§ Х-31 Колігативні властивості розчинів: Закон Рауля, ебуліоскопія (ΔT_кип) та кріоскопія (ΔT_зам) (9–11 клас · Властивості розчинів)
Зниження тиску насиченої пари ΔP = x₂P₀, підвищення T_кип і зниження T_зам розчинів. «Зниження тиску насиченої пари та точки замерзання розчину залежить лише від відносної кількості частинок розчиненої речовини, а не від їхньої хімічної природи», Франсуа Марі Рауль.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Колігативні властивості розчинів, це фізико-хімічні властивості розбавлених розчинів, які залежать лише від концентрації розчинених частинок (молекул або йонів з урахуванням ізотонічного коефіцієнта Вант-Гоффа i), але не залежать від їхньої хімічної природи.
Згідно з першим законом Рауля, додавання нелеткої розчиненої речовини зменшує мольну частку розчинника χ₁ = 1 - χ₂ на поверхні випаровування, тому тиск насиченої пари розчину P завжди нижчий за тиск пари чистого розчинника P₀^°: P = χ₁ P₀^° ⇒ (P₀^° - P)/(P₀^°) = χ₂ = (i n_реч)/(n_води + i n_реч).
Зниження тиску насиченої пари над розчином зміщує точки фазових переходів води (другий закон Рауля): 1) ебуліоскопія, підвищення температури кипіння розчину Δ T_кип = i K_b m (для води K_b = 0.512 К·кг/моль); 2) кріоскопія, зниження температури замерзання розчину Δ T_зам = i K_f m (K_f = 1.86 К·кг/моль), на чому ґрунтується дія автомобільних антифризів та посипання зледенілих доріг сіллю NaCl (i ≈ 2) або CaCl₂ (i ≈ 3).
Приклад із життя
Уяви, що молекули води хочуть вилетіти з каструлі в пару або вишикуватися в кристал льоду, але розчинені іони солі стоять біля поверхні й «тримають їх за поли». Тому солоній воді важче закипіти (кипить вище 100 ^°C) і важче замерзнути (лід на дорозі тане навіть у мороз)!
Контрольне запитання та розв’язання
Чому взимку зледенілі дороги посипають хлоридом кальцію CaCl₂ або хлоридом натрію NaCl, і чому за однакової моляльної концентрації (m = 1 моль/кг) розчин CaCl₂ знижує температуру замерзання води приблизно втричі сильніше, ніж розчин глюкози?
- А: Згідно із законами Рауля та Бекмана, зниження температури замерзання Δ T_зам = i K_f m пропорційне загальній концентрації частинок i· m; глюкоза не дисоціює (i = 1), NaCl дає 2 іони (i ≈ 2), а CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻ дає 3 іони (i ≈ 3)
- Б: Сіль вступає з льодом у ядерну реакцію з виділенням світла
- В: Розчинення солі підвищує температуру замерзання води до +15 ^°C
Підказка: За законом Рауля нелетка речовина знижує тиск насиченої пари розчинника (Δ P = χ₂ P₀^°), підвищуючи T_кип на i K_b m і знижуючи T_зам на i K_f m.
Доведення: Колігативними називаються властивості розчинів, які залежать лише від сумарної концентрації кінетично самостійних частинок розчиненої речовини (i· m), а не від їхньої хімічної природи. За першим законом Рауля нелетка розчинена речовина зменшує мольну частку розчинника на поверхні та знижує його хімічний потенціал, через що тиск насиченої пари над розчином падає: Δ P = P₀ - P = x₂ P₀. Як наслідок (другий закон Рауля), розчин закипає за вищої температури (Δ T_кип = i K_b m, для води K_b = 0.512 К·кг/моль) і замерзає за нижчої температури (Δ T_зам = i K_f m, для води K_f = 1.86 К·кг/моль). Для сильного електроліту CaCl₂ ізотонічний коефіцієнт Вант-Гоффа становить i ≈ 3, тому при m = 2 моль/кг лід плавиться навіть при -11 ^°C!
Основні формули та параметри 3D-симуляції
Δ P = P₀ (i m)/(55.5 + i m), T_кип = 100 + 0.512 i m, T_зам = 0 - 1.86 i m
- Моляльна концентрація розчину m (моль на 1 кг H₂O): 0.5 … 5 моль/кг (стандарт: 2 моль/кг)
- Ізотонічний коефіцієнт Вант-Гоффа i (1: глюкоза, 2: NaCl, 3: CaCl₂): 1 … 3 (стандарт: 2)
- Тиск насиченої пари чистої води P₀(T): 3.2 … 101.3 кПа (стандарт: 23.8 кПа)
- Температура термостата t: 25 … 100 °C (стандарт: 65 °C)