化學原理啟迪431
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1.
溶質溶解於溶劑調製而成的溶液，其凝固點低於純溶劑的凝固點，為什麼？
2.
再複習一次，在0℃下，「純水結成的冰」和「純水」的蒸汽壓一樣。溶質溶解於溶劑水，調製而成的溶液，其凝固點不會在0℃，因為「溶液內的水」的蒸汽壓，低於「純水的冰」的蒸氣壓；意思是，在0℃溶液不會結冰。
3.
徐弘毅注：凝固點就是物質的液態與固態可同時存在的溫度點，這個時候液體的蒸汽壓與固態冰的蒸汽壓一樣，所以液體不會完全結凍成固體，而固體也不會完全融化成液體；
純水的凝固點是0℃，在0℃液態純水與固態冰（純水結凍）的蒸汽壓一樣，兩相（固態、液態）平衡。
可是溶液卻不是這樣，0℃時，「溶液內的水」的蒸汽壓，低於「純水的冰」的蒸氣壓，這代表0℃剛結凍的冰，很快地變回液態水，所以溶液在0℃是呈現液態。
4.
不過，因為溫度下降過程，冰的蒸汽壓下降得速度，比液態水快。因此，只要溶液拿去冷凍降溫，最後一定會達到冰的蒸汽壓與液態水的蒸汽壓一樣；最終的結果是，溶液的凝結點低於0℃，凝固點下降了。
5.
我們可用簡單的模型說明冰與水的行為，圖左為冰在純水溶液內的溶解情形，圖右為冰在含有溶質的溶液內溶解的情形：
6.
溶液裡的溶質，會降低液態水分子，回復成固態冰的速率。這種含有溶質的溶液，在0℃仍是液態的。溶液在降溫時，水分子離開固態冰的融化速率下降（因為溶質會擋住冰塊內的水分子脫離）。
7.
讓溫度持續下降，直到溶液裡冰的融化速率，與水凝結成冰的速率一致，達到平衡，才是達到此溶液的凝固點。
8.
因為溶質會降低水的凝固點，所以寒冷氣候地區的人會用氯化鈉和氯化鈣潑灑在街道、人行道上，以防止結冰。當然，如果溫度太冷，低於鹽水溶液的凝固點，還是會變成冰，所以，在極度寒冷的氣溫下，這招是沒用的。
9.
圖為含有溶質的溶液的固態/液態分界線。因為溶質能提高溶劑的沸點，降低溶劑的凝固點。添加溶質可以擴大溶劑維持液態的溫度範圍。
10.
溶液凝固點下降的方程式：
ΔT＝Kf msolute
ΔT是凝固點的溫度下降幅度，或純溶劑凝固點與溶液凝固點之間的差距。Kf是特定溶劑的常數，稱為凝固點下降常數modal freezing-point depression constant。
11.
常見的幾種溶劑的下降常數Kf如下：
12.
【例題】乙二醇C2H6O2是防凍劑的主要成分，汽車散熱器裡若有10.0L的水，要加多少防凍劑，才能調製出凝固點為－10.0°F（－23.3℃）的溶液？假設水的密度是1g/ml。
13.
【解題】散熱器內的水，調製之後，溫度從0℃降到－23.3℃。我們利用凝固點下降方程式，判斷出需要多少乙二醇才能達到目標。
ΔT＝Kf msolute
在此，ΔT＝23.3℃，Kf＝1.86
℃kg/mol
解開重量莫耳濃度
msolute＝ΔT
/ Kf＝23.3℃/1.86
℃kg/mol＝12.5
mol/ kg
意思是，每公斤kg的水要添加12.5mol的乙二醇。我們已經有10.0L/10.0kg的水（水的密度1g/ml，所以10.0L的水等於10.0L×1g/ml＝10.0×1kg/1L＝10.0kg），因此我們總共需要的乙二醇莫耳數：
12.5mol/kg
× 10.0kg＝1.25×102mol
1.25×102mol乙二醇的重量是
1.25×102mol×62.1g/mol＝7.76×103g（或7.76kg）
註：C2H6O2的莫耳量＝12×2＋6＋16×2＝24＋6＋32＝62
g/mol
14.
如同沸點升高方程式，凝固點下降方程式能用來判斷溶質的莫耳量和溶液的性質。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Tarleton.edu、textbook.s-anand.net、wps.pearsoncustom.com、scienceiscool.org
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