Kolligative egenskaper

Damptrykket synker når løsemiddelets molfraksjon synker

For en ideal løsning med et ikke-flyktig løst stoff gir Raoults lov P_løsemiddel = x_løsemiddelP°_løsemiddel. Når x for løsemiddelet blir mindre enn 1, blir dets partialtrykk lavere enn for rent løsemiddel.

Mekanismen er termodynamisk: blanding senker løsemiddelets kjemiske potensial i væskefasen. Det er derfor utilstrekkelig å si at de løste partiklene bare «blokkerer overflaten». Overflatekollisjoner er ikke selve opprinnelsen til Raoults lov.

Kokepunkt og frysepunkt flyttes

Damptrykksenkningen gjør at en løsning må varmes til høyere temperatur før damptrykket når ytre trykk. Dermed øker kokepunktet. På samme måte forskyves likevekten mellom væske og fast løsemiddel slik at frysepunktet senkes.

For fortynnede løsninger brukes ΔT_b = iK_bm og ΔT_f = iK_fm. Konstantene Kb og Kf tilhører løsemiddelet, m er molaliteten og i korrigerer for hvor mange effektive partikler det løste stoffet gir.

Osmotisk trykk teller også partikler

For en ideell fortynnet løsning er π = iMRT. Osmotisk trykk er trykket som må påføres løsningssiden for å stoppe netto transport av løsemiddel gjennom en selektiv membran.

Likheten med idealgassloven skyldes den fortynnede partikkelentropien. Osmose er likevel ikke en gassprosess: membranen og forskjellen i løsemiddelets kjemiske potensial er avgjørende.

Elektrolytter krever van ’t Hoff-faktoren

Sukrose forblir omtrent som hele molekyler i vann og har derfor i nær 1. NaCl kan i den ideelle, svært fortynnede grensen gi omtrent to ioner per formelenhet, og CaCl₂ omtrent tre.

I virkelige elektrolyttløsninger er i ofte mindre enn det hele tallet fordi ioner vekselvirker og ikke oppfører seg som fullstendig uavhengige partikler. Avvikene øker vanligvis med konsentrasjonen.

Temperaturformlene bruker molalitet

Molalitet er stoffmengde løst stoff per kilogram løsemiddel. Masse endres ikke når temperaturen endres, mens volum og dermed molaritet gjør det.

Derfor er molalitet den naturlige konsentrasjonen i uttrykkene for kokepunktsøkning og frysepunktssenkning. Osmotisk trykk uttrykkes derimot praktisk med molaritet fordi π måles ved en bestemt temperatur og et bestemt løsningsvolum.

Bruk kolligative effekter som målinger

Molarmasse fra frysepunktssenkning

Mål ΔTf for en kjent masse ukjent ikke-elektrolytt i en kjent masse løsemiddel. Da gir m = ΔTf/Kf stoffmengden per kilogram løsemiddel, og stoffmengden kan kombineres med massen av det ukjente stoffet for å finne molarmassen.

Frostvæske og veisalt

Et oppløst stoff kan senke vannets frysepunkt. I motorers kjølevæske er både frysepunkt og kokepunkt viktige. På veier må man i tillegg ta hensyn til temperatur, løselighet, korrosjon og miljøeffekter; den enkle kolligative ligningen er bare første modell.

Osmose i biologiske systemer

Celler reagerer på forskjeller i effektiv partikkelkonsentrasjon over membranen. Hvilke stoffer membranen faktisk slipper gjennom, avgjør tonisiteten; derfor er «samme osmolaritet» ikke alltid det samme som «samme effekt på cellevolum».

Regneeksempel: frysepunkt

0,100 mol ikke-elektrolytt løses i 0,500 kg vann. Da er m = 0,200 mol kg⁻¹. Med Kf = 1,86 K kg mol⁻¹ blir ΔTf = 0,372 K. Løsningen fryser omtrent ved −0,372 °C i idealgrensen.

Destillasjon og flyktige komponenter

Når begge komponenter er flyktige, bidrar begge til damptrykket. Dampen er ofte rikere på den mest flyktige komponenten, og problemet er ikke lenger bare «et ikke-flyktig løst stoff senker P». Dette er grunnlaget for likevektsdestillasjon og krever mer enn én Raoult-term.

Assosiasjon kan gi i < 1

Hvis oppløste molekyler danner dimerer eller større aggregater, blir antallet uavhengige partikler mindre enn antallet innførte molekyler. Da kan den målte kolligative effekten bli svakere enn beregnet med i = 1.

Øvelser

1. Frysepunktssenkning

0,100 mol sukrose løses i 0,500 kg vann. Bruk Kf = 1,86 K kg mol⁻¹ og i = 1.

2. NaCl mot sukrose

Hvorfor gir samme molalitet NaCl vanligvis større frysepunktssenkning enn sukrose i den ideelle fortynnede modellen?

3. Hvilken konsentrasjon?

Skal ΔTb beregnes fra molaritet M eller molalitet m?