Co to są właściwości koligatywne?

Niemiecki chemik Wilhelm Ostwald jako pierwszy wprowadził pojęcie właściwości koligatywnych w 1891 roku. Nazwa ta powstała z jego prac nad właściwościami substancji rozpuszczonych, w tym:

1. Właściwości koligatywne: zależą tylko od stężenia i temperatury substancji rozpuszczonej, a nie od rodzaju cząstek substancji rozpuszczonej.
2. Właściwości konstytutywne: to te, które zależą od struktury molekularnej cząstek substancji rozpuszczonej w roztworze.
3. Właściwości addytywne: które są sumą wszystkich właściwości cząstek i zależą od wzoru cząsteczkowego substancji rozpuszczonej. Na przykład masa.

Właściwości koligatywne nie są związane z rozmiarem ani żadną inną właściwością substancji rozpuszczonej, ale tylko z liczbą cząstek w substancji rozpuszczonej. Te właściwości są wynikiem działania cząstek substancji rozpuszczonej pod ciśnieniem par rozpuszczalnika.

Przykłady właściwości koligatywnych

Właściwości koligatywne to:

• Ciśnienie osmotyczne
• ebuliskopijna elewacja
• zejście krioskopowe
• Spadek prężności par rozpuszczalnika

ciśnienie osmotyczne

Ciśnienie osmotyczne jest związane z pojęciami dyfuzji i osmozy. Definiuje się ją jako skłonność do rozcieńczania roztworu oddzielonego od rozpuszczalnika półprzepuszczalną membraną. Substancja rozpuszczona wywiera ciśnienie osmotyczne w kontakcie z rozpuszczalnikiem, jeśli nie może przejść przez oddzielającą je membranę.

Można również powiedzieć, że ciśnienie osmotyczne roztworu jest równoważne ciśnieniu mechanicznemu potrzebnemu do zapobieżenia przedostawaniu się wody, gdy jest ona oddzielona od rozpuszczalnika półprzepuszczalną membraną.

Ciśnienie osmotyczne mierzy się za pomocą osmometru. Jest to pojemnik zamknięty od spodu półprzepuszczalną membraną. U góry posiada tłok. Jeśli roztwór zostanie wprowadzony do pojemnika, a następnie zanurzony w wodzie destylowanej, przechodzi on przez półprzepuszczalną membranę i wywiera ciśnienie, które jest w stanie podnieść tłok. W ten sposób, poddając tłok odpowiedniemu naciskowi mechanicznemu, można zapobiec przedostawaniu się wody do roztworu.

Ciśnienie osmotyczne jest jedną z najważniejszych właściwości koligatywnych, zwłaszcza na poziomie biologicznym, ponieważ jest obecne w funkcjonowaniu komórek i innych procesach zachodzących w organizmach istot żywych.

ebuliskopijna elewacja

Wysokość ebuloskopowa jest związana z temperaturą wrzenia cieczy. Temperatura wrzenia to taka, której prężność par jest równa ciśnieniu atmosferycznemu.

Jeśli prężność par spada, następuje wzrost temperatury wrzenia. Wzrost ten jest proporcjonalny do ułamka molowego substancji rozpuszczonej. Wzrost temperatury wrzenia (w skrócie DTe) jest proporcjonalny do stężenia molowego substancji rozpuszczonej. Wyraża się to następującym równaniem:

DTe = Kem

Stała ebuloskopowa (Ke) jest znana jako charakterystyka każdego rozpuszczalnika, niezależnie od rodzaju substancji rozpuszczonej. Dla wody wartość stałej wrzenia wynosi 0,52 ºC/mol/kg. Oznacza to, że molowy roztwór dowolnej substancji rozpuszczonej w wodzie wykazuje wzrost ebuloskopowy o 0,52ºC.

zejście krioskopowe

Zejście krioskopowe jest związane z temperaturą zamarzania cieczy. Temperatura zamarzania roztworów jest niższa niż temperatura zamarzania rozpuszczalnika. Dlatego zamarzanie występuje, gdy prężność pary cieczy jest równa prężności pary ciała stałego. Wyraża się to tak:

Dc = Kcm

Spadek krioskopowy nazywa się „ Tc” , a stężenie molowe substancji rozpuszczonej „ m” .

Stała krioskopowa rozpuszczalnika nazywana jest „Kc”. W przypadku wody wartość stałej krioskopowej wynosi 1,86 ºC/mol/kg. Oznacza to, że roztwory molowe (m=1) dowolnej substancji rozpuszczonej w wodzie zamarzają w temperaturze -1,86 ºC.

Spadek prężności par rozpuszczalnika

Prężność pary rozpuszczalnika spada, gdy dodaje się do niego nielotną substancję rozpuszczoną. Efekt ten występuje, ponieważ:

• Zmniejsza się liczba cząsteczek rozpuszczalnika na swobodnej powierzchni.
• Między cząsteczkami substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika pojawiają się siły przyciągania, co utrudnia ich przekształcenie w parę.

Innymi słowy, kiedy dodamy więcej substancji rozpuszczonej, obserwuje się niższą prężność pary. Dlatego spadek prężności pary rozpuszczalnika w roztworze jest proporcjonalny do ułamka molowego substancji rozpuszczonej.

Można to wyrazić za pomocą następującego wzoru:

ΔP= x _s P ₀

W tym przypadku xs _jest ułamkiem molowym substancji rozpuszczonej, a P0 _oznacza prężność pary rozpuszczalnika.

Jak działają właściwości koligatywne?

Działanie właściwości koligatywnych jest oczywiste, gdy substancja rozpuszczona jest dodawana do rozpuszczalnika w celu utworzenia roztworu. Tam rozpuszczone cząstki wypierają część rozpuszczalnika w stanie ciekłym, zmniejszając stężenie rozpuszczalnika na jednostkę objętości. W rozcieńczonym roztworze nie ma znaczenia, które to cząstki, ale ile ich jest. Na przykład, rozpuszczając chlorek wapnia (CaCL ₂) w sumie powstają trzy cząstki: jeden jon wapnia i dwa jony chlorkowe. Z drugiej strony, jeśli rozpuścimy sól kuchenną lub chlorek sodu (NaCl), otrzymamy dwie cząsteczki: jon sodu i jon chlorku. W tym przypadku chlorek wapnia miałby większy wpływ na właściwości koligatywne niż sól kuchenna. Dlatego chlorek wapnia jest skuteczniejszym środkiem przeciwoblodzeniowym w niższych temperaturach niż zwykła sól.

Chociaż właściwości koligatywne są ogólnie uważane za nielotne substancje rozpuszczone, efekt dotyczy również lotnych substancji rozpuszczonych, takich jak sól. Jeśli dodamy szczyptę soli do szklanki wody, woda zamarznie w niższej temperaturze niż normalnie, zagotuje się w wyższej temperaturze, będzie miała niższą prężność pary i zmieni swoje ciśnienie osmotyczne. 

Innym prostym przykładem jest dodanie alkoholu, lotnej cieczy, do wody. W ten sposób obniża się punkt zamarzania, który zwykle ma czysty alkohol lub woda, dlatego napoje alkoholowe zwykle nie zamarzają w domowych lodówkach.

Bibliografia

• García Bello, D. Wszystko jest kwestią chemii . (2016). Hiszpania. Paidos Iberica.
• Nguyen-Kim, MT Moje życie to chemia . (2020). Hiszpania. Redakcja Ariel.
• Masterton, WL; Hurley, CN Chemia: zasady i reakcje . (2003, wydanie 4). Hiszpania. czarno-biały