依数性
在足够稀、接近理想的溶液中,几类性质主要取决于溶解后有多少粒子,而不是这些粒子的化学身份。共同根源是加入溶质后溶剂的化学势降低。
蒸气压降低与 Raoult 定律
P1 = x1P°1
不挥发溶质降低溶剂逸出到气相的趋势。理想溶液可用 P₁=x₁P₁° 表示;因为溶剂摩尔分数小于 1,溶液蒸气压低于纯溶剂。若不同分子间作用力显著偏离理想混合,真实溶液可出现正或负偏差。
沸点升高与凝固点降低
ΔTb = iKbm · ΔTf = iKfm
蒸气压降低意味着必须升到更高温度,蒸气压才能等于外界压力,所以沸点升高;同时液态溶液在更低温度才与固态溶剂平衡,所以凝固点降低。ΔT_b=iK_bm 与 ΔT_f=iK_fm 中,m 是每千克溶剂的溶质物质的量,i 表示有效粒子数。
渗透压
π = iMRT
稀溶液的渗透压近似满足 π=iMRT。它是在半透膜两侧恰好停止溶剂净流动所需的压力差。由于低浓度下仍可获得可测压力,渗透压常用于估算大分子的摩尔质量;反渗透则施加更高外压实现脱盐。
电解质与 van ’t Hoff 因子
NaCl 理想解离成两个离子,常以 i≈2 作第一近似;CaCl₂ 理想上接近 3。真实 i 往往较小,因为离子相互作用使它们不能完全看作独立粒子。蔗糖等不解离也不缔合的非电解质通常 i≈1。
温度变化公式使用质量摩尔浓度
凝固点和沸点公式使用质量摩尔浓度而不是体积摩尔浓度,因为溶剂质量几乎不随温度改变,而溶液体积会热胀冷缩。这个优势并不能取消稀溶液假设;浓溶液仍需要以活度代替裸浓度。
把依数效应用作测量工具
由凝固点降低求摩尔质量
已知未知非电解质的质量、溶剂质量和 ΔT_f,可以先求 m,再求溶质的物质的量,最后用质量除以物质的量得到摩尔质量。方法要求溶质不明显解离、缔合或与溶剂反应。
防冻液是热力学折中
乙二醇既降低水的凝固点又提高沸点,从而扩大冷却液的液态工作区间。但真实防冻液还要考虑黏度、传热与腐蚀抑制剂;加得越多并不总是越好。
渗透与细胞
细胞膜具有选择透过性,渗透梯度可改变细胞体积。生物体系中必须同时考虑哪些离子或分子能在相关时间内透过膜,因此简单 π=iMRT 只是第一近似。
计算例:凝固点降低
将 0.100 mol 非电解质溶于 0.500 kg 水,m=0.200 mol kg⁻¹。取 K_f(水)=1.86 K kg mol⁻¹、i=1,得到 ΔT_f=0.372 K,预测凝固点约为 −0.372 °C。若相同式量浓度来自理想完全解离的 1:1 电解质,降低量约翻倍。
蒸馏与蒸气组成
Raoult 定律也解释挥发性液体的蒸馏:蒸气中高蒸气压组分所占比例通常高于液相,反复汽化与冷凝可逐步富集更易挥发的组分。若两组分都挥发,就必须使用完整的汽液平衡,而不能只套非挥发溶质的依数公式。
缔合溶质可使 i 小于 1
i 不一定大于 1。若溶质发生二聚等缔合,独立移动的粒子数反而少于加入的化学式单位数,有效 i 可以小于 1。
练习
粒子数
在相同质量摩尔浓度下,葡萄糖与 NaCl 哪个理想情况下使凝固点降低更多?
解答
NaCl,因为一个化学式单位理想解离为约两个粒子。
质量摩尔浓度
为什么 ΔT_f 计算偏好质量摩尔浓度而不是体积摩尔浓度?
解答
因为它使用溶剂质量,基本不随温度改变。
渗透
什么是渗透压?
解答
通过半透膜恰好阻止溶剂净流动所需的外加压力。