Температуры кипения и кристаллизации растворов

Понижение давления насыщенного пара раствора влияет на температуры кристаллизации и кипения. На рисунке представлены температурные зависимости давления насыщенного пара над чистым растворителем (кривая АОВ) и растворителя над раствором (кривая АО^/В^/). Растворенное вещество нелетучее и не образует твердых растворов с растворителем, т.е. в газовую и твердую фазы переходит только чистый растворитель.

Участок АО кривой АОB отражает температурную зависимость давления насыщенного пара над твердым растворителем, участок OB ‑ температурную зависимость давления насыщенного пара над жидким растворителем. Участок О^/B^/ характеризует температурную зависимость давления насыщенного пара над раствором.

Жидкость кристаллизуется при температуре, которой соответствует одинаковое давление насыщенного пара над твердой и жидкой фазами. Для чистого растворителя это происходит при температуре, соответствующей точке О, т.е. Т_кр ‑ температура кристаллизации чистого растворителя.

Для раствора давление насыщенного пара над твердой и жидкой фазами становится равным в точке О^/, т.е. Т_кр^/ ‑ температура кристаллизации раствора.

Температура кристаллизации раствора ниже температуры кристаллизации чистого растворителя.

Жидкость кипит при той температуре, при которой давление насыщенного пара становится равным атмосферному давлению. При давлении p_атм температура кипения чистого растворителя Т_кип, температура кипения раствора Т_кип^/.

При постоянном атмосферном давлении температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя.

Количественные зависимости для растворов неэлектролитов имеют вид:

, (1)

, (2)

для растворов электролитов

; (3)

. (4)

где ‑ понижение температуры замерзания раствора по сравнению

с температурой замерзания чистого растворителя;

‑ повышение температуры кипения раствора по сравнению

с температурой кипения чистого растворителя;

‑ криоскопическая постоянная;

‑ эбулиоскопическая постоянная;

‑ моляльная концентрация (моляльность) раствора.

· Моляльная концентрация раствора – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя (размерность – моль/кг).

,

где ‑ количество растворенного вещества, моль;

‑ масса растворителя, кг;

‑ масса растворенного вещества, г;

M – молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные показывают, соответственно, на сколько градусов понижается температура кристаллизации и повышается температура кипения одномоляльного раствора ( =1 моль/кг).

Значения и определяются природой растворителя:

Эффект понижения температуры кристаллизации при образовании растворов широко используют в технике для приготовления антифризов – жидкостей с пониженной температурой замерзания, применяющихся в системах охлаждения двигателей.

Пример 1. Определите температуру замерзания антифриза, приготовленного из 20 л воды и 6 л глицерина С₃Н₈О₃. Плотность глицерина равна 1,26 г/мл; криоскопическая постоянная воды 1,86 ( ).

Решение. Воспользуемся формулой

.

Подставим в формулу выражение для моляльной концентрации раствора,

,

получим расчетную формулу

Согласно условиям задачи, масса глицерина

молярная масса глицерина

масса 20 л воды (в кг!)

Выполняем подстановку:

Рассчитываем температуру замерзания антифриза:

Эффект понижения температуры замерзания растворов электролитов используют при получении “холодных” бетонов. Так до -10⁰С можно использовать для замешивания цемента водный раствор, содержащий 3% CaCl₂ и 7% NaCl.

Пример 2. Рассчитайте массу хлорида натрия, которую необходимо добавить к одному литру воды для получения раствора, замерзающего при -7⁰С. (a = 70%; 1,86 ( ).

Решение. Воспользуемся формулой:

Выразим моляльную концентрацию раствора:

.

n = 2, так как при диссоциации хлорида натрия образуются два иона: NaCl = Na⁺ + Cl^-.

Значение изотонического коэффициента:

Рассчитываем моляльную концентрацию раствора:

Это означает, что для получения такого раствора к 1 кг (1 л) воды следует добавить 2,2 моль хлорида натрия. Рассчитываем соответствующую массу хлорида натрия