Colligatieve eigenschappen
Colligatieve eigenschappen delen één idee: in voldoende verdunde oplossingen verandert het aantal opgeloste deeltjes de chemische potentiaal van het oplosmiddel. Daardoor kunnen dampdruk, kook- en vriespunt en osmotische druk aan deeltjesconcentratie worden gekoppeld.
Dampdrukverlaging
Voor een niet-vluchtige opgeloste stof in een ideale oplossing geeft de wet van Raoult Poplosmiddel = xoplosmiddelP°. Toevoegen van solut verlaagt de molaire fractie van het oplosmiddel en dus zijn dampdruk. Het is geen mechanische “afdekking” van het oppervlak, maar een evenwichtsgevolg.
Kookpuntsverhoging en vriespuntsverlaging
Voor verdunde oplossingen geldt ΔTb = iKbm en ΔTf = iKfm. De constanten K horen bij het oplosmiddel. Molaliteit m is mol solut per kilogram oplosmiddel en vermijdt een temperatuurafhankelijk volume.
Osmotische druk
Dezelfde deeltjesboekhouding verschijnt in π = iMRT. Osmotische druk is een evenwichtseigenschap, geen stroomsnelheid. In biologische membranen is ook de specifieke permeabiliteit van opgeloste stoffen belangrijk.
Elektrolyten, associatie en van ’t Hoff-factor
De factor i vertegenwoordigt het effectieve aantal deeltjes. Ideaal NaCl suggereert i≈2 en CaCl₂ i≈3, maar ioninteracties maken werkelijke waarden vaak kleiner. Als moleculen associëren, kan i zelfs kleiner dan 1 zijn. i is dus buiten de ideale limiet geen vaste eigenschap van de formule.
Metingen en toepassingen
Molaire massa uit vriespuntsverlaging
Als een bekende massa van een onbekende niet-elektrolyt in een bekende massa oplosmiddel wordt opgelost, geeft ΔTf de molaliteit. Daaruit volgen de mol solut en vervolgens de molaire massa. De methode werkt het best als de oplossing verdund blijft en de stof niet associeert, dissocieert of reageert.
Antivries is een thermodynamisch compromis
Ethyleenglycol verlaagt het vriespunt en verhoogt het kookpunt van water, waardoor het vloeibare werkgebied van koelmiddel groter wordt. Een echte formulering hangt echter ook af van corrosieremmers, viscositeit en warmteoverdracht. Steeds meer solut toevoegen is niet automatisch beter omdat niet-idealiteit toeneemt.
Osmose en cellen
Celmembranen zijn selectief permeabel, zodat osmotische gradiënten het celvolume kunnen veranderen. Een isotone oplossing heeft een effectieve osmotische druk vergelijkbaar met die in de cel; hypotone en hypertone media sturen water in tegengestelde richtingen. Biologische membranen zijn echter geen ideale semipermeabele membranen.
Uitgewerkt voorbeeld: vriespuntsverlaging
Los 0,100 mol van een niet-elektrolyt op in 0,500 kg water. De molaliteit is 0,200 mol kg⁻¹. Met Kf(water)=1,86 K kg mol⁻¹ en i=1: ΔTf=1×1,86×0,200=0,372 K. Het voorspelde vriespunt is ongeveer −0,372 °C.
Destillatie en dampsamenstelling
De wet van Raoult helpt ook verklaren waarom destillatie vluchtige vloeistoffen kan scheiden: de component met de hogere dampdruk is verrijkt in de dampfase. Als beide componenten vluchtig zijn, is een volledige damp-vloeistofbeschrijving nodig; de eenvoudige ΔT-formules nemen meestal een niet-vluchtige solut aan.
Oefeningen
Deeltjes tellen
Wat verlaagt bij dezelfde molaliteit idealiter het vriespunt sterker: glucose of NaCl?
Oplossing
NaCl, omdat een ideale 1:1-elektrolyt ongeveer tweemaal zoveel onafhankelijke deeltjes levert (i≈2) als glucose (i≈1).
Waarom molaliteit?
Waarom gebruiken de ΔT-formules molaliteit en niet molariteit?
Oplossing
Omdat molaliteit is gebaseerd op de massa van het oplosmiddel, die niet met temperatuur verandert, terwijl oplossingsvolume en dus molariteit wel kunnen veranderen.
Associatie
Kan i kleiner dan 1 zijn?
Oplossing
Ja. Als opgeloste moleculen associëren (bijvoorbeeld dimeriseren), kan het aantal onafhankelijke deeltjes kleiner zijn dan het aantal toegevoegde formule-eenheden.