Kolligativa egenskaper

Kolligativa egenskaper delar en gemensam idé: i tillräckligt utspädda lösningar ändrar antalet solutpartiklar lösningsmedlets kemiska potential. Därför kan ångtryck, kok- och fryspunkt samt osmotiskt tryck kopplas till partikelkoncentrationen.

Sänkning av ångtrycket

För ett icke-flyktigt solut i en ideal lösning ger Raoults lag Plösningsmedel = xlösningsmedelP°. Tillsatt solut sänker lösningsmedlets molbråk och därmed ångtrycket. Det är inte en mekanisk “täckning” av ytan utan en jämviktskonsekvens.

P°xP°Kolligativa egenskaper
Sänkning av ångtrycket. För ett icke-flyktigt solut i en ideal lösning ger Raoults lag Plösningsmedel = xlösningsmedelP°. Tillsatt solut sänker lösningsmedlets molbråk och därmed ångtrycket. Det är inte en mekanisk “täckning” av ytan utan en jämviktskonsekvens.

Kokpunktshöjning och fryspunktssänkning

För utspädda lösningar gäller ΔTb = iKbm och ΔTf = iKfm. K-konstanterna hör till lösningsmedlet. Molalitet m är mol solut per kilogram lösningsmedel och undviker en volym som ändras med temperaturen.

ΔTb = iKbmΔTf = iKfm
Kokpunktshöjning och fryspunktssänkning. För utspädda lösningar gäller ΔTb = iKbm och ΔTf = iKfm. K-konstanterna hör till lösningsmedlet. Molalitet m är mol solut per kilogram lösningsmedel och undviker en volym som ändras med temperaturen.

Osmotiskt tryck

Samma partikelräkning förekommer i π = iMRT. Osmotiskt tryck är en jämviktsegenskap, inte en flödeshastighet. I biologiska membran spelar även specifik permeabilitet för lösta ämnen roll.

Elektrolyter, association och van ’t Hoff-faktor

Faktorn i representerar det effektiva antalet partiklar. Idealt NaCl antyder i≈2 och CaCl₂ i≈3, men joninteraktioner gör ofta de verkliga värdena mindre. Om molekyler associerar kan i till och med vara mindre än 1. i är därför inte en fast egenskap hos formeln utanför idealgränsen.

Mätningar och tillämpningar

Molmassa från fryspunktssänkning

Om en känd massa av en okänd icke-elektrolyt löses i en känd massa lösningsmedel ger ΔTf molaliteten. Därifrån fås substansmängden och därefter molmassan. Metoden fungerar bäst när lösningen är utspädd och solutet inte associerar, dissocierar eller reagerar.

Frostskydd är en termodynamisk kompromiss

Etylenglykol sänker vattnets fryspunkt och höjer kokpunkten, vilket breddar ett kylmedels flytande arbetsområde. En verklig formulering beror dock också på korrosionsinhibitorer, viskositet och värmeöverföring. Att tillsätta allt mer solut är inte automatiskt bättre eftersom avvikelser från idealitet ökar.

Osmos och celler

Cellmembran är selektivt permeabla, så osmotiska gradienter kan ändra cellvolymen. En isoton lösning har ett effektivt osmotiskt tryck ungefär som cellens inre; hypotona och hypertona medier driver vatten i motsatta riktningar. Biologiska membran är dock inte idealiska semipermeabla membran.

Genomräknat exempel: fryspunktssänkning

Lös 0,100 mol av en icke-elektrolyt i 0,500 kg vatten. Molaliteten är 0,200 mol kg⁻¹. Med Kf(vatten)=1,86 K kg mol⁻¹ och i=1: ΔTf=1×1,86×0,200=0,372 K. Den förutsagda fryspunkten är cirka −0,372 °C.

Destillation och ångsammansättning

Raoults lag hjälper också till att förklara varför destillation kan separera flyktiga vätskor: komponenten med högre ångtryck anrikas i ångfasen. När båda komponenterna är flyktiga krävs en full ånga-vätska-jämviktsbeskrivning; de enkla ΔT-formlerna antar vanligtvis ett icke-flyktigt solut.

Övningar

Partikelräkning

Vad sänker idealiskt fryspunkten mest vid samma molalitet: glukos eller NaCl?

Lösning

NaCl, eftersom en ideal 1:1-elektrolyt ger ungefär dubbelt så många oberoende partiklar (i≈2) som glukos (i≈1).

Varför molalitet?

Varför använder ΔT-formlerna molalitet och inte molaritet?

Lösning

Eftersom molalitet baseras på lösningsmedlets massa, som inte ändras med temperaturen, medan lösningens volym och därmed molariteten kan ändras.

Association

Kan i vara mindre än 1?

Lösning

Ja. Om solutmolekyler associerar (till exempel dimeriserar), kan antalet oberoende partiklar vara mindre än antalet tillsatta formelenheter.