Colligatieve eigenschappen

Toevoeging van opgeloste stof om een oplossing te vormen, stabiliseert het oplosmiddel in de vloeistoffase en verlaagt het chemische potentieel van het oplosmiddel, zodat oplosmiddelmoleculen minder de neiging hebben om naar de gas- of vaste fase te gaan. Hierdoor worden vloeibare oplossingen iets boven het kookpunt van het oplosmiddel bij een bepaalde druk stabiel, waardoor het kookpunt toeneemt. Evenzo worden vloeibare oplossingen iets onder het vriespunt van het oplosmiddel stabiel, wat betekent dat het vriespunt afneemt. Zowel de verhoging van het kookpunt als de verlaging van het vriespunt zijn evenredig met de verlaging van de dampspanning in een verdunde oplossing.

Deze eigenschappen zijn colligatief in systemen waar de opgeloste stof hoofdzakelijk beperkt is tot de vloeistoffase. Kookpuntverhoging (zoals dampdrukverlaging) is colligatief voor niet-vluchtige opgeloste stoffen waarbij de aanwezigheid van opgeloste stof in de gasfase verwaarloosbaar is. Vriespuntverlaging is colligatief voor de meeste opgeloste stoffen, aangezien zeer weinig opgeloste stoffen merkbaar oplossen in vaste oplosmiddelen.

Kookpuntverhoging (ebullioscopie) Bewerken

Het kookpunt van een vloeistof bij een gegeven externe druk is de temperatuur (T b {\ displaystyle T _ {\ rm {b}}}) waarbij de dampspanning van de vloeistof gelijk is aan de externe druk. Het normale kookpunt is het kookpunt bij een druk gelijk aan 1 atm.

Het kookpunt van een puur oplosmiddel wordt verhoogd door de toevoeging van een niet-vluchtige opgeloste stof, en de hoogte kan worden gemeten met ebullioscopie . Het blijkt dat

Δ T b = T b (oplossing) – T b (zuiver oplosmiddel) = i ⋅ K b ⋅ m {\ displaystyle \ Delta T _ {\ rm {b}} = T _ {\ rm {b }} (oplossing) -T _ {\ rm {b}} (puur \ solvent) = i \ cdot K_ {b} \ cdot m}

Hier is ik de van “t Hoff-factor zoals hierboven, Kb is de ebullioscopische constante van het oplosmiddel (gelijk aan 0,512 ° C kg / mol voor water), en m is de molaliteit van de oplossing.

Het kookpunt is de temperatuur waarbij er een evenwicht is tussen de vloeistof- en gasfase. Bij het kookpunt is het aantal gasmoleculen dat condenseert tot vloeistof gelijk aan het aantal vloeistofmoleculen dat tot gas verdampt. Het toevoegen van een opgeloste stof verdunt de concentratie van de vloeistofmoleculen en vermindert de verdampingssnelheid. Om dit te compenseren en opnieuw een evenwicht te bereiken, het kookpunt vindt plaats bij een hogere temperatuur.

Als wordt aangenomen dat de oplossing een ideale oplossing is, kan Kb worden geëvalueerd op basis van de thermodynamische toestand voor vloeistof-damp-evenwicht. Bij het kookpunt de chemische potentiaal μA van het oplosmiddel in de oplossingsfase is gelijk aan de chemische potentiaal in de zuivere dampfase boven de oplossing.

μ A (T b) = μ A ⋆ (T b) + RT ln ⁡ x A = μ A ⋆ (g , 1 atm) {\ displaystyle \ mu _ {A} (T_ {b}) = \ mu _ {A} ^ {\ star} (T_ {b}) + RT \ ln x_ {A} \ = \ mu _ {A} ^ {\ star} (g, 1atm)},

Vriespuntverlaging (cryoscopie) Bewerken

Het vriespunt (T f {\ displaystyle T _ {\ rm {f}}}) van een zuiver oplosmiddel wordt verlaagd door de toevoeging van een opgeloste stof die onoplosbaar is in het vaste oplosmiddel, en de meting van dit verschil wordt cryoscopie genoemd. Het blijkt dat

Δ T f = T f (oplossing) – T f (zuiveringsmiddel) = – i ⋅ K f ⋅ m {\ displaystyle \ Delta T _ {\ rm {f}} = T _ {\ rm { f}} (oplossing) -T _ {\ rm {f}} (puur \ solvent) = – i \ cdot K_ {f} \ cdot m} (kan ook worden geschreven als Δ T f = T f (puur oplosmiddel) – T f (oplossing) = ik ⋅ K f ⋅ m {\ displaystyle \ Delta T _ {\ rm {f}} = T _ {\ rm {f}} (puur \ solvent) -T _ {\ rm {f}} (oplossing) = i \ cdot K_ {f} \ cdot m})

Hier is Kf de cryoscopische constante (gelijk aan 1,86 ° C kg / mol voor het vriespunt van water), i is de van “t Hoff-factor, en m de molaliteit.

In de vloeibare oplossing wordt het oplosmiddel verdund door toevoeging van een opgeloste stof, zodat er minder moleculen beschikbaar zijn om te bevriezen. Herstel van evenwicht wordt bereikt bij een lagere temperatuur waarbij de snelheid van bevriezing wordt gelijk aan de snelheid van vloeibaar maken. Bij het lagere vriespunt is de dampdruk van de vloeistof gelijk aan de dampspanning van de overeenkomstige vaste stof, en de chemische potentialen van de twee fasen zijn e ook gelijk. De gelijkheid van chemische potentialen maakt de evaluatie van de cryoscopische constante mogelijk als K f = RMT f 2 / Δ H fus {\ displaystyle K_ {f} = RMT_ {f} ^ {2} / \ Delta H _ {\ mathrm {fus}} }, waarbij ΔHfus de molaire smeltenthalpie van het oplosmiddel is.