúcar em 1 kg de água) dissolvidos na água, podemos determinar o novo ponto de congelamento, desde que conheçamos o ponto de congelamento da água pura. Para manter as mesmas unidades, precisamos usá-lo em Kelvin, que é 273,15 K.
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Terminamos com 263,885 K, que é igual a -9,3 graus Celsius. Portanto, o açúcar diminui o ponto de congelamento da água em quase 10 graus.
Agora, vamos ver como o sal altera o ponto de congelamento da água. Vamos usar novamente 5 moles de sal (o que equivale a 292 gramas de sal em 1 kg de água).
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Acabamos com 254,65 K, ou -18,5 graus Celsius. Como o sal se divide em duas unidades separadas, ele diminui o ponto de congelamento em muito mais do que o açúcar.
Exemplos
Usamos esse conceito de pontos de congelamento mais baixos em muitos exemplos do mundo real. Dois que você provavelmente vê com frequência são na fabricação de sorvetes e na salga das estradas no inverno.
Vamos pensar em sorvete, é creme com açúcar e outros sabores. Podemos pensar em creme como água com gordura e outros sólidos. O ponto de congelamento da água é de 0 graus Celsius, mas essa «água» contém gordura, açúcar e muitos outros solutos dissolvidos. Isso torna o ponto de congelamento do sorvete muito inferior a 0 graus Celsius. Se fôssemos fazer sorvete e congelá-lo com gelo normal, o gelo não estaria frio o suficiente para congelar o sorvete. Então, vamos acabar com um sorvete derretido.
O que costumamos fazer é adicionar sal ao gelo. Lembre-se de que o sal diminui o ponto de congelamento da água muito mais do que o açúcar ou outros solutos (já que ele se desassocia em 2 moléculas). Isso permite que a água salgada congelada seja mais fria do que o sorvete, de forma que ele possa realmente congelar.
O outro exemplo comum é com a salga das estradas. É perigoso dirigir no gelo, então se chover e depois cair abaixo de 0 graus Celsius, acabaremos com gelo nas estradas. Mas se colocarmos um monte de sal nas estradas para se misturar com a água, então será necessário esfriar muito antes que a água salgada congele. Portanto, em vez de dirigir no gelo, estamos dirigindo em água salgada.
Resumo da lição
A água (e outros líquidos) congela a uma temperatura mais baixa quando contém solutos, como sal ou gordura. Isso é conhecido como depressão do ponto de congelamento . Isso pode ser determinado usando o fator de Van’t Hoff , a molalidade e a constante croscópica . Os compostos que se desassociam em duas ou mais moléculas deprimem o ponto de congelamento mais do que os compostos que permanecem como uma única molécula. Portanto, o sal diminui o ponto de congelamento mais do que o açúcar. Este conceito é usado na fabricação de sorvetes e para tornar as estradas mais seguras para se dirigir.