Изменение температур кипения и замерзания растворов

Понижение давления пара над растворами приводит к тому, что они кипят и замерзают при температурах, отличающихся от соответствующих температур для чистых растворителей. Известно, что жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара становится равным внешнему давлению, а кристаллизация жидкости начинается в тот момент, когда давление ее насыщенных паров становится равным давлению над твердой фазой, в которую она переходит. Поэтому растворы кипят при более высоких температурах (t_{К р-ля}), а замерзают при более низких температурах (t_{З р-ля}), чем чистые растворители (t_{З р-ля}).

Второй закон Рауля

Повышение температуры кипения раствора (t_К) и понижение температуры замерзания раствора (t_З) по сравнению с чистым растворителем пропорциональны моляльной концентрации растворенного вещества.

Δt_К = t_{К р-ра} = t_{К р-ля} = Е ∙ С_м;

Δt_З = t_{К р-ра} = t_{З р-ля} = Е ∙ С_м.

Коэффициент пропорциональности Е называется эбулиоскопической постоянной растворителя. Она равна Δt_К для одномоляльного раствора любого неэлектролита в данном растворителе, то есть зависит от природы растворителя и не зависит от природы растворенного вещества.

Коэффициент пропорциональности К называется криоскопической постоянной растворителя. Она равна Δt_З для одномоляльного раствора любого неэлектролита в данном растворителе, то есть связана с природой растворителя и не зависит от природы растворенного вещества.

Таблица 1.

Значения К и Е для различных растворителей

Законы Рауля можно использовать для определения молекулярных масс (М_р-го) растворенных веществ:

Δt_К = Е ∙ С_м = Е ∙

отсюда

Мр-го =

и аналогично по понижению температуры замерзания

М =

Осмос

Осмосом называют диффузию растворителя через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель или два раствора различной концентрации.

Осмотическое давление (Р_осм.) – это давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным о него полупроницаемой перегородкой.

Теоретическое выражение для осмотического давления получил Вант-Гофф, рассматривавший поведение частиц вещества в растворе аналогично поведению молекул газа, занимающего одинаковый с раствором объем.

Закон Вант-Гоффа

Осмотическое давление разбавленного раствора численно равно тому давлению, которое производило бы данное количество растворенного вещества, занимая в виде газа при данной температуре объем, равный объему раствора.

Р_осм = С_м ∙ R ∙ Т.

Осмотическое давление прямо пропорционально молярной концентрации раствора и температуре.

Закон Вант-Гоффа позволяет вычислить осмотическое давление раствора, если известны его концентрации и температура. Основанием для расчетов могут служить следующие рассуждения.

Если 1 моль газа заключить в сосуд емкостью 22,4 л, то при 0^оС давление окажется равным 1 атм. То же количество газа, помещенное в сосуд емкостью 1 л, окажет при той же температуре давление в 22,4 раза больше, то есть 22,4 атм. Переходя к осмотическому давлению, рассуждаем таким же образом. Если 1 моль растворенного вещества находится в22,4 л раствора, то осмотическое давление такого раствора при 0^оС равно 1 атм. То же количество растворенного вещества, находясь в 1 л раствора, создает осмотическое давление 1 л одномолярного раствора неэлектролита при 0^оС составляет 22,4 атм.

Пример.

Вычислить осмотическое давление при 22^оС раствора, в 1,2 л которого содержится 20,5 г сахара.

Решение: Воспользуемся формулой расчета осмотического давления

Пример.

Чему равно осмотическое давление раствора, содержащего 15,8 г пиридина С₅Н₅N (M = 79) в 100 мл раствора при 0^оС?

Решение: концентрация данного раствора составляет моль, следовательно, осмотическое давление при 0^оС будет равно 22,4 ∙ 2 = 44,8 атм.

Пример.

Для понижения температуры замерзания воды, используемой для охлаждения двигателей автомашин (антифриз), в воду добавляют неэлектролит.

Сколько молей неэлектролита на 1000 г воды нужно взять, чтобы понизить температуру замерзания антифриза на 5^оС? Какое количество для этого нужно взять глицерина С₃Н₃О₈ (М = 92)? Этилового спирта С₂Н₆О (М = 46)?

Решение: Введение 1 моль неэлектролита понижает температуру замерзания водного раствора на 1,86^оС. Для понижения температуры замерзания на 5^оС нужно моль неэлектролита, что составит 2,687 ∙ 92 = 247,2 г глицерина или 2,687 ∙ 46 = 123,6 г этилового спирта.

Пример.

При какой температуре будет кипеть раствор, содержащий 18,6 г анилина С₆Н₆?

Решение: t_{К р-ра} = t_{К р-ля} + Δt_К

Δt_К = С_м ∙ Е С_м =

Следовательно,

T_{К р-ра} = t_{К р-ля} + ^оС.