Frostschutzmittel für Autos, Nierendialyse und die Verwendung von Steinsalz zur Herstellung von Eiscreme scheinen nichts gemeinsam zu haben. Aber sie alle hängen von der kolligative Eigenschaften von Lösungen. Diese Eigenschaften sind die physikalischen Eigenschaften von Lösungen, die nur vom Verhältnis der Zahl von Partikeln von gelösten Stoffen und Lösungsmitteln (z. B. Salz in Wasser) in Lösung und nicht von der Identität der gelöst.
Die Zellen des menschlichen Körpers, Pflanzenzellen und Lösungen wie Frostschutzmittel und Eiscreme sind auf kolligative Eigenschaften angewiesen.
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Es gibt vier kolligative Eigenschaften: Dampfdruck, Siedepunkt, Gefrierpunkt und osmotischer Druck. Diese physikalischen Eigenschaften von Lösungen hängen nur vom Verhältnis der Teilchenzahl des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels in der Lösung ab und nicht davon, was der gelöste Stoff ist.
Verringern des Dampfdrucks durch Hinzufügen eines gelösten Stoffes
Ein Lösungsmittel (wie Wasser) hat einen Dampfdruck, der mit p1 bezeichnet wird. Dies ist gleich eine Atmosphäre Druck.
Beim Gleichgewicht, hat die Gasphase (z. B. Wasserdampf) über dem Lösungsmittel einen Partialdruck gleich p1. Die Zugabe eines gelösten Stoffes (wie Kochsalz, NaCl) verringert den Partialdruck des Lösungsmittels in der Gasphase. Die Abnahme des Dampfdrucks wird dadurch verursacht, dass die Lösungsmittelmoleküle auf der Oberfläche der Lösung durch gelöste Moleküle ersetzt werden. Die Lösungsmittelmoleküle „verdrängen“ die Verdampfung. Da sich weniger Lösungsmittelmoleküle auf der Oberfläche befinden, sinkt der Dampfdruck.
Siedepunktserhöhung in einer Mischung
Wenn ein Lösungsmittel zum Sieden gebracht wird, verdampft das Lösungsmittel im Wesentlichen. Siedepunkterhöhung, oder die Erhöhung der Temperatur, bei der das Lösungsmittel siedet, tritt aus einem ähnlichen Grund auf wie die Dampfdruckerniedrigung. Die erhöhte Menge des gelösten Stoffes auf der Oberfläche hemmt die Verdampfung des Lösungsmittels, so dass mehr Energie zum Erreichen des Siedepunkts benötigt wird.
Dies setzt voraus, dass der gelöste Stoff nicht flüchtig ist, das heißt, er hat bei Raumtemperatur einen niedrigen Dampfdruck. Ein flüchtiger gelöster Stoff mit einem niedrigeren Siedepunkt als das Lösungsmittel kann tatsächlich den Siedepunkt erniedrigen. Benzol ist ein Beispiel für eine flüchtige organische Verbindung (VOC).
Gefrierpunktserniedrigung in einer Mischung
Der Gefrierpunkt einer Lösung ist niedriger als der des reinen Lösungsmittels. Gefrierpunkt ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit bei 1 Atmosphäre fest wird. Gefrierpunkterniedrigung bedeutet, dass die Gefriertemperatur sinkt. Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit kälter sein muss, um ein Gefrieren zu erreichen. Der Grund dafür ist, dass die Anwesenheit eines gelösten Stoffes mehr Unordnung in das System einführt, als dies nur bei den Lösungsmittelmolekülen der Fall war. Daher muss die Mischung kälter sein, um die Auswirkungen des stärker ungeordneten Systems zu überwinden.
Eine praktische Anwendung dieser kolligativen Eigenschaft ist Autofrostschutz. Der Gefrierpunkt einer 50/50-Lösung von Ethylenglykol (CH2(OH)CH2(OH)) beträgt -33 Grad Celsius (-27,4 Grad Fahrenheit), verglichen mit 0 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit). Frostschutzmittel wird dem Kühler eines Autos zugesetzt, sodass das Auto viel niedrigeren Temperaturen ausgesetzt werden muss, bevor das Wasser im System des Autos gefriert.
Osmotische Druckerhöhungen für Lösungen
Osmose tritt auf, wenn sich Lösungsmittelmoleküle durch eine semipermeable Membran bewegen. Eine Seite der Membran könnte Lösungsmittel enthalten und die andere Seite der Membran würde gelösten Stoff enthalten. Die Bewegung des Lösungsmittels erfolgt von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration oder von einem höheren chemischen Potential zu einem niedrigeren chemischen Potential, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Dieser Fluss tritt auf natürliche Weise auf, daher muss auf der Seite des gelösten Stoffes ein gewisser Druck ausgeübt werden, um den Fluss zu stoppen.
Das osmotischer Druck ist der Druck, der diesen Fluss stoppen würde. Der osmotische Druck steigt im Allgemeinen für Lösungen an. Je mehr gelöste Moleküle vorhanden sind, desto mehr werden die Lösungsmittelmoleküle zusammengepresst. Das Vorhandensein von gelösten Molekülen auf einer Seite der Membran bedeutet, dass weniger Lösungsmittelmoleküle in die Lösungsseite gelangen können. Der osmotische Druck steht in direktem Zusammenhang mit der Konzentration des gelösten Stoffes: Mehr gelöster Stoff führt zu einem höheren osmotischen Druck.
Kolligative Eigenschaften und Molalität
Kolligative Eigenschaften hängen alle von der Molalität (m) einer Lösung ab. Die Molalität ist definiert als Mol gelöster Stoff/kg Lösungsmittel. Je mehr oder weniger eines gelösten Stoffes im Verhältnis zum Lösungsmittel vorhanden ist, beeinflusst die Berechnungen der vier oben skizzierten kolligativen Eigenschaften.