Какие свойства растворов называются коллигативными

После изучения этой темы вы должны:

– иметь представления о следующих понятиях и явлениях:

– осмос, осмотическое давление (закон Вант-Гоффа), его роль.

– закон Рауля о давлении паров растворителя над раствором и изменении температур кипения и замерзания растворов (следствия закона Рауля).

Коллигативные свойства – это свойства, которые не зависят от природы частиц растворенного вещества, а зависят только от концентрации частиц в растворе.

Коллигативными свойствами разбавленных растворов являются:

– скорость диффузии

– осмотическое давление (Закон Вант-Гоффа)

– давление насыщенного пара растворителя над раствором (Закон Рауля)

– температура кипения раствора (1следствие из закона Рауля)

– температура кристаллизации раствора (2 следствие из закона Рауля)

Свойства неэлектролитов

Осмосом называется самопроизвольное перемещение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. В результате протекания осмоса возникает осмотическое давление раствора. Гипертоническим раствором называют тот раствор, у которого осмотическое давление больше. Гипотоническим раствором – раствор с меньшим осмотическим давлением. Изотоничные растворы – это растворы с одинаковой величиной осмотического давления.

Растительная клетка (С >) (внутриклеточный раствор)

Внешняя среда (С <) (межклеточный раствор)

Н2О Н2О

Вант-Гофф, изучая зависимость осмотического давления от внешних факторов установил, что оно не зависит от природы растворенного вещества, а зависит только от числа частиц в растворе и от температуры:

Росм = СмRT, где Росм [кПа], T [K] – абсолютная температура, R = 8,32 кДж/моль – универсальная газовая постоянная, См – молярная концентрация раствора [моль/л].

Осмотическое давление раствора, содержащего несколько веществ, равно сумме осмотических давлений, вызываемых каждым из них.

Давление насыщенного пара растворителя над раствором (Закон Рауля):

Относительное понижение давления насыщенного пара над раствором прямо пропорционально мольной доле растворенного вещества: где – давление насыщенного пара над чистым растворителем; РА-давление насыщенного пара растворителя над раствором; NB – мольная доля растворенного вещества: , где na, nb – число молей растворителя (а) и растворенного вещества (b).

Набольшее практическое значение получили I, II следствие закона Рауля.

I следствие закона Рауля: Повышение температуры кипения раствора прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества: Dtкип = Kэб.Сm , где Dtкип = t кип р-ра – t кип н2o, 0С ; Kэб – эбулиоскопическая константа растворителя (Kэб н2о ); Сm- моляльная концентрация растворенного вещества, моль/1000г растворителя.

II следствие закона Рауля: Понижение температуры замерзания раствора прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества: Dtзам = Kкр.Сm , где Dt = t зам.н2о – t зам р-ра, 0С; Kкр – криоскопическая константа растворителя (Ккр н2о =1,86); Сm- моляльная концентрация растворенного вещества, моль/1000г растворителя.

Примечание: см. приложение 7 – «Криоскопические константы некоторых растворителей», приложение 8 – «Эбулиоскопические константы некоторых растворителей».

Эти уравнения справедливы только для растворов, в которых отсутствует взаимодействие частиц, т.е. для идеальных растворов. В реальных растворах имеют место межмолекулярные взаимодействия между молекулами вещества и растворителя, которые могут приводить либо к процессам диссоциации, либо к процессам ассоциации молекул. Диссоциация молекул вещества в водном растворе характерна для сильных электролитов. В результате диссоциации число частиц увеличивается.

Доля (i) образовавшихся частиц определяется как отношение общего числа частиц к первоначальному числу молекул. Она зависит от степени диссоциации электролита и от числа частиц, на которые распадается молекула:

i = (n -1)a + 1, i – получил название изотонический коэффициент, n – число частиц (ионов), на которые распадается молекула, a – степень диссоциации (в долях).

Примеры расчетов температур кипения, замерзания, осмотического давления растворов различных концентраций.

Пример 1. Вычислить температуру замерзания, кипения раствора этилового спирта с процентной концентрацией (w), равной 40 %.

Решение: Вычислим температуру замерзания раствора исходя из II следствия закона Рауля: Dtзам = Kкр.Сm, однако для решения необходимо перейти от одного вида концентрации к другому:

w [m в-ва, г 100г р-ра] ® Сm[ n молей 1000 г р-ля ]

1. Перейдем от массы вещ-ва (m) к молям (n) через пропорцию:

1 моль С2Н5ОН содержит ——- 46 г

х моль //——//——-//——-//——40 г

или по формуле х(n) = = моль/100р-ра,

где m(с2н5он) = 40г, M(с2н5он) = 46г/моль

2. Перейдем от массы раствора к массе растворителя:

m р-ля = m р-ра – m в-ва = 100 – 40 = 60г р-ля

2. Через пропорцию выразим Сm :

0,87 молей С2Н5ОН содержит в 60 г растворителя

х (Сm) -//—–//—–//—–//——/- 1000 г

х (Сm) = = 14,5 молей/1000г р-ля

4. По формуле Dtзам = Kкр.Сm найдем Dt: Dt = 1,86.14,5 = 26,97 0C

5. Dt = tзам н2о – tзамр-ра Þ tзам р-ра = tзам н2о – Dt = 0 – 26,97 = -26,97 0C – температура замерзания 40 % раствора этилового спирта.

Вычислим температуру кипения раствора исходя из I следствия закона Рауля: Dtкип = Kэб. Сm, Сm = 14,5 моль/1000р-ля (см. выше)

Из формулы найдем Dt: Dt = 0,516 . 14,5 = 7,48 0C

Dt = tкипр-ра – tкип н2о Þ tкип р-ра = tкип н2о + Dtкип = 100 + 7,48 = 107,48 0C- температура кипения 40% раствора этилового спирта.

Пример 2. Вычислить концентрацию физиологического раствора (NaCl) изотоничного с осмотическим давлением крови равное » 800 Кпа. Степень диссоциации NaCl принять за 90%.

Решение: Для растворов электролитов Росм(NaCl ) = i·См·R·T Þ

См = (1)

Условие изотоничности означает, что Росм(NaCl ) = Росм крови = 800 кПа,

i = (n-1)·a + 1= (2 – 1) ·0,9 = 1,9

NaCl Û Na++Cl-, где n = 2, a = 0,9

Подставим найденные значения в формулу (1) См = 0,17 моль/л – концентрация хлорида натрия, которая создает осмотическое давление 800 кПа.

Коллигативные свойства растворов — это свойства растворов, обусловленные только самопроизвольным движением молекул, то есть они определяются не химическим составом, а числом кинетических единиц — молекул в единице объёма или массы[1]. К таким коллигативным свойствам относятся:

• Понижение упругости растворителя над раствором,
• Повышение температуры кипения растворов (в сравнении с чистыми растворителями),
• Понижение температуры замерзания растворов (в сравнении с чистыми растворителями),
• Возникновение осмотического давления,
• Диффузия.

Законы Рауля

Первый закон Рауля

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным. Давление такого пара над чистым растворителем (p0) называют давлением или упругостью насыщенного пара чистого растворителя.

В 1886 (1887) году Ф. М. Рауль сформулировал закон:

Давление пара раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество, прямо пропорционально мольной доле растворителя в данном растворе:

p = p0 · χр-ль, где
p — давление пара над раствором, Па;
p0 — давление пара над чистым растворителем;
χр-ль —— мольная доля растворителя.

Для растворов электролитов используют несколько другую форму уравнения, позволяющую добавить в неё изотонический коэффициент:

Δp = i · p0 · χв-ва, где
Δp — собственно изменение давления по сравнению с чистым растворителем;
χв-ва — мольная доля вещества в растворе.

Второй закон Рауля

Также Рауль экспериментально доказал, что

повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения растворителя равно и понижение температуры замерзания раствора по сравнению с аналогичным характеризующей величиной для растворителя прямо пропорциональна моляльности раствора, то есть,

ΔTкип/зам= Kэб/кр · mв-ва, где
Kэб/кр — соответственно эбуллиоскопическая (от лат. ebullire — «кипеть» и др.-греч. σκοπέω — «наблюдаю») и криоскопическая (относится к замерзанию) константы, характерные для данного растворителя;
mв-ва — моляльность вещества в растворе.

Осмотическое давление

Рассмотрим ситуацию, при которой частично проницаемая мембрана (то есть, такая, через которую могут проходить лишь мелкие объекты, например, молекулы растворителя, но не крупные — например, молекулы растворённого вещества) разделяет чистый растворитель и раствор (или два раствора с разными концентрациями). Тогда молекулы растворителя находятся практически в равных физических условиях по обе стороны мембраны, однако в более насыщенном растворе некоего вещества их концентрация, разумеется, меньше, чем в более разбавленном (в котором меньше места в растворе занимают молекулы растворённого вещества). Следовательно, со стороны менее насыщенного раствора через мембрану диффундирует большее число молекул, чем с противоположной стороны. А это значит, что растворитель попросту переходит из менее насыщенного раствора в более насыщенный, разбавляя его (выравнивая концентрации обоих растворов) и создавая давление на мембрану. Процесс этот (он называется осмосом) можно прекратить, оказав определённое давление на более насыщенный раствор (например, при помощи поршня) —— это давление и называется осмотическим давлением.

Растворы с одинаковым осмотическим давлением называются изотоническими.

Определить осмотическое давление раствора можно по формуле, полученной в 1886 году Я. Х. Вант-Гоффом:

π = CMв-ва · R · T, где
CMв-ва — молярная концентрация раствора, выраженная в , а не в , как обычно;
R — универсальная газовая постоянная;
T — термодинамическая температура системы.

См. также

• Осмос

Примечания

Литература

1. Ершов Ю.А. Общая химия.Биофизическая химия.Химия биогенных элементов. — Издание восьмое,стериотипное. — Москва: Высшая школа, 2010. — 559 с.

Эта страница в последний раз была отредактирована 21 декабря 2020 в 10:28.