Kolligatiiviset ominaisuudet

Liuottimen höyrynpaine pienenee mooliosuuden pienentyessä

Ideaaliliuokselle, jossa liuennut aine ei haihdu, Raoultin laki antaa P_liuotin = x_liuotinP°_liuotin. Kun liuottimen mooliosuus on alle yksi, sen osapaine on pienempi kuin puhtaalla liuottimella.

Syy on termodynaaminen: sekoittuminen alentaa liuottimen kemiallista potentiaalia nesteessä. Pelkkä ajatus siitä, että liuenneet hiukkaset ”peittävät pintaa”, ei selitä lakia eikä ole yleinen mekanismi.

Kiehumispiste nousee ja jäätymispiste laskee

Alempi höyrynpaine merkitsee, että liuosta on lämmitettävä korkeammalle ennen kuin höyrynpaine saavuttaa ulkoisen paineen. Siksi kiehumispiste nousee. Nesteen ja kiinteän liuottimen tasapaino puolestaan siirtyy niin, että jäätymispiste alenee.

Laimeille liuoksille ΔT_b = iK_bm ja ΔT_f = iK_fm. Kb ja Kf ovat liuotinkohtaisia vakioita, m molaalisuus ja i efektiivisten hiukkasten määrää korjaava tekijä.

Osmoottinen painekin laskee hiukkasia

Ideaaliselle laimealle liuokselle π = iMRT. Osmoottinen paine on paine, joka liuospuolelle on lisättävä, jotta liuottimen nettovirtaus selektiivisen kalvon läpi pysähtyy.

Yhtälön samankaltaisuus ideaalikaasulain kanssa liittyy laimean liuenneen aineen sekoittumisentropiaan, mutta osmoosi ei ole kaasuprosessi: kalvon selektiivisyys ja liuottimen kemiallinen potentiaali ovat olennaisia.

Elektrolyytit tarvitsevat van ’t Hoffin tekijän

Sakkaroosi säilyy vedessä lähes kokonaisina molekyyleinä ja i on lähellä yhtä. NaCl voi hyvin laimeassa ideaalirajassa tuottaa noin kaksi ionia ja CaCl₂ noin kolme hiukkasta kaavayksikköä kohti.

Todellisissa elektrolyyttiliuoksissa i jää usein kokonaislukua pienemmäksi ionien vuorovaikutusten vuoksi. Poikkeama kasvaa tavallisesti pitoisuuden kasvaessa.

Lämpötilamuutosten kaavoissa käytetään molaalisuutta

Molaalisuus on liuenneen aineen ainemäärä kilogrammaa liuotinta kohti. Massa ei muutu lämpötilan mukana, mutta tilavuus ja siten molaarisuus muuttuvat.

Siksi ΔTb- ja ΔTf-yhtälöissä käytetään molaalisuutta. Osmoottinen paine kirjoitetaan käytännöllisesti molaarisuudella, koska π mitataan tietyssä lämpötilassa ja tilavuudessa.

Kolligatiivisia ilmiöitä voidaan käyttää mittauksiin

Moolimassa jäätymispisteestä

Tunnetun massan tuntematonta ei-elektrolyyttiä liuotetaan tunnettuun liuotinmassaan. Mitattu ΔTf antaa molaalisuuden m = ΔTf/Kf, siitä saadaan ainemäärä ja massan avulla moolimassa.

Jäähdytysneste ja tiesuola

Liuennut aine voi alentaa veden jäätymispistettä. Moottorin jäähdytysnesteessä myös kiehumispisteen nousu on hyödyllinen. Tiesuolan todellinen toiminta riippuu lisäksi lämpötilasta, liukoisuudesta, korroosiosta ja ympäristöstä.

Osmoosi biologisissa järjestelmissä

Solun tilavuus riippuu tehokkaasta hiukkaserosta kalvon yli ja siitä, mitkä aineet pääsevät kalvon läpi. Siksi sama osmolarisuus ei automaattisesti tarkoita samaa tonisuutta.

Laskuesimerkki: jäätymispiste

0,100 mol ei-elektrolyyttiä 0,500 kg:ssa vettä antaa m = 0,200 mol kg⁻¹. Kun Kf = 1,86 K kg mol⁻¹, ΔTf = 0,372 K.

Tislaus ja haihtuvat komponentit

Jos molemmat komponentit haihtuvat, kumpikin vaikuttaa kokonaispaineeseen. Höyry rikastuu usein haihtuvammasta komponentista, joten tarvitaan molempien komponenttien Raoult-termit eikä yksinkertaista ei-haihtuvan aineen mallia.

Assosiaatio voi tehdä i:stä alle yhden

Jos liuenneet molekyylit muodostavat dimeerejä tai suurempia ryhmiä, itsenäisten hiukkasten määrä pienenee. Mitattu kolligatiivinen vaikutus voi tällöin olla pienempi kuin i = 1 ennustaa.

Harjoitukset

1. Jäätymispisteen alenema

0,100 mol sakkaroosia liuotetaan 0,500 kg:aan vettä. Kf = 1,86 K kg mol⁻¹ ja i = 1.

2. NaCl ja sakkaroosi

Miksi sama molaalisuus NaCl:ää antaa ideaalirajassa suuremman aleneman?

3. M vai m?

Käytetäänkö kiehumispisteen nousussa molaarisuutta M vai molaalisuutta m?