Η Επιστήμη του Παγωτού

Γιατί ένα παγάκι είναι στερεό ενώ μια σέσουλα ιταλικό gelato είναι σχεδόν σαν υγρό; Ακόμα και ένα «απλό» παγάκι δεν είναι τόσο σκληρό όσο ένα παγάκι καθαρού νερού. Αντίθετα, μπορείτε να δαγκώσετε μερικά πολύ εύκολα. Δεν είναι ενδιαφέρον;

Έχουμε ήδη φτιάξει πολλά παγωτά, αρκετά περίπλοκα παγωτά που περιλαμβάνουν κρέμα, ένα εξαιρετικά απλό παγωτό με μόνο δύο υλικά ή ένα σεμιφρέντο ιταλικού στιλ. Σε όλες τις περιπτώσεις, θεωρούσαμε ως δεδομένο ότι το παγωτό δεν έγινε στερεό. Μέρος αυτού οφείλεται στην εισαγωγή αέρα. Το παγωτό έγινε είτε αέρινο με την ενσωμάτωση σαντιγί είτε χάρη στο συνεχές ανακάτεμα της παγωτομηχανής. Αλλά μόνο η εισαγωγή αέρα δεν κάνει το κόλπο. Η κατάψυξη της καθαρής σαντιγί θα εξακολουθεί να δίνει μια αρκετά συμπαγή παγωμένη δομή.

Έρχεται η σημασία της ζάχαρης (ή του αλκοόλ) και ενός φαινομένου που ονομάζεται κατάθλιψη του σημείου πήξης!

Τι είναι η κατάθλιψη σημείου πήξης;

Η κατάθλιψη του σημείου πήξης λέει ότι το σημείο πήξης ενός μείγματος δύο συστατικών είναι χαμηλότερο από αυτό των μεμονωμένων συστατικών. Περιλαμβάνει έναν διαλύτη (π.χ. νερό) και μια διαλυμένη ουσία που θα αναμίξετε με τον διαλύτη.

Ένα πολύ συνηθισμένο παράδειγμα αυτού του φαινομένου στην καθημερινή ζωή είναι το αλάτισμα των δρόμων στο νερό. Το καθαρό νερό παγώνει στους 0°C. Ωστόσο, με την ανάμειξη σε αλάτι το σημείο πήξης αυτού του μείγματος νερού και αλατιού θα πέσει πολύ κάτω από το μηδέν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το αλάτι χρησιμοποιείται για να κρατήσει τους δρόμους απαλλαγμένους από πάγο. Ακόμη και σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν δεν θα υπάρχουν φύλλα πάγου στο δρόμο.

Γιατί λοιπόν αλλάζει το σημείο πήξης του διαλύτη διαλύοντας κάτι άλλο σε αυτόν; Λοιπόν, εάν έχετε μόνο καθαρό νερό (ή οποιονδήποτε άλλο διαλύτη), αυτά τα μόρια νερού μπορούν να οργανωθούν όμορφα και σφιχτά. Όταν η θερμοκρασία πέσει και το νερό παγώσει, μπορούν να σχηματίσουν έναν ωραίο κρύσταλλο μεταξύ τους (διαβάστε περισσότερα για τις μεταβάσεις φάσης). Ωστόσο, με την ανάμειξη σε μια διαλυμένη ουσία (π.χ. αλάτι ή ζάχαρη) αυτή η όμορφα διατεταγμένη δομή διαταράσσεται. Αντίθετα, μπορεί να σχηματίσουν αυτούς τους κρυστάλλους μόνο σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει λόγω της κατάθλιψης του σημείου πήξης.

Η κατάθλιψη του σημείου πήξης στο παγωτό

Στο παγωτό το σημείο πήξης του νερού στο παγωτό τροποποιείται. Το νερό είναι τα κύρια συστατικά των περισσότερων παγωτών, καθώς αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του γάλακτος ή της κρέμας που μπορεί να χρησιμοποιείτε. Το σημείο πήξης μειώνεται κυρίως με την προσθήκη ζάχαρης. Η ζάχαρη διαλύεται στο νερό και με αυτόν τον τρόπο παρεμβαίνει στον σχηματισμό κρυστάλλων.

Μπορεί επίσης να περιμένετε ότι το λίπος στο παγωτό θα επηρεάσει το σημείο πήξης. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει. Το νερό και το λάδι δεν αναμειγνύονται, αντίθετα, μικρές φυσαλίδες λαδιού επιπλέουν στο παγωτό, αλλά ποτέ δεν παρεμβαίνουν με τον ίδιο τρόπο όπως η ζάχαρη.

Οινόπνευμα και παγωτό

Σε διάφορες συνταγές χρησιμοποιείται αλκοόλ για την παρασκευή παγωτού. Εκτός από τη γεύση και το αλκοόλ που συμβάλλει στο παγωτό χρησιμοποιείται και για τη μείωση του σημείου πήξης του νερού! Θεωρητικά θα μπορούσατε να φτιάξετε παγωτό χωρίς ζάχαρη και μόνο αλκοόλ, ωστόσο, δεν είμαι σίγουρος αν θα ήταν τόσο καλό…

Υπολογισμός της κατάθλιψης του σημείου πήξης

Μπορείτε να υπολογίσετε τη μεταβολή στο σημείο πήξης του νερού στο παγωτό πολύ εύκολα. Η κατάθλιψη του σημείου πήξης είναι μια λεγόμενη συλλογική ιδιότητα. Αυτό σημαίνει ότι η πτώση της θερμοκρασίας, άρα το πόσο μειώνεται το σημείο πήξης, δεν εξαρτάται από τον τύπο του συστατικού που προστίθεται, τη διαλυμένη ουσία. Αντίθετα, εξαρτάται μόνο από τον αριθμό των σωματιδίων που προστίθενται καθώς και από τις αρχικές ιδιότητες του διαλύτη στον οποίο προστίθενται.

Με άλλα λόγια, εάν προσθέταμε 10.000 μόρια σακχάρου, αυτό θα είχε την ίδια επίδραση στο σημείο πήξης με 10.000 σωματίδια αλατιού. Μόνο όταν η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας γίνει πολύ υψηλή, ο τύπος της διαλυμένης ουσίας γίνεται σημαντικός.

Λόγω αυτής της απλής σχέσης, η πτώση του σημείου πήξης μπορεί να υπολογιστεί με έναν απλό τύπο:

ΔT_F =– K_F · m · i

Πού:

• ΔT_F =Η μεταβολή της θερμοκρασίας κατάψυξης σε °C
• Κ_Σ =η κρυοσκοπική σταθερά, αυτή η τιμή εξαρτάται από τον διαλύτη που εξετάζετε, για το νερό είναι 1.853 °C·kg/mol
• m =η μοριακότητα της διαλυμένης ουσίας, με άλλα λόγια, ο αριθμός των σωματιδίων ανά kg διαλύτη, σε mol/kg
• i =η σταθερά van ‘t Hoff εάν τα σωματίδια σας χωρίζονται σε 2 ή 3 μέρη αφού προστεθούν στο διαλύτη, πρέπει να το λάβετε υπόψη, αυτό είναι πιο συνηθισμένο για τα άλατα. Για σάκχαρα και παρόμοια που δεν διασπώνται, αυτή η σταθερά είναι μία, για το χλωριούχο νάτριο (αλάτι) είναι δύο.

Υπολογισμός της αλλαγής στο σημείο πήξης για το παγωτό

Παγωτό βανίλια

Ας ρίξουμε μια ματιά στην αλλαγή στο σημείο πήξης για ένα βασικό παγωτό βανίλια. Αυτό το παγωτό περιέχει περίπου 600 g (κατά προσέγγιση:300 + 0,65* 300 + 4 * 25) νερό και 75 g ζάχαρη.

• Αν η ζάχαρη διαλύεται στο νερό δεν θα διασπαστεί, οπότε το i στον παραπάνω τύπο είναι 1 και γνωρίζουμε επίσης την τιμή για την κρυοσκοπική σταθερά του νερού (1.853 °C·kg/mol).
• Τότε πρέπει να ξέρουμε πόσους κρυστάλλους ζάχαρης έχουμε. Από τη βιβλιογραφία βρήκαμε ότι 1 mole μορίων ζάχαρης ζυγίζει 342,3 g. Επομένως 75 γραμμάρια ζάχαρης είναι 75 / 342,3 =0,22 mol. Δεδομένου ότι έχουμε 600 γραμμάρια νερού, η μοριακότητα της ζάχαρης είναι:0,22 / 0,60 =0,37 mol/kg.

Τώρα είναι θέμα συμπλήρωσης του τύπου:

ΔT_F =– K_F · m · i =-1.853 · 0,37 · 1 =-0,68°C

Το σημείο πήξης έπεσε λιγότερο από 1 βαθμό. Αυτό είναι πραγματικά πολύ λίγο, επομένως αυτό το παγωτό μπορεί να γίνει πολύ πιο μαλακό προσθέτοντας περισσότερη ζάχαρη.

Απαλό παγωτό δύο συστατικών

Ας κάνουμε ένα άλλο παράδειγμα για να εξασκήσουμε αυτούς τους υπολογισμούς, εξετάζοντας τώρα ένα εξαιρετικά απλό παγωτό 2 συστατικών. Αυτό το παγωτό περιέχει 245 γραμμάρια νερό (0,7 * 230 + 0,55 * 150) και 70 γραμμάρια ζάχαρη (0,45 * 150), για λόγους απλότητας στρογγυλοποιήσαμε τους αριθμούς.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πολλούς από τους ίδιους αριθμούς όπως στον προηγούμενο υπολογισμό, αλλά θα χρειαστεί να υπολογίσετε τη μοριακή ποσότητα ζάχαρης για αυτή τη νέα συνταγή παγωτού. Χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο βρίσκουμε ότι είναι:70 / 342,3 =0,20 mol και 0,02 / 0,245 =0,83 mol/kg,

Ας συμπληρώσουμε ξανά τον τύπο:

ΔT_F =-K_F · m · i =-1.853 · 0,83 · 1 =-1,55°C

Διαγράμματα φάσεων

Απλώς αυτή η αλλαγή του σημείου πήξης δεν λέει ακόμα την πλήρη ιστορία του παγωτού, είναι μόνο η αρχή. Αντίθετα, αφού έχετε αυτές τις νέες θερμοκρασίες, θα πρέπει να ρίξετε μια ματιά σε ένα διάγραμμα φάσεων. Σε ένα διάγραμμα φάσης μπορείτε να δείτε ακριβώς πόσο πάγο και υγρό θα υπάρχει σε κάθε διαφορετική θερμοκρασία. Αυτό είναι λίγο πολύ σε βάθος για αυτήν την ανάρτηση, αλλά ευτυχώς υπάρχει μια ξεχωριστή ανάρτηση για το θέμα των διαγραμμάτων φάσης για εσάς.

Μια σημείωση για κατεψυγμένα φρούτα

Έχετε παρατηρήσει ποτέ ότι τα κατεψυγμένα φρούτα συχνά δεν είναι στερεά; Εκτός από την επίδραση της υφής του φρούτου, αυτό οφείλεται και στην κατάθλιψη του σημείου πήξης. Τα φρούτα περιέχουν αρκετή ζάχαρη που εμποδίζει όλο το νερό να παγώσει!

Ένα βίντεο για περισσότερες εξηγήσεις

Μια πιο θεμελιώδης εξήγηση μπορείτε να βρείτε σε αυτό το υπέροχο βίντεο από την Ακαδημία Khan.

Πόροι

Μια πιο λεπτομερής εξήγηση της θερμοδυναμικής πίσω από την κατάθλιψη του σημείου πήξης μπορεί να βρεθεί στους ιστότοπους του:UC Davis &Bristol University.