Antivries voor auto's, nierdialyse en het gebruik van steenzout om ijs te maken, lijken niets gemeen te hebben. Maar ze zijn allemaal afhankelijk van de colligatieve eigenschappen van oplossingen. Deze eigenschappen zijn de fysieke eigenschappen van oplossingen die alleen afhankelijk zijn van de verhouding van het aantal van deeltjes opgeloste stof en oplosmiddel (bijv. zout in water) in oplossing en niet op de identiteit van de opgeloste stof.
De cellen van het menselijk lichaam, plantencellen en oplossingen zoals antivries en ijs zijn afhankelijk van colligatieve eigenschappen.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Te lang; Niet gelezen (TL; DR)
Er zijn vier colligatieve eigenschappen: dampdruk, kookpunt, vriespunt en osmotische druk. Deze fysische eigenschappen van oplossingen hangen alleen af van de verhouding van het aantal deeltjes opgeloste stof en oplosmiddel in oplossing en niet van wat de opgeloste stof is.
De dampdruk verlagen door een opgeloste stof toe te voegen
Een oplosmiddel (zoals water) heeft een dampdruk die wordt aangeduid met p1. Dit is gelijk aan één atmosfeer druk.
Bij evenwicht, de gasfase (zoals waterdamp) boven het oplosmiddel heeft een partiële druk gelijk aan p1. Het toevoegen van een opgeloste stof (zoals keukenzout, NaCl), verlaagt de partiële druk van het oplosmiddel in de gasfase. De afname van de dampdruk wordt veroorzaakt doordat de oplosmiddelmoleculen op het oppervlak van de oplossing worden vervangen door opgeloste moleculen. De oplosmiddelmoleculen "verdringen" verdamping. Doordat er minder oplosmiddelmoleculen aan het oppervlak zijn, neemt de dampdruk af.
Kookpuntverhoging in een mengsel
Door een oplosmiddel aan de kook te brengen, verdampt het oplosmiddel in wezen. Kookpunt verhoging, of het verhogen van de temperatuur waarbij het oplosmiddel kookt, vindt plaats om een vergelijkbare reden als dampdrukverlaging. De verhoogde hoeveelheid opgeloste stof op het oppervlak remt de verdamping van het oplosmiddel, dus er is meer energie nodig om het kookpunt te bereiken.
Dit veronderstelt dat de opgeloste stof niet-vluchtig is, dat wil zeggen dat het een lage dampdruk heeft bij kamertemperatuur. Een vluchtige opgeloste stof met een lager kookpunt dan het oplosmiddel kan het kookpunt zelfs verlagen. Benzeen is een voorbeeld van een vluchtige organische stof (VOS).
Vriespuntdepressie in een mengsel
Het vriespunt van een oplossing zal lager zijn dan dat van het zuivere oplosmiddel. Vriespunt is de temperatuur waarbij een vloeistof vast wordt bij 1 atmosfeer. Vriespunt depressie betekent dat de vriestemperatuur daalt. Dit betekent dat de vloeistof kouder moet zijn om bevriezing te bereiken. De reden dat dit gebeurt, is omdat de aanwezigheid van een opgeloste stof meer wanorde in het systeem veroorzaakt dan aanwezig was met alleen de oplosmiddelmoleculen. Daarom moet het mengsel kouder zijn om de effecten van het meer ongeordende systeem te overwinnen.
Een praktische toepassing van deze colligatieve eigenschap is: auto-antivries. Het vriespunt van een 50/50 oplossing van ethyleenglycol (CH2(OH)CH2(OH)) is -33 graden Celsius (-27,4 graden Fahrenheit), vergeleken met 0 graden Celsius (32 graden Fahrenheit). Antivries wordt toegevoegd aan de radiator van een auto, zodat de auto moet worden blootgesteld aan veel lagere temperaturen voordat het water in het systeem van de auto bevriest.
Osmotische drukverhogingen voor oplossingen
Osmose treedt op wanneer oplosmiddelmoleculen door een semipermeabel membraan bewegen. De ene kant van het membraan zou oplosmiddel kunnen bevatten en de andere kant van het membraan zou opgeloste stof bevatten. Verplaatsing van oplosmiddel vindt plaats van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie, of van een hoger chemisch potentieel naar een lager chemisch potentieel totdat een evenwicht is bereikt. Deze stroom komt van nature voor, dus er moet wat druk worden uitgeoefend aan de kant van de opgeloste stof om de stroom te stoppen.
De osmotische druk is de druk die die stroom zou stoppen. Osmotische druk neemt in het algemeen toe voor oplossingen. Hoe meer opgeloste moleculen er zijn, hoe meer de oplosmiddelmoleculen tegen elkaar worden gedrukt. De aanwezigheid van opgeloste moleculen aan één kant van het membraan betekent dat er minder oplosmiddelmoleculen naar de oplossingskant kunnen gaan. De osmotische druk is direct gerelateerd aan de concentratie van opgeloste stof: meer opgeloste stof vertaalt zich in een hogere osmotische druk.
Colligatieve eigenschappen en molaliteit
Colligatieve eigenschappen zijn allemaal afhankelijk van de molaliteit (m) van een oplossing. Molaliteit wordt gedefinieerd als mol opgeloste stof/kg oplosmiddel. Het meer of minder van een opgeloste stof die in verhouding tot het oplosmiddel aanwezig is, zal de berekeningen van de vier hierboven geschetste colligatieve eigenschappen beïnvloeden.