Як це працює
Коли речовина розчиняється в розчиннику, вона знижує хімічний потенціал розчинника в рідкій фазі, що зсуває обидві фазові межі: точка замерзання знижується, а точка кипіння підвищується. Обидва зсуви пропорційні моляльності розчинених частинок (а не природі речовини) і фактору Вант-Гоффа i, який враховує, скільки частинок утворює кожна формульна одиниця при розчиненні.
Ліва панель показує температурну шкалу, що позначає точку замерзання Tf0 і точку кипіння Tb0 чистого розчинника поряд зі зсунутими значеннями розчину Tf0 − ΔTf та Tb0 + ΔTb. Права панель анімує те, що відбувається на рівні частинок при охолодженні розчину: молекули розчинника кристалізуються в упорядковану тверду фазу, щойно температура досягає (можливо, зниженої) точки замерзання, тоді як розчинена речовина виштовхується з утвореної твердої фази і накопичується в частині, що залишається рідкою — реальний ефект, що зветься виморожуванням, і який ще більше знижує локальну точку замерзання решти рідини, через що замерзання само себе обмежує, якщо не продовжувати охолодження.
ΔTb = i·Kb·m (підвищення точки кипіння)
Нова Tf = Tf0 − ΔTf Нова Tb = Tb0 + ΔTb
Вода: Kf = 1.86 °C·кг/моль, Kb = 0.512 °C·кг/моль, Tf0 = 0°C, Tb0 = 100°C
Бензол: Kf = 5.12 °C·кг/моль, Kb = 2.53 °C·кг/моль, Tf0 = 5.5°C, Tb0 = 80.1°C
Часті запитання
Що таке колігативні властивості, і чому вони залежать лише від кількості розчинених частинок?
Колігативні властивості (зниження точки замерзання, підвищення точки кипіння, зниження тиску пари та осмотичний тиск) виникають тому, що розчинені частинки знижують хімічний потенціал (та ентропію змішування) розчинника, незалежно від того, чим саме є розчинена речовина. Має значення лише кількість розчинених частинок на кілограм розчинника, а не їхня природа, розмір чи заряд.
Що означають формули ΔTf = i·Kf·m та ΔTb = i·Kb·m?
ΔTf — наскільки знижується точка замерзання, а ΔTb — наскільки підвищується точка кипіння. m — моляльність, i — фактор Вант-Гоффа, а Kf/Kb — кріоскопічна та ебуліоскопічна константи, специфічні для розчинника коефіцієнти пропорційності, що перетворюють моляльність у зсув температури.
Чому важливий фактор Вант-Гоффа i?
i показує, скільки частинок фактично утворює одна формульна одиниця розчиненої речовини в розчині. Глюкоза не дисоціює (i = 1). NaCl розпадається на Na⁺ та Cl⁻ (i = 2). CaCl₂ розпадається на один Ca²⁺ та два Cl⁻ (i = 3). Вищий i дає пропорційно більший колігативний ефект на моль розчиненої речовини.
Що таке виморожування, і чому це важливо?
Коли розчин охолоджується і чистий розчинник кристалізується в лід, розчинена речовина здебільшого виштовхується з твердої фази. Рідина, що залишається, зменшується, але зберігає майже всю розчинену речовину, тож її концентрація зростає — ще більше знижуючи локальну точку замерзання. Саме тому морський лід переважно прісний, а розсіл, що залишається, стає солонішим.
Чому дорожня сіль розтоплює лід і сніг?
Сіль розчиняється в тонкому шарі рідкої води на льоду, і оскільки NaCl має i = 2, вона сильно знижує локальну точку замерзання нижче температури повітря, тому лід тане.
Як антифриз/охолоджувальна рідина захищає двигун автомобіля?
Антифриз на основі етиленгліколю знижує точку замерзання охолоджувальної рідини, щоб вона не перетворилася на лід у мороз, і підвищує точку кипіння, щоб вона не закипіла в спеку — обидва ефекти з однієї розчиненої речовини.
Як зниження точки замерзання дозволяє виміряти молярну масу невідомої речовини?
Розчинивши відому масу невідомої речовини у відомій масі розчинника та виміривши ΔTf, можна обчислити моляльність m, потім кількість молів розчиненої речовини і її молярну масу — класична методика, що зветься кріоскопією.
Чому сіль використовують у традиційному приготуванні морозива?
Обкладання льодяної бані сіллю знижує точку замерзання розсолу далеко нижче 0°C, тож розсіл залишається рідким і достатньо холодним, щоб швидко відводити тепло від вершкової суміші та заморозити її.
Як це пов'язано з осмотичним тиском?
Осмотичний тиск підпорядковується аналогічному рівнянню Вант-Гоффа Π = iMRT, використовуючи ту саму логіку підрахунку частинок і той самий фактор i, що масштабує ΔTf та ΔTb.