Коллигативные свойства относительно понижения давления пара

bystudin | 12 мая, 2023 | Химия

Коллигативные свойства можно определить как свойства растворов, которые полностью определяются соотношением количества частиц растворенного вещества и количества молекул растворителя в конкретном растворе и полностью не зависят от природы присутствующих химических соединений. Числовое соотношение можно рассчитать, используя различные единицы, определяющие концентрацию растворов. Общее предположение состоит в том, что в случае идеального раствора свойства не зависят от природы присутствующих в нем растворенных частиц и являются в некоторой степени приблизительными для разбавленных реальных растворов. Другими словами, коллигативные свойства можно рассматривать как набор свойств решения, к которому можно разумно приблизиться, если мы будем следовать предположению, что решение является идеальным.

Здесь мы рассмотрели только те свойства, которые возникают в результате растворения нелетучего растворенного вещества в летучем жидком растворителе. По существу свойства растворителя изменяются из-за присутствия растворенного вещества. Частицы растворенного вещества фактически вытесняют некоторые молекулы растворителя в жидкой фазе и, таким образом, приводят к снижению концентрации растворителя. Таким образом, мы можем сделать вывод, что коллигативные свойства не зависят от природы растворенного вещества. Слово коллигатив произошло от латинского слова colligates, что означает связанный вместе.

Коллигативные свойства решения включают:

Относительное снижение давления пара
Повышение температуры кипения
Понижение точки замерзания
Осмотическое давление

Для определенного массового соотношения растворенного вещества и растворителя все коллигативные свойства должны быть обратно пропорциональны молярной массе растворенного вещества.

Относительные молярные массы могут быть определены путем измерения коллигативных свойств разбавленного раствора неионизированного растворенного вещества. Такие растворы включают мочевину или глюкозу в воде или другом растворителе. Это применимо как для небольших молекул, так и для полимеров. В качестве альтернативы процент диссоциации можно оценить путем измерения ионизированных растворенных веществ.

Коллигативные свойства в основном применимы для разбавленных растворов, поскольку их поведение часто может быть приблизительным. Это потому, что они идеальные решения.

Этот блок будет сосредоточен в основном на относительном понижении давления пара.

Относительное снижение давления пара

При растворении нелетучего растворенного вещества в чистом растворителе давление пара чистого растворителя постепенно снижается.

Предположим, что p — давление пара растворителя, а p _s — давление пара раствора, тогда снижение давления пара можно записать как (p — p _s ). Это снижение давления пара относительно давления пара чистого растворителя называется относительным понижением давления пара. Таким образом,

После обширных экспериментов Рауль (1886) дал эмпирическое соотношение для установления связи между относительным понижением давления пара и концентрацией растворенного вещества в растворе. Теперь это называется законом Раулта. Согласно этому закону относительное снижение давления пара разбавленного раствора равно мольной доле растворенного вещества, присутствующего в разбавленном растворе.

Математически закон Рауля можно выразить в форме:

где n = количество молей или молекул растворенного вещества

Вывод закона Рауля

Давление пара чистого растворителя является результатом количества молекул, испаряющихся с его поверхности. Когда нелетучее растворенное вещество растворяется в растворе, из-за присутствия молекул растворенного вещества на поверхности часть поверхности блокируется, и здесь не может происходить испарение.

Путем снижения давления пара нелетучим растворенным веществом частицы растворенного вещества препятствуют выходу молекул растворителя с поверхности раствора. В конечном итоге это приводит к снижению давления пара. Следовательно, давление пара раствора зависит от количества молекул растворителя, обнаруживаемых в любой момент на поверхности, которое снова пропорционально мольной доле. То есть,

где N = моль растворителя и n = моль растворенного вещества.

Или мы можем записать это в виде

k — коэффициент пропорциональности.

В случае чистого растворителя n = 0 и, следовательно, молярная доля растворителя

Идеальные решения и отклонения от закона Рауля

Решение, которое строго следует закону Рауля, называется идеальным решением. Решение, которое показывает даже небольшие отклонения от закона Рауля, называется неидеальным или Реальным решением. Предположим, что молекулы растворителя и растворенного вещества представлены буквами A и B соответственно. Пусть теперь γ _AB — представление силы притяжения, действующей между A и B, а γ _{AA —} между A и A. Если

раствор будет иметь такое же давление пара, как предсказывает закон Рауля, и это идеальное решение. Однако если

молекула А ускользнет сравнительно с меньшей легкостью, и тогда давление пара будет меньше, чем у предсказанного, которое рассчитывается согласно закону Рауля (такое отклонение называется отрицательным отклонением). С другой стороны, если

Молекуле удастся покинуть поверхность раствора быстрее, и тогда давление пара раствора станет выше, чем предсказывается законом Рауля (такое отклонение называется положительным отклонением). Если мы рассмотрим очень разбавленные растворы неэлектролитов, молекулы растворителя и растворенного вещества очень похожи, будь то с точки зрения размера молекулы или его молекулярного притяжения. Таким образом, в таких ситуациях данные решения имеют тенденцию приближаться к идеальному поведению и более или менее точно подчиняться закону Рауля.

Определение молекулярной массы по понижению давления пара

Молекулярная масса нелетучего растворенного вещества может быть рассчитана из измерения снижения давления пара (p — p _s ), вызванного растворением его известной массы в известной массе растворителя. Считается, что w граммов растворенного вещества растворено в W граммах растворителя, и пусть m и M — молекулярные массы растворенного вещества и растворителя соответственно, мы имеем:

Подставляя эти значения в закон Рауля Уравнение

Учитывая чрезвычайно разбавленный раствор, количество молей (молекул) растворенного вещества (в / м) очень и очень мало, поэтому им можно пренебречь в знаменателе. Тогда уравнение (1) можно записать как

При известном экспериментальном значении p — p _s / p и молекулярной массе растворителя (M) молекулярная масса растворенного вещества (m) может быть рассчитана по приведенным выше уравнениям.

Измерение снижения давления пара

Барометрический метод:

Индивидуальное давление пара жидкости было рассчитано Раулем, а затем тот же процесс был применен для расчета давления пара раствора. Он налил жидкость или раствор в торричеллический вакуум трубки барометра и вычислил понижение уровня ртути . Позже было обнаружено, что этот метод не является ни практичным, ни точным, так как снижение давления пара практически незначительно.

Манометрический метод:

Давление паров жидкости или раствора можно точно измерить с помощью манометра. Предположим, что колба заряжена жидкостью или раствором. Затем воздух из соединительной трубки прибора удаляется с помощью вакуумного насоса. При закрытом кране давление внутри возникает только за счет испарения пара из раствора или жидкости. Этот метод применим к водным растворам. Используемая манометрическая жидкость может быть ртутью или н-бутилфталатом, который имеет низкую плотность и низкую летучесть.

Динамический метод Оствальда и Уокера (метод газонасыщения):

В этом методе относительное понижение давления пара можно легко вычислить. Процедура. Аппарат, используемый Оствальдом и Уокером, состоит из двух наборов лампочек: (a) Набор A содержит раствор (b) Набор B содержит растворитель. Вес каждого комплекта рассчитывается отдельно. Затем медленный поток сухого воздуха удаляется всасывающим насосом через два набора луковиц. В конце операции снова измеряется вес этих наборов. По потере веса в каждом из двух наборов измеряется снижение давления пара. Но здесь температура воздуха, раствора и растворителя должна быть постоянной на всем протяжении. Когда пузырьки воздуха через набор A достигают насыщения до давления пара p _sраствора, а затем до давления пара растворителя p в наборе B, количество растворителя, поглощаемого в наборе A, становится пропорциональным p _s, а количество, поглощаемое в наборе B, становится пропорциональным (p — p _s ).

Метод Оствальда-Уокера для измерения относительного понижения давления пара

Зная потерю массы в наборе B (w ₂ ) и чистую потерю массы в двух наборах (w ₁ + w ₂ ), мы можем найти относительное снижение давления пара. Если мы используем воду в качестве растворителя, набор трубок с хлоридом кальция (или набор ламп, содержащих концентрированную H ₂ SO ₄ ) присоединяется к концу устройства для улавливания выходящего водяного пара. Следовательно, прирост массы трубок с CaCl ₂ будет равен (w ₁ + w ₂ ), что означает полную потерю массы в наборах A и B.