Właściwości koligatywne

Dodanie substancji rozpuszczonej w celu utworzenia roztworu stabilizuje rozpuszczalnik w fazie ciekłej i obniża potencjał chemiczny rozpuszczalnika, dzięki czemu cząsteczki rozpuszczalnika mają mniejszą tendencję do przechodzenia do fazy gazowej lub stałej. W rezultacie ciekłe roztwory nieco powyżej temperatury wrzenia rozpuszczalnika przy danym ciśnieniu stają się stabilne, co oznacza, że temperatura wrzenia wzrasta. Podobnie, roztwory płynne nieco poniżej temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika stają się stabilne, co oznacza, że temperatura krzepnięcia spada. Zarówno podwyższenie temperatury wrzenia, jak i obniżenie temperatury krzepnięcia są proporcjonalne do obniżenia prężności pary w roztworze rozcieńczonym.

Te właściwości są koligatywne w układach, w których substancja rozpuszczona jest zasadniczo ograniczona do fazy ciekłej. Podwyższenie temperatury wrzenia (jak obniżenie prężności pary) jest koligatywne dla nielotnych substancji rozpuszczonych, w których obecność substancji rozpuszczonej w fazie gazowej jest pomijalna. Obniżenie temperatury krzepnięcia jest koligatywne dla większości substancji rozpuszczonych, ponieważ bardzo niewiele substancji rozpuszcza się znacznie w stałych rozpuszczalnikach.

Podniesienie temperatury wrzenia (ebullioskopia) Edytuj

Temperatura wrzenia cieczy przy danym ciśnieniu zewnętrznym to temperatura (T b {\ Displaystyle T _ {\ rm {b}}}), w której ciśnienie pary cieczy jest równe ciśnieniu zewnętrznemu. Normalna temperatura wrzenia to temperatura wrzenia przy ciśnieniu równym 1 atm.

Temperaturę wrzenia czystego rozpuszczalnika zwiększa się przez dodanie nielotnej substancji rozpuszczonej, a wysokość można zmierzyć za pomocą ebullioskopii . Okazuje się, że

Δ T b = T b (rozwiązanie) – T b (rozpuszczalnik) = ja ⋅ K b ⋅ m {\ Displaystyle \ Delta T _ {\ rm {b}} = T _ {\ rm {b }} (rozwiązanie) -T _ {\ rm {b}} (czysty \ rozpuszczalnik) = i \ cdot K_ {b} \ cdot m}

Tutaj i jest współczynnikiem van „t Hoff jak powyżej, Kb jest ebulioskopowym stała rozpuszczalnika (równa 0,512 ° C kg / mol dla wody), a m jest molowością roztworu.

Temperatura wrzenia to temperatura, w której istnieje równowaga między fazą ciekłą i gazową. W punkcie wrzenia liczba cząsteczek gazu skraplających się w ciecz jest równa liczbie cząsteczek cieczy parujących do gazu. Dodanie substancji rozpuszczonej osłabia stężenie cząsteczek cieczy i zmniejsza szybkość parowania. Aby to skompensować i przywrócić równowagę, temperatura wrzenia występuje w wyższej temperaturze.

Jeśli przyjmie się, że roztwór jest roztworem idealnym, Kb można oszacować na podstawie warunków termodynamicznych równowagi ciecz-para. W punkcie wrzenia potencjał chemiczny μA rozpuszczalnika w fazie roztworu równa się potencjałowi chemicznemu w czystej fazie gazowej nad roztworem.

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

Obniżenie punktu zamarzania (krioskopia) Edytuj

Punkt zamarzania (T f {\ Displaystyle T _ {\ rm {f}}}) czystego rozpuszczalnika jest obniżana przez dodanie substancji rozpuszczonej, która jest nierozpuszczalna w stałym rozpuszczalniku, a pomiar tej różnicy nazywa się krioskopią. Okazuje się, że

Δ T f = T f (rozwiązanie) – T f (rozpuszczalnik) = – ja ⋅ K fa ⋅ m {\ Displaystyle \ Delta T _ {\ rm {f}} = T _ {\ rm { f}} (solution) -T _ {\ rm {f}} (czysty \ rozpuszczalnik) = – i \ cdot K_ {f} \ cdot m} (Można również zapisać jako Δ T f = T f (puresolvent) – T f (rozwiązanie) = ja ⋅ K fa ⋅ m {\ Displaystyle \ Delta T _ {\ rm {f}} = T _ {\ rm {f}} (czysty \ rozpuszczalnik) -T _ {\ rm {f}} (rozwiązanie) = i \ cdot K_ {f} \ cdot m})

Tutaj Kf jest stałą krioskopową (równą 1,86 ° C kg / mol dla punktu zamarzania wody), i jest współczynnikiem van „t Hoff, im molalność.

W roztworze ciekłym rozpuszczalnik rozcieńcza się przez dodanie substancji rozpuszczonej, dzięki czemu mniej cząsteczek jest dostępnych do zamrożenia. Przywrócenie równowagi osiąga się w niższej temperaturze, w której szybkość zamarzania staje się równa szybkości upłynniania. W niższej temperaturze krzepnięcia ciśnienie pary cieczy jest równe prężności pary odpowiedniego ciała stałego, a potencjały chemiczne obu faz są są równe. Równość potencjałów chemicznych pozwala na ocenę stałej krioskopowej jako K f = RMT f 2 / Δ H fus {\ displaystyle K_ {f} = RMT_ {f} ^ {2} / \ Delta H _ {\ mathrm {fus}} }, gdzie ΔHfus jest molową entalpią fuzji rozpuszczalnika.