4.3. Общие свойства растворов

Давление насыщенного пара над раствором

Переход молекул веществ из жидкости в пар называется испарением. Переход молекул вещества из парообразного состояния в жидкость называется конденсацией.

Испарение продолжается до тех пор, пока существует жидкость. Однако, если жидкость находится в замкнутом сосуде, то достигается равновесие, когда скорость испарения растворителя равна скорости конденсации пара.

Давление, которое оказывает пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют давлением насыщенного параэтой жидкости. Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и температуры и не зависит от количества жидкости.

Поверхность раствора, в отличие от поверхности чистого растворителя, частично занята молекулами растворённого вещества. Поэтому число молекул растворителя, испаряющихся в единицу времени с единицы поверхности раствора меньше, чем с единицы поверхности растворителя. Следовательно, при одной и той же температуре давление насыщенного пара над раствором всегда будет ниже давления насыщенного пара над растворителем.

Количественно эта зависимость выражается первым законом Ф. Рауля: «В идеальных растворах при постоянной температуре величина относительного понижения давления пара растворителя над раствором равна мольной доле растворенного вещества».

(Р₀ – Р) / Р₀ = N_B ,

где Р₀- давление пара чистого растворителя,

Р - давление насыщенного пара растворителя над раствором,

N_{B -} мольная доля растворенного вещества.

Температура кипения и температура

замерзания (кристаллизации) раствора

Температура кипения жидкости - это температура, при которой давление насыщенного пара этой жидкости становится равным внешнему давлению.

Над твёрдыми телами также есть пар, который характеризуется давлением насыщенного пара твердых веществ. Температура замерзания (кристаллизации) жидкости – это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно давлению насыщенного пара кристаллов.

Так как согласно закону Ф. Рауля давление насыщенного пара над раствором нелетучего вещества ниже давления пара над чистым растворителем, то раствор необходимо нагреть до более высокой температуры, чтобы достичь внешнего давления. Следовательно, при одном и том же внешнем давлении температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя, а температура замерзания раствора ниже температуры замерзания чистого растворителя.

Количественно эта зависимость установлена вторым законом Ф. Рауля: "Повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания идеального раствора прямо пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества".

 Т_кип = Е · Сm , Т_зам = К · Сm или

∆Т_кип=, тогдаМ=,

где 1000 – коэффициент пересчёта килограммов в граммы,

К – криоскопическая константа растворителя (для водных растворов К(Н₂О)=1,86^◦);

Е – эбулиоскопическая константа растворителя (для водных растворов Е(Н₂О)=0,52^◦);

Сm- моляльная концентрация;

m_в- масса растворенного вещества;

М- молярная масса растворенного вещества.

Например: определить температуру замерзания 40% масс. водного растворителя глицерина (С₃Н₈О₃).

100 г раствора состоит из 40 г глицерина и 60 г воды. Таким образом, на 1000 г воды (растворителя) содержится 666 г глицерина. Молекулярная масса С₃Н₈О₃равна 92. Моляльная концентрация раствора 666/92 = 7,24 моля/кг

∆Т_зам.= 1,86•7,24 = 13,5⁰

Т_{замраствора}= Т_{зам.растворитеря}- ∆Т_зам= 0- 13,5=-13,5

Температура замерзания 40 % водного раствора глицерина равна – 13,5⁰С.

Осмос. Осмотическое давление

Осмос – это односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану.

Врезультате перехода растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану раствор разбавляется, увеличивается высота столба жидкостиh(рис.5). Количественно процесс осмоса характеризуетсяосмотическим давлением, которое равно давлению столба раствора высотойh. Для расчета осмотического давления используется уравнение Вант - Гоффа, к

H₂O

р-р

оторое выражает зависимость осмотического давления от концентрации растворенного вещества и температуры:

Росм. =См ∙R∙Т, кПа.

Рис.5. Схема осмометра:

1 – вода;

2 – раствор;

3 – полупроницаемая мембрана

Если концентрацию растворённого вещества выразить как молярную

С = n/V (число молей растворённого вещества в единице объёма), тогда

Росм ∙V = n∙R∙T или

P_осм = m∙R∙T/M∙V,

R=8,314 Дж/моль∙К (универсальная газовая постоянная).

Это уравнение совпадает с уравнением идеального газа, уравнением Менделеева-Клайперона. Поэтому Вант - Гофф пришёл к выводу, что осмотическое давление равно тому давлению, которое оказывало бы растворённое вещество, если бы оно, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, занимало тот же объём, что и раствор.