Pemerintah negara bagian dan kota sering membuang garam sebagai agen penghilang es di jalan. Ini bekerja dengan secara efektif menurunkan suhu leleh es. Fenomena ini — dikenal sebagai titik beku depresi — juga memberikan dasar untuk berbagai proyek sains. Proyek dapat berkisar dari yang sederhana hingga rumit — lengkap dengan prediksi matematis — bergantung pada tingkat kelas siswa. Selanjutnya, daftar perlengkapan yang dibutuhkan hanya mencakup panci saus dan termometer.
Depresi Titik Beku
Ketika padatan larut dalam air, mereka membentuk partikel kecil dan diskrit. Dalam kasus zat organik seperti gula, partikelnya terdiri dari molekul gula individu. Dalam kasus garam, seperti garam meja, juga dikenal sebagai natrium klorida, partikel terdiri dari ion bermuatan yang menyusun garam. Kehadiran partikel di dalam air mengganggu kemampuan molekul air untuk mengikat bersama membentuk padatan saat suhu air mendekati titik bekunya. Depresi titik beku terjadi pada semua cairan, bukan hanya air.
Mengukur Pembekuan
Eksperimen harus memberi perhatian khusus pada apa yang sebenarnya dia ukur dan bagaimana dia mengukurnya. Ini bermuara pada masalah mendasar dalam mengajukan pertanyaan yang tepat. Dalam kasus khusus ini, haruskah pelaku eksperimen menyibukkan diri dengan apa yang membeku lebih cepat, atau suhu saat pembekuan terjadi? Pertanyaan tentang apa yang membeku lebih cepat menyiratkan bahwa jika sampel air dan sampel air gula ditempatkan dalam freezer secara bersamaan, salah satunya akan membeku sebelum yang lain. Tetapi informasi apa yang sebenarnya diberikan oleh itu? Kecepatan pembekuan suatu zat berkaitan dengan, antara lain, kapasitas panas larutan dan jumlah zat. Pilihan yang lebih baik dalam hal ini adalah mengukur suhu di mana larutan membeku karena ini menjawab pertanyaan yang lebih penting: Apakah pengotor dalam air memengaruhi titik bekunya dan jika ya seberapa banyak?
Mendapatkan Matematika
Kimiawan dan fisikawan telah membangun sains dan matematika dengan baik di balik penurunan titik beku. Untuk siswa tingkat lanjut, atau mereka yang sangat tertarik dengan matematika, persamaan standar untuk penurunan titik beku, delta(T), dari suatu larutan adalah delta(T) = -k * m, di mana k menyatakan konstanta penurunan titik beku molal pelarut dan m mewakili molalitas larutan, atau mol partikel dibagi dengan kilogram pelarut. Ini tampak lebih rumit daripada yang sebenarnya. Asumsikan bahwa air merupakan satu-satunya pelarut yang digunakan dalam percobaan, k = 1,86. Selain itu, gula, juga dikenal sebagai sukrosa, memiliki berat molekul 342,3. Persamaan untuk penurunan titik beku sekarang disederhanakan menjadi delta(T) = -1,86 * (gram sukrosa / 342,3 / kg air). Jadi, misalnya 10 gram sukrosa dilarutkan dalam 100 mL air, maka 100 mL = 100 g = 0,100 kg, dan delta(T) = -1,86 * (10 / 342,3 / 0,1) = -0,54 derajat Celcius. Jadi, larutan ini harus membeku pada suhu 0,54 derajat Celcius di bawah titik beku air murni.
Proyek Lanjutan
Mengatur ulang persamaan dari Langkah 3 akan memungkinkan pelaku eksperimen mengukur delta(T) dan kemudian menyelesaikan berat molekul, MW, sukrosa. Artinya, MW = (-1,86 * gram sukrosa) / (delta(T) * kg air). Faktanya, banyak siswa kimia sekolah menengah dan perguruan tinggi melakukan eksperimen di mana mereka secara eksperimental menentukan berat molekul suatu zat yang tidak diketahui. Metode ini juga berlaku untuk titik didih, kecuali nilai k berubah menjadi 0,52.
Jupiterimages/Photos.com/Getty Images
