Закон Рауля. Коллигативные свойства растворов.

Коллигативными свойствами растворов называются такие их свойства, которые зависят только от концентрации частиц растворенного вещества, но не от его химического состава. Наиболее часто встречаются следующие четыре коллигативных свойства растворов:

1) понижение давления пара;

2) повышение температуры кипения;

3) понижение температуры замерзания;

4) осмотическое давление.

Все эти четыре свойства относятся к растворам, содержащим нелетучие растворимые вещества, то есть такие растворимые вещества, давление пара которых пренебрежимо мало.

При данной температуре давление насыщенного пара над жидкостью – есть величина постоянная. При растворении какого-либо вещества в данной жидкости давление насыщенного пара этой жидкости над раствором понижается. Давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре. Разность этих давлений получила название понижение пара над раствором.

В 1887 г. французский физико-химик Рауль установил закон, связывающий понижение давления пара над разбавленными растворами неэлектролитов с увеличением концентрации растворенного вещества. Он получил название закона Рауля:

относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества

( Р₀ – Р)/Р₀ = Х (3).

Следствием понижения давления насыщенного пара растворителя над раствором является повышение его температуры кипения по сравнению с чистым растворителем и понижение температуры его замерзания.

Всякая жидкость начинает кипеть при той же температуре, при которой давление её насыщенного пара достигает величины внешнего давления. Вода при давлении 101 кПА начинает кипеть при температуре 100 ⁰С потому, что давление насыщенного пара равно 101 кПА. Поскольку при данной температуре давление насыщенного водяного пара над раствором будет ниже, чем над чистым растворителем, то при 100 ⁰С раствор не закипает. Температура кипения водного раствора больше 100 ⁰С, причем тем больше, чем выше концентрация раствора.

При замерзании жидкостей кристаллизация начинается при той температуре, при которой давление насыщенного пара над жидкой фазой становится равным давлению насыщенного пара над твердой фазой. Вода замерзает при 0⁰С потому, что при этой температуре давление насыщенного пара воды над жидкостью и над льдом одинаково и равно 0,61 кПА.

Для разбавленных растворов повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания не зависит от природы растворенного вещества и прямо пропорционально количеству вещества n:

∆Т_кип = К_э ∙ n (4),

где К_э – эбуллиоскопическая постоянная, равная

К_э = RT²/(1000∙λ_исп ) (5),

∆Т_зам = К_к∙ n,

где К_к – криоскопическая постоянная, равная

К_к = RT²/(1000∙λ_плав ) (6),

где λ_исп, λ_плав – удельные теплоты испарения и плавления растворителя соответственно, Т – температура испарения и кипения растворителя.

Осмос – это самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану из разбавленного раствора или чистого растворителя в концентрированный раствор. Мембрана, пропускающая частицы растворителя, но не пропускающая частицы растворенного вещества, называется полупроницаемой мембраной. Примером такой мембраны является бычий пузырь. Полупроницаемая мембрана пропускает частицы растворителя в обоих направлениях. Но с той стороны мембраны, где концентрация раствора выше, концентрация растворителя ниже. Поэтому происходит результирующий переход растворителя в концентрированный раствор. Это приводит к установлению разности давлений по обе стороны мембраны, которое называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление является коллигативным свойством, так как оно зависит только от концентрации растворенных частиц и не зависит от их химического состава. Для осмотического давления выполняется уравнение Вант-Гоффа.

π = cRT (7),

где π – осмотическое давление, с – концентрация раствора, Т – температура, R – газовая постоянная. Уравнение Вант-Гоффа является приближенным и справедливо только для разбавленных растворов.

Осмотическое давление играет важную роль в биологических системах. В организме животных некоторые клетки, например, эритроциты, содержат солевой раствор. Данные клетки окружены плазматической мембраной. В водной среде эритроциты подвергаются осмосу, набухают и лопаются. Однако, если они попадают в более концентрированный раствор соли, клетки сморщиваются.

Если давление, приложенное к концентрированному раствору, превышает осмотическое, то растворитель переходит из концентрированного раствора через мембрану в разбавленный раствор. Этот процесс называется обратный осмос. Его используют в промышленности для получения питьевой воды из морской.

Дисперсные системы и коллоидные растворы.

Ранее рассмотренные растворы, являются истинными или молекулярными растворами. Данные растворы представляют собой гомогенную смесь, состоящую из двух и более компонентов. Частицы из которых состоит раствор – это атомы, молекулы, ионы. Их размеры не превышают 5∙10^{-9 м.}

Но есть растворы, в которых частицы растворенного вещества имеют микроскопические размеры порядка 0,1 - 0,2 мм и их видно невооруженным глазом, например, водный раствор сахара, растворенного не до конца. В этом случае раствор представляет гетерогенную систему. Он состоит из двух фаз - твердой и жидкой. Такие немолекулярные растворы очень распространены в природе и имеют общее название – дисперсные системы. Дисперсные системы состоят из прерывной фазы, называемой дисперсной фазой, и непрерывной фазы, называемой дисперсионной средой.

Примером дисперсной системы является суспензия. Суспензией (взвесью) называется гетерогенная смесь двух компонентов. Она состоит из более крупных частиц одного компонента, взвешенных в среде другого компонента. По истечении времени частицы суспензии осаждаются на дно. Взвешенные частицы имеют размеры порядка 10^{-6 м.}

Дисперсные системы классифицируются по размеру дисперсных частиц. Такая классификация приведена в таблице 1.

Таблица 1

Классификация дисперсных систем по размерам

Частным случаем дисперсной системы являются коллоидные растворы. Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между молекулярными растворами и суспензиями. Коллоидные растворы отличаются от суспензии размерами диспергированных частиц. Коллоидные частицы имеют диаметр от 10^-9 до 5∙10^{-7 м. Они не осаждаются по истечении большого промежутка времени, например, чернила. Примером коллоидного раствора является дым, фруктовое желе. Дым – это коллоидная дисперсия твердых частиц в воздухе. Дисперсная фаза дыма – твердые частицы. Непрерывная фаза – воздух. Разновидности коллоидных растворов приведены в таблице 2.}

Таблица 2

Разновидности коллоидных растворов