Samochodowy środek przeciw zamarzaniu, dializa nerek i używanie soli kamiennej do robienia lodów nie wydają się mieć ze sobą nic wspólnego. Ale oni wszyscy polegają na koligatywne właściwości roztworów. Te właściwości są właściwościami fizycznymi roztworów, które zależą tylko od stosunku liczby cząstek substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika (np. soli w wodzie) w roztworze, a nie na tożsamości rozpuszczony.
Komórki ludzkiego ciała, komórki roślinne i roztwory, takie jak płyn przeciw zamarzaniu i lody, zależą od właściwości koligatywnych.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Za długo; Nie czytano (TL; DR)
Istnieją cztery właściwości koligatywne: ciśnienie pary, temperatura wrzenia, temperatura zamarzania i ciśnienie osmotyczne. Te właściwości fizyczne roztworów zależą tylko od stosunku liczby cząstek substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika w roztworze, a nie od tego, czym jest substancja rozpuszczona.
Obniżenie ciśnienia pary poprzez dodanie substancji rozpuszczonej
Rozpuszczalnik (taki jak woda) ma prężność pary oznaczoną przez p1. To jest równe jedna atmosfera ciśnienia.
W równowaga, faza gazowa (taka jak para wodna) nad rozpuszczalnikiem ma ciśnienie cząstkowe równe p1. Dodanie substancji rozpuszczonej (takiej jak sól kuchenna, NaCl) zmniejsza ciśnienie cząstkowe rozpuszczalnika w fazie gazowej. Spadek prężności pary spowodowany jest zastąpieniem cząsteczek rozpuszczalnika na powierzchni roztworu przez cząsteczki substancji rozpuszczonej. Cząsteczki rozpuszczalnika „wypierają” parowanie. Ponieważ na powierzchni znajduje się mniej cząsteczek rozpuszczalnika, ciśnienie pary spada.
Wysokość temperatury wrzenia w mieszaninie
Doprowadzenie rozpuszczalnika do wrzenia zasadniczo odparowuje rozpuszczalnik. Wysokość punktu wrzenia, lub podwyższenie temperatury, w której rozpuszczalnik wrze, następuje z podobnego powodu jak obniżenie ciśnienia pary. Zwiększona ilość substancji rozpuszczonej na powierzchni hamuje parowanie rozpuszczalnika, więc osiągnięcie temperatury wrzenia wymaga większego nakładu energii.
Zakłada to, że substancja rozpuszczona jest nielotna, to znaczy ma niską prężność pary w temperaturze pokojowej. Lotna substancja rozpuszczona o niższej temperaturze wrzenia niż rozpuszczalnik może w rzeczywistości obniżać temperaturę wrzenia. Benzen jest przykładem lotnego związku organicznego (LZO).
Obniżenie punktu zamarzania w mieszaninie
Temperatura zamarzania roztworu będzie niższa niż czystego rozpuszczalnika. Punkt zamarzania to temperatura, w której ciecz staje się stała przy 1 atmosferze. Depresja punktu zamarzania oznacza obniżenie temperatury zamrażania. Oznacza to, że płyn musi być zimniejszy, aby można było zamarznąć. Powodem, dla którego tak się dzieje, jest to, że obecność substancji rozpuszczonej wprowadza więcej nieporządku do systemu, niż było to obecne tylko w cząsteczkach rozpuszczalnika. Dlatego mieszanina musi być zimniejsza, aby przezwyciężyć skutki bardziej nieuporządkowanego systemu.
Praktyczne zastosowanie tej koligatywnej właściwości to: samochodowy płyn niezamarzający. Temperatura zamarzania 50/50 roztworu glikolu etylenowego (CH2(OH) CH2(OH)) to -33 stopnie Celsjusza (-27,4 stopnie Fahrenheita), w porównaniu z 0 stopni Celsjusza (32 stopnie Fahrenheita). Do chłodnicy samochodowej dodawany jest płyn niezamarzający, dzięki czemu samochód musi być wystawiony na znacznie niższe temperatury zanim zamarznie woda w układzie samochodu.
Wzrost ciśnienia osmotycznego dla roztworów
Osmoza występuje, gdy cząsteczki rozpuszczalnika przechodzą przez półprzepuszczalną błonę. Jedna strona membrany może zawierać rozpuszczalnik, a druga strona membrany może zawierać substancję rozpuszczoną. Ruch rozpuszczalnika następuje z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu lub od wyższego potencjału chemicznego do niższego potencjału chemicznego, aż do osiągnięcia równowagi. Ten przepływ występuje w sposób naturalny, więc należy przyłożyć trochę ciśnienia po stronie substancji rozpuszczonej, aby zatrzymać przepływ.
ciśnienie osmotyczne to ciśnienie, które zatrzyma ten przepływ. W przypadku roztworów ciśnienie osmotyczne generalnie wzrasta. Im więcej jest cząsteczek substancji rozpuszczonej, tym bardziej skompresowane są cząsteczki rozpuszczalnika. Obecność cząsteczek substancji rozpuszczonej po jednej stronie membrany oznacza, że mniej cząsteczek rozpuszczalnika może przejść na stronę roztworu. Ciśnienie osmotyczne jest bezpośrednio związane ze stężeniem substancji rozpuszczonej: większa ilość substancji rozpuszczonej przekłada się na wyższe ciśnienie osmotyczne.
Właściwości koligatywne i molalność
Wszystkie właściwości koligatywne zależą od molalności (m) roztworu. Molalność definiuje się jako mole substancji rozpuszczonej/kg rozpuszczalnika. Więcej lub mniej substancji rozpuszczonej, która jest obecna w stosunku do rozpuszczalnika, wpłynie na obliczenia czterech właściwości koligatywnych przedstawionych powyżej.