在緯度高的國家

因為氣候十分地寒冷

汽車的水箱可能會因為水箱內的水結冰而被撐破

當地的居民為了避免發生這樣的狀況

常會在水箱中加入抗凍劑使得水不易結冰

以保護愛車

在寒帶生存的可愛動物們

例如鯨魚 北極熊 海豹等生物

科學家發現牠們的體內含有一種特殊的蛋白質

稱為AFPs

使得牠們的血液不容易因為低溫而凝固

以便適應酷寒的環境

究竟物質是如何改變水的凝固點

我們可以先從水是如何凝固的說起

由微觀粒子的角度來看

在一大氣壓下

當純水溫度降至攝氏0°C時

液態的水分子開始進行規則地整齊排列

並出現晶體結構

過程中液態水分子發生了物理變化

水分子間的距離下降

同時位能也跟著降低

並將能量釋放到外界環境中

這種水分子由液相轉變到固相的過程是一種相變化

此時的溫度稱為凝固點

讓水分子能夠整齊排列的神秘力量

是一種存在於水分子間的作用力 氫鍵

在水中加入了溶質時

溶質分子與水分子間也存在著作用力

當水凝固時

溶質會干擾水分子的結晶排列

使得溶液比起純溶劑更難凝固

因此凝固點的溫度與純水相比變得更低

隨著溶液的濃度提高

有更多的溶質分子干擾水分子排列

凝固點也因此越來越低

若以ΔTf來表示凝固點下降量

Cm表示溶液的重量莫耳濃度

可發現ΔTf正比於Cm

也就是凝固點下降量正比於溶液的重量莫耳濃度

自然界中除了水以外

還存在著許多不同的溶劑

這些溶劑和水擁有類似的物理性質

同樣會隨著溫度與壓力的變化

而發生凝固或是沸騰

當加入溶質時

也有著凝固點下降的現象

我們比較水與苯隨著重量莫耳濃度變化時凝固點的下降量

可以發現ΔTf與濃度的比值

也就是圖形上的斜率

苯和水並不相同

我們定義此斜率為常數Kf

Kf 僅與溶劑種類有關

不同的溶劑因為性質不同

有著不同的凝固點及Kf值

我們可將凝固點下降量與濃度的數學關係更進一步寫為

ΔTf=Kf×Cm

現在我們知道了溶質是如何影響凝固點

請問在一大氣壓的環境下

下列何者之凝固點最低

純水

1 m葡萄糖水溶液

2 m葡萄糖水溶液

答案是

因為溶液的濃度正比於溶質粒子的數目

當溶質分子越多時

凝固點就下降的越多

2m的糖水濃度最高

因此凝固點最低

接著利用前面提到凝固點下降常數Kf的觀念思考一下

若溶質A溶於溶劑B

其重量莫耳濃度與凝固點溫度之關係如圖所示

若想改變圖形之斜率

請問可以採取下列何種措施

提高溶液之濃度

改變溶劑種類

加入更多溶劑

答案是

由前面提到的凝固點下降量與重量莫耳濃度之數學關係

ΔTf=Kf×Cm

圖形中當濃度為0時

對應的溫度8°C是純溶劑的凝固點溫度

以此凝固點溫度觀察加入溶質後凝固點下降量

與重量莫耳濃度的關係可以得到右圖

此時的斜率即為凝固點下降常數Kf

比較兩個圖形

可得知原圖形的斜率為-Kf

Kf僅與溶劑種類有關

因此改變斜率的唯一方式是改變溶劑種類

回顧一開始舉的例子

當我們在水箱中加入了抗凍劑

抗凍劑內含著大量的乙二醇

乙二醇除了可以產生分子內部的氫鍵

也可以與水產生吸引力

進而影響水分子的排列

使得凝固點下降

同樣地概念

生物在大自然的考驗下演化出可以適應酷寒條件的體質

是因為牠們在血液中富含有抗凍蛋白

科學家們發現將抗凍蛋白加入水中後

水分子變的非常不易凝固

這樣的特性使得生物可以在低溫的環境下生存

最後

試著透過學到的概念去思考

生活中是否還有著許多和凝固點下降有關的例子呢

歡迎在影片下方留言區告訴我們你的答案

我們下次見