Koliqativ xassələr: həll olmuş hissəciklər həlledicini necə dəyişir

Hissəciklərin sayılması: molyallıq və mol payı

Koliqativ xassə həll olan maddə hissəciklərinin həlledici hissəciklərinə nisbətindən asılıdır. Eyni kütlədə suda həll edilmiş bir mol saxaroza molekulu və bir mol karbamid molekulu, molyar kütlələri təxminən altı dəfə fərqlənsə də, suyun donma temperaturunu eyni qədər aşağı salır.

Buna görə burada istifadə olunan qatılıq vahidləri hissəcikləri sayır. Mol payı, x, bir komponentin mollarının ümumi mollara bölünməsidir. Molyallıq, m, bir kiloqram həlledicidəki həll olan maddənin mollarıdır. Molyarlıq əvəzinə molyallıqdan istifadə olunur, çünki o, kütlələrə əsaslanır və məhlul temperaturla genişlənib-sıxıldıqda dəyişmir. Durulaşdırılmış sulu məhlullarda molyallıq və molyarlıq ədədi olaraq yaxındır, lakin eyni kəmiyyət deyil.

Aşağıdakı tənliklər uçucu olmayan həll olan maddəli ideal durulaşdırılmış məhlul fərz edir, yəni həll olan maddə məhlulun üzərindəki buxara demək olar ki, heç bir töhfə vermir.

Raul qanunu və buxar təzyiqinin azalması

Raul qanununa görə məhlulun üzərində həlledicinin buxar təzyiqi onun mol payı ilə təmiz həlledicinin buxar təzyiqinin hasilinə bərabərdir: P_solution = x_solvent × P°_solvent. Mol paylarının cəmi 1 olduğundan buxar təzyiqinin azalması ΔP = x_solute × P°_solvent-dir.

Həll olunmuş nümunə 1. 250.0 g suda 100.0 g saxarozanın, C₁₂H₂₂O₁₁, məhlulunun 25 °C-də buxar təzyiqini tapın. Təmiz suyun 25 °C-də buxar təzyiqi 23.8 torr-dur (OpenStax Cədvəl 9.2). İKYTB-nin (IUPAC) standart atom kütlələrindən istifadə etsək, M(saxaroza) = 342.30 g/mol və M(H₂O) = 18.015 g/mol, buna görə n(saxaroza) = 0.2921 mol və n(H₂O) = 13.88 mol. x(H₂O) = 13.88 ÷ (13.88 + 0.2921) = 0.9794. P = 0.9794 × 23.8 torr = 23.3 torr.

Azalma, x(saxaroza) × P° = 0.02062 × 23.8 torr = 0.491 torr, məhlul kütləcə təxminən 29 faiz şəkər olsa da, kiçikdir. Saxaroza molekulları ağırdır, buna görə onların 100 g-ı belə mövcud molekulların yalnız kiçik hissəsini təşkil edir.

Qaynama temperaturunun yüksəlməsi və donma temperaturunun azalması

Buxar təzyiqinin azalması o deməkdir ki, məhlulun buxar təzyiqi xarici təzyiqə çatmazdan əvvəl onu daha çox qızdırmaq lazımdır, buna görə qaynama temperaturu yüksəlir. Həll olan maddə həmçinin bərk həlledicinin əmələ gəlməsinə mane olur, buna görə donma temperaturu aşağı düşür. Durulaşdırılmış məhlullarda hər iki sürüşmə molyallıqla mütənasibdir: ΔTb = Kb × m və ΔTf = Kf × m.

Sabitlər həll olan maddəyə deyil, həllediciyə aiddir. OpenStax Cədvəl 11.2 su üçün Kb = 0.512 °C·kg/mol və Kf = 1.86 °C·kg/mol, benzol üçün isə Kb = 2.53 və Kf = 5.12 °C·kg/mol verir. Suyun Kf-i Kb-sindən üç dəfədən çox böyükdür, buna görə verilmiş həll olan maddə suyun donma temperaturunu qaynama temperaturundan xeyli çox dəyişir.

Həll olunmuş nümunə 2. Soyuducu maye 250. g etilenqlikolun, C₂H₆O₂ (62.07 g/mol), 1.000 kg suda həll edilməsi ilə hazırlanır. n = 250. g ÷ 62.07 g/mol = 4.028 mol, buna görə m = 4.028 mol/kg. ΔTf = 1.86 × 4.028 = 7.49 °C, deməli ideal donma temperaturu −7.49 °C-dir. ΔTb = 0.512 × 4.028 = 2.06 °C, deməli ideal qaynama temperaturu 102.1 °C-dir. Bu qatılıqda məhlul artıq çox durulaşdırılmış deyil, buna görə bu qiymətlərə ölçülmüş qiymətlər kimi deyil, təxmin kimi baxın.

Elektrolitlər və Vant-Hoff əmsalı

İon xarakterli həll olan maddə hər düstur vahidindən birdən çox hissəcik verir. Vant-Hoff əmsalı, i, həll edilmiş hər mol maddəyə düşən məhluldakı hissəciklərin mollarının sayıdır və o, hər koliqativ tənliyə vuruq kimi daxil olur: ΔTf = i × Kf × m. İdeal qiymət düsturdakı ionların sayıdır: NaCl üçün 2, CaCl₂ üçün 3, qlükoza kimi qeyri-elektrolit üçün isə 1.

Ölçülmüş qiymətlər daha kiçikdir, çünki əks yüklü ionlar bir-birini cəzb edir və bəziləri bir hissəcik kimi davranan ion cütləri əmələ gətirir. OpenStax Cədvəl 11.3 0.050 m məhlullar üçün ölçülmüş əmsalları verir: NaCl üçün 1.9, MgCl₂ üçün 2.7, MgSO₄ üçün 1.3 və FeCl₃ üçün 3.4; ideal qiymətlər isə uyğun olaraq 2, 3, 2 və 4-dür. Durulaşdırılmış məhlullarda fərq adətən qatılıq və ion yükləri artdıqca böyüyür.

Həll olunmuş nümunə 3. 500.0 g suda həll edilmiş 15.0 g CaCl₂-nin (110.98 g/mol) donma temperaturunu qiymətləndirin. n = 0.1352 mol və m = 0.1352 mol ÷ 0.5000 kg = 0.2703 mol/kg. İdeal i = 3 ilə ΔTf = 3 × 1.86 × 0.2703 = 1.51 °C, bu da −1.51 °C verir. Real azalma daha kiçikdir. Oxşar duz olan MgCl₂ üçün 0.050 m-də ölçülmüş əmsal olan 2.7-dən istifadə etsəniz, təxmin 1.36 °C olur. Bu qiymət də yalnız təqribidir, çünki bu məhlul beş dəfədən çox qatıdır.

Molyar kütlənin donma temperaturundan tapılması

Həll olan maddənin və həlledicinin kütləsini bilsəniz və ΔTf-i ölçsəniz, geriyə doğru hesablayaraq molyar kütləni tapa bilərsiniz. Donma temperaturu üsulu qaynama temperaturu üsulundan üstün tutulur, çünki geniş yayılmış həlledicilər üçün Kf Kb-dən böyükdür, həmçinin qaynama temperaturu həmin günün atmosfer təzyiqindən də asılı olaraq sürüşür.

Həll olunmuş nümunə 4. 1.50 g naməlum uçucu olmayan qeyri-elektrolitin 25.0 g benzolda həll edilməsi donma temperaturunu 1.62 °C aşağı salır. Molyallıq: m = ΔTf ÷ Kf = 1.62 ÷ 5.12 = 0.3164 mol/kg. Həll olan maddənin molları: 0.3164 mol/kg × 0.0250 kg = 7.910 × 10⁻³ mol. Molyar kütlə: 1.50 g ÷ 7.910 × 10⁻³ mol = 190 g/mol, üç əhəmiyyətli rəqəmlə.

Benzol bu təcrübə üçün yaxşı həlledicidir, çünki onun Kf-i suyunkundan təxminən üç dəfə böyükdür, buna görə eyni miqdar həll olan maddə daha böyük və asan ölçülən dəyişiklik verir. Üsul həll olan maddənin nə dissosiasiya, nə də assosiasiya etmədiyini fərz edir. Məsələn, karbon turşuları benzolda hidrogen rabitəli cütlər əmələ gətirir və həqiqi qiymətin təxminən iki qatına yaxın görünən molyar kütlə verir.

Osmotik təzyiq və çox böyük molekullar

Yarımkeçirici membran məhlulu təmiz həlledicidən ayırdıqda həlledici məhlula axır. Bu axını dayandırmaq üçün məhlula tətbiq edilməli olan təzyiq osmotik təzyiqdir: Π = i × M × R × T, burada M molyarlıq, R = 0.08206 L·atm/(mol·K), T isə kelvinlədir.

Həll olunmuş nümunə 5. Venadaxili fizioloji məhlul təxminən 0.155 mol/L NaCl-dir. Bədən temperaturunda, 37.0 °C və ya 310.15 K-də, ideal osmotik təzyiq Π = 2 × 0.155 × 0.08206 × 310.15 = 7.89 atm-dir. i = 2 götürmək onu bir qədər şişirdir, çünki real əmsal 2-dən bir az kiçikdir. Venaya yeridilən məhlulların həll olan maddə qatılığının qanınkına uyğun olmalı olmasının səbəbi bu qədər böyük təzyiqdir.

Həll olunmuş nümunə 6. 50.0 mL suda 0.250 g zülal məhlulunun 25.0 °C-də osmotik təzyiqi 4.20 torr-dur. Π = 4.20 ÷ 760 = 5.526 × 10⁻³ atm. M = Π ÷ (R × T) = 5.526 × 10⁻³ ÷ (0.08206 × 298.15) = 2.259 × 10⁻⁴ mol/L, buna görə 0.0500 L-də n = 1.129 × 10⁻⁵ mol, molyar kütlə isə 0.250 g ÷ 1.129 × 10⁻⁵ mol = 2.21 × 10⁴ g/mol-dur. Eyni məhlul təmiz sudan yalnız təxminən 4 × 10⁻⁴ °C aşağıda donardı ki, bunu yaxşı ölçmək üçün bu, çox kiçikdir. Polimerlər və zülallar üçün donma temperaturundan deyil, osmotik təzyiqdən istifadə olunmasının səbəbi budur.

Koliqativ hesablamaları pozan səhvlər

Sürətli yoxlama səhvlərin çoxunu tutur: məhlul həmişə təmiz həlledicidən yüksək temperaturda qaynamalı və aşağı temperaturda donmalıdır, durulaşdırılmış sulu məhlullarda sürüşmələr isə adətən ən çoxu bir neçə dərəcədir.

• ΔT = K × m düsturunda molyarlıqdan istifadə etmək. Bu tənliklər litr məhlul deyil, kiloqram həlledici əsasında hesablanan molyallıq tələb edir.
• Həlledicinin kütləsi əvəzinə məhlulun kütləsinə bölmək.
• İon xarakterli həll olan maddə üçün Vant-Hoff əmsalını buraxmaq və ya onu saxaroza və etilenqlikol kimi molekulyar həll olan maddə üçün tətbiq etmək.
• ΔTf-i donma temperaturu kimi göstərmək. Onu təmiz həlledicinin donma temperaturundan çıxın.
• Π = iMRT düsturunda Selsi temperaturundan istifadə etmək. Əvvəlcə kelvinə çevirin.
• Kf və ya Kb-ni səhv həlledicidən götürmək. Onlar həlledicinin xassələridir.