Коллигативные свойства растворов

Привет, дорогой читатель! Давай немного вспомним физическую химию, и начнём мы с довольно интересной темы — коллигативных свойств растворов.

Называются эти свойства так, потому что они не зависят от «типа» атомов или молекул в растворе, а зависят только от их количества или концентрации.

Понижение давления пара над раствором

Если взять чистый растворитель, скажем, воду, то над ним устанавливается равновесие следующего процесса:

Однако если же мы имеем дело не с чистым растворителем, а с раствором чего-то в нём, то давление пара растворителя над таким раствором ниже, чем над чистым растворителем; величина изменения давления пара равна:

Где p0 — давление пара над чистым растворителем, i — изотонический коэффициент (о нём дальше), χ — мольная доля растворённого вещества. Это выражение называется законом Рауля.

Логично, что это так, ведь на поверхности раствора, ровно как и во всём его объёме, молекул растворителя меньше по сравнению с тем же объёмом чистого растворителя.

Осмотическое давление и осмос

Начнём с осмоса. Если мы имеем следующую конструкцию:

Здесь красным пунктиром обозначена полупроницаемая мембрана — то есть мембрана, проницаемая только для молекул растворителя. Явление осмоса — это и есть диффузия молекул только одного «сорта» (скажем, только растворителя) сквозь полупроницаемую мембрану.

Осмотическим давлением называется то давление, которое нужно приложить, чтобы обратить вспять процесс осмоса и вернуть и «держать» систему в изначальном состоянии.

Вычисляется оно по формуле, которую эмпирически вывел Вант-Гофф:

π = cRT

Здесь c — концентрация в [моль/м3], R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль/К, T — абсолютная температура [К].

Эта формула, если вглядеться, совпадает со всем известным законом Менделеева-Клапейрона, ведь концентрация c — это и есть n/V:

π = cRT => π = nRT/V => πV = nRT.

Но это мы отвлеклись.

Если вещество в растворе диссоциирует, то к этой формуле добавляется изотонический коэффициент i:

π = icRT

Изотонический коэффициент

А что это такое?

Предположим, у нас есть раствор хлорида магния, сделанный с расчетом 1 моль/л.

Но мы помним, что

MgCl2 → Mg(2+) + 2Cl(-)

Пусть степень диссоциации α равна, допустим, 70% (то есть 70% от всего числа молекул MgCl2 диссоциировало на ионы).

И пусть изначально у нас было 100 частиц, а значит, на ионы распалось 70 и осталось плавать 30 «молекул» MgCl2. Ионов тогда, получается 70 Mg(2+) и 140 Cl(-), думаю, понятно.

То есть было 100 частиц, заброшенных в раствор, а стало 70(Mg2+) + 140(Cl-) + 30(MgCl2) = 240 частиц.

И вот изотонический коэффициент равен i = 240/100 = 2,4.

То есть изотонический коэффициент показывает отношение количеств реальных частиц (эффективного количества) к предполагаемому, как будто бы они не диссоциировали и не подвергались другим изменениям в растворе.

Температуры замерзания и кипения. Следствия из закона Рауля

Явления изменения температуры замерзания (понижение) и температуры кипения (повышение) также являются одними из главных в коллигативных свойствах растворов. Именно они помогают нам «плавить» лёд с помощью простой соли!

Понижение температуры замерзания можно найти по следующей формуле:

Здесь i — все тот же изотонический коэффициент, К(к) — криоскопическая константа растворителя, m — моляльность раствора.

Криоскопическая же константа растворителя может быть найдена по такой формуле:

Тут T0 — температура замерзания чистого растворителя, M0 — его молярная масса, ∆H(зам) — энтальпия замерзания растворителя, ρ0 — его плотность.

А формула для расчёта повышения температуры кипения выглядит так:

Здесь К(э) — эбулиоскопическая константа растворителя, все остальное — как прежде. Эбулиоскопическую константу можно рассчитать по аналогичной криоскопической константе формуле.

То есть получается, что, растворяя некоторое количество вещества в растворителе, мы изменяем температуру кипения и кристаллизации растворителя. Именно через это изменение (ΔТ) мы и можем найти моляльность, а затем и молярную массу вещества.

Активность

Изучая растворы электролитов, мы приходим к тому, что и степень диссоциации (альфа) не даёт точного представления о том, сколько же реально ионов у нас находится в растворе.

Поэтому для определения точной концентрации (эффективной концентрации) ионов (вещества) вводится такое понятие, как активность, которая обозначается буквой a:

a = cγ

Здесь γ — это коэффициент активности для этого иона. И его можно вычислить!

Для начала найдём ионную силу раствора — интенсивность электрического поля в растворе, создаваемого ионами (буква I).

Здесь фигурируют: c(i) — молярная концентрация i-го иона в растворе, z(i) — его заряд. Всего ионов по формуле n.

А потом смотрим по ситуации.

Если ионная сила раствора меньше 0,01 моль/л, то коэффициент активности γ можно найти по формуле:

Если она между 0,01 и 0,1 М, то по этой:

А уж если больше 0,1 М, то вообще по такой:

Короче, жесть эти коллигативные свойства растворов. Но всё равно: любите химию — мать вашу!