9.9: Властивості розчинів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21920

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Описати, чим відрізняються властивості розчинів від властивостей чистих розчинників.

Рішення, ймовірно, мають властивості, подібні до властивостей їх основного компонента - зазвичай розчинника. Однак деякі властивості розчину значно відрізняються від властивостей розчинника. Тут мова піде про рідкі розчини, які мають тверду розчинену речовину, але багато ефектів, які ми обговоримо в цьому розділі, застосовні до всіх розчинів.

колігативні властивості

Розчинені речовини впливають на деякі властивості розчинів, які залежать тільки від концентрації розчинених частинок. Ці властивості називаються колігативними властивостями. Чотири важливі колігативні властивості, які ми розглянемо тут, - це пригнічення тиску пари, підвищення температури кипіння, депресія точки замерзання та осмотичний тиск.

Молекулярні сполуки розділяються на окремі молекули при їх розчиненні, тому на кожен 1 моль розчинених молекул ми отримуємо 1 моль частинок. Навпаки, іонні сполуки поділяються на складові іони, коли вони розчиняються, тому 1 моль іонної сполуки буде виробляти більше 1 моль розчинених частинок. Наприклад, кожен моль NaCl, який розчиняється, дає 1 моль іонів Na ⁺ та 1 моль іонів Cl ⁻ для загальної кількості 2 моль частинок у розчині. Таким чином, вплив на властивості розчину при розчиненні NaCl може бути в два рази більше, ніж ефект розчинення такої ж кількості молей глюкози (C ₆ H ₁₂ O ₆).

Пригнічення тиску пари

Всі рідини випаровуються. Насправді, з огляду на достатній обсяг, рідина перетвориться повністю в пар. Якщо достатнього обсягу немає, рідина буде випаровуватися тільки до того моменту, коли швидкість випаровування дорівнює швидкості конденсації пари назад в рідину. Тиск пари в цій точці називається тиском пари рідини.

Наявність розчиненого твердого речовини знижує характерний тиск пари рідини, завдяки чому вона випаровується повільніше. (Винятки з цього твердження полягають у тому, що сама розчинена речовина є рідиною або газом, і в цьому випадку розчинена речовина також буде щось сприяти процесу випаровування. Ми тут обговорювати такі рішення не будемо.) Це властивість називається пригніченням тиску пари і зображено на малюнку\(\PageIndex{1}\).

9.6.jpg — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Пригнічення тиску пари. Наявність розчинених частинок блокує деяку здатність рідких частинок випаровуватися. Таким чином, розчини твердих розчинених речовин зазвичай мають менший тиск пари, ніж чистий розчинник.

Висота точки кипіння

Пов'язане властивість розчинів полягає в тому, що їх температура кипіння вище, ніж температура кипіння чистого розчинника. Оскільки наявність розчинених частинок зменшує тиск пари рідкого розчинника, для досягнення температури кипіння потрібна більш висока температура. Це явище називається підвищенням температури кипіння. Для кожного моля частинок, розчинених у літрі води, температура кипіння води збільшується приблизно на 0,51° C. додавання одного моля сахарози (молекулярної сполуки) в один літр води підніме температуру кипіння від 100° C до 100.51° C, але додавання одного моля NaCl в один літр води підвищить температура кипіння на 2 х 0,51° C = 1,02° C Крім того, додавання одного моля\(\ce{CaCl2}\) в один літр води підвищить температуру кипіння на 3 x 0.51° C = 1,53° C.

Деякі люди стверджують, що покласти щіпку або дві солі у воду, яка використовується для приготування спагетті або інших макаронних виробів, робить розчин, який має більш високу температуру кипіння, тому макарони готуються швидше. Насправді кількість розчиненої речовини настільки мала, що температура кипіння води практично не змінюється.

Депресія точки замерзання

Наявність розчинених частинок має зворотний вплив на температуру замерзання розчину. Коли розчин замерзає, лише частинки розчинника збираються разом, утворюючи тверду фазу, і наявність розчинених частинок перешкоджає цьому процесу. Тому, щоб рідкий розчинник застиг, з розчину необхідно видалити більше енергії, що знижує температуру. Таким чином, розчини мають нижчі температури замерзання, ніж чисті розчинники. Це явище називається депресією точки замерзання. Для кожної молі частинок у літрі води температура замерзання зменшується приблизно на 1,86° C.

альт — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Порівняння точок кипіння і замерзання чистої рідини (права сторона) з розчином (ліва сторона).

Як висота точки кипіння, так і депресія точки замерзання мають практичне застосування. Наприклад, розчини води і етиленгліколю (С ₂ Н ₆ О ₂) використовуються в якості охолоджуючих рідин в автомобільних двигунів, оскільки температура кипіння такого розчину перевищує 100°C, нормальну температуру кипіння води. Взимку солі люблять NaCl і\(\ce{CaCl_2}\) посипають землею, щоб розтопити лід або не дати утворюватися льоду на дорогах і тротуарах (рис.\(\PageIndex{3}\)). Це пов'язано з тим, що розчин, виготовлений шляхом розчинення хлориду натрію або хлориду кальцію у воді, має нижчу температуру замерзання, ніж чиста вода, тому утворення льоду гальмується.

9.7 resized.jpg — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ефект депресії точки замерзання. Сіль, посипана на цьому тротуарі, робить воду на тротуарі нижчою температурою замерзання, ніж чиста вода, тому вона не замерзає так легко. Це робить ходьбу по тротуару менш небезпечною взимку. © Thinkstock

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Температура замерзання якого розчину більше відхиляється від температури чистої води - 1 М розчину NaCl або 1 М розчину\(\ce{CaCl_2}\)?

Рішення

Колігативні властивості залежать від кількості розчинених частинок, тому розчин з більшою кількістю частинок в розчині покаже найбільше відхилення. Коли NaCl розчиняється, він розділяється на два іони, Na ⁺ і Cl ⁻. Але коли\(\ce{CaCl2}\) розчиняється, він розділяється на три іони - один іон Ca ² ⁺ та два іони Cl ⁻. Таким чином, моль для крота,\(\ce{CaCl2}\) матиме на 50% більше впливу на депресію температури замерзання, ніж NaCl.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Температура кипіння якого розчину більше відхиляється від температури чистої води - 1 М розчину\(\ce{CaCl2}\) або 1 М розчину MgSO ₄?

Відповідь: \(\ce{CaCl2}\)

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Оцініть температуру кипіння 0,2 М\(\ce{CaCl2}\) розчину.

Рішення

Температура кипіння збільшується на 0,51° C для кожного моля розчиненої речовини на літр води. Для цієї оцінки припустимо, що 1 літр розчину приблизно такий же обсяг, як 1 літр води. \(\ce{CaCl_2}\)Розчин 0,2 М містить 0,2 моль формульних одиниць\(\ce{CaCl_2}\) розчину на літр розчину. Кожна\(\ce{CaCl_2}\) одиниця розділяється на три іони.

\[\mathrm{0.2\: mol\: CaCl_2\times\dfrac{3\: mol\: ions}{1\: mol\: CaCl_2}\times\dfrac{0.51° C}{1\: mol\: ion}=0.306° C} \nonumber \]

Нормальна температура кипіння води становить 100° C, тому температура кипіння розчину підвищується до 100,31° C.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Оцініть температуру замерзання\(\ce{CaCl_2}\) розчину 0,3 М.

Відповідь: —1,7° C