Kolligative egenskaber
Kolligative egenskaber har én fælles idé: i tilstrækkeligt fortyndede opløsninger ændrer antallet af solutpartikler opløsningsmidlets kemiske potentiale. Derfor kan damptryk, koge- og frysepunkt samt osmotisk tryk knyttes til partikelkoncentrationen.
Damptryksnedsættelse
For et ikke-flygtigt solut i en ideal opløsning giver Raoults lov Popløsningsmiddel = xopløsningsmiddelP°. Tilsat solut sænker opløsningsmidlets molbrøk og dermed damptrykket. Det er ikke en mekanisk “afdækning” af overfladen, men en ligevægtskonsekvens.
Kogepunktsforhøjelse og frysepunktsnedsættelse
For fortyndede opløsninger gælder ΔTb = iKbm og ΔTf = iKfm. K-konstanterne hører til opløsningsmidlet. Molalitet m er mol solut pr. kilogram opløsningsmiddel og undgår et volumen, der ændrer sig med temperaturen.
Osmotisk tryk
Den samme partikeltælling optræder i π = iMRT. Osmotisk tryk er en ligevægtsegenskab, ikke en strømningshastighed. I biologiske membraner betyder specifik permeabilitet for solutter også noget.
Elektrolytter, association og van ’t Hoff-faktor
Faktoren i repræsenterer det effektive antal partikler. Ideelt NaCl antyder i≈2 og CaCl₂ i≈3, men ioninteraktioner gør ofte de virkelige værdier mindre. Hvis molekyler associerer, kan i endda være mindre end 1. i er derfor ikke en fast egenskab ved kemisk formel uden for idealgrænsen.
Målinger og anvendelser
Molarmasse fra frysepunktsnedsættelse
Hvis en kendt masse af en ukendt ikke-elektrolyt opløses i en kendt masse opløsningsmiddel, giver ΔTf molaliteten. Herfra findes stofmængden og derefter molarmassen. Metoden virker bedst, når opløsningen er fortyndet, og soluttet ikke associerer, dissocierer eller reagerer.
Frostvæske er et termodynamisk kompromis
Ethylenglykol sænker vands frysepunkt og hæver kogepunktet, så et kølemiddels flydende arbejdsområde udvides. En virkelig formulering afhænger dog også af korrosionsinhibitorer, viskositet og varmeoverførsel. Mere og mere solut er ikke automatisk bedre, fordi afvigelser fra idealitet vokser.
Osmose og celler
Cellemembraner er selektivt permeable, så osmotiske gradienter kan ændre cellevolumen. En isotonisk opløsning har et effektivt osmotisk tryk omtrent som cellens indre; hypotone og hypertone medier driver vand i modsatte retninger. Biologiske membraner er dog ikke ideelle semipermeable membraner.
Gennemregnet eksempel: frysepunktsnedsættelse
Opløs 0,100 mol af en ikke-elektrolyt i 0,500 kg vand. Molaliteten er 0,200 mol kg⁻¹. Med Kf(vand)=1,86 K kg mol⁻¹ og i=1: ΔTf=1×1,86×0,200=0,372 K. Det forudsagte frysepunkt er cirka −0,372 °C.
Destillation og dampsammensætning
Raoults lov hjælper også med at forklare, hvorfor destillation kan skille flygtige væsker: komponenten med højere damptryk beriges i dampfasen. Når begge komponenter er flygtige, kræves en fuld damp-væske-ligevægtsbeskrivelse; de enkle ΔT-formler antager normalt et ikke-flygtigt solut.
Øvelser
Partikeltælling
Hvad sænker ideelt frysepunktet mest ved samme molalitet: glucose eller NaCl?
Løsning
NaCl, fordi en ideel 1:1-elektrolyt giver omtrent dobbelt så mange uafhængige partikler (i≈2) som glucose (i≈1).
Hvorfor molalitet?
Hvorfor bruger ΔT-formlerne molalitet og ikke molaritet?
Løsning
Fordi molalitet er baseret på opløsningsmidlets masse, som ikke ændres med temperaturen, mens opløsningens volumen og dermed molariteten kan ændres.
Association
Kan i være mindre end 1?
Løsning
Ja. Hvis solutmolekyler associerer (for eksempel dimeriserer), kan antallet af uafhængige partikler være mindre end antallet af tilsatte formelenheder.