Коллигативные свойства растворов - удивительное явление, когда свойства жидкости определяются лишь количеством растворенных в ней частиц. Эта статья приоткроет завесу тайны над этим феноменом и расскажет, как он помогает понять мир вокруг нас.
Сущность коллигативных свойств растворов
Коллигативные свойства растворов - это такие свойства, которые при данных условиях оказываются равными и не зависят от химической природы растворенного вещества. Они определяются исключительно количеством частиц в единице объема раствора и их тепловым движением.
Причина возникновения коллигативных свойств кроется в том, что присутствие растворенного вещества уменьшает химический потенциал молекул растворителя. Это в свою очередь влияет на термодинамические характеристики раствора по сравнению с чистым растворителем.
К основным коллигативным свойствам растворов относят:
- Понижение давление насыщенного пара
- Повышение температуры кипения
- Понижение температуры затвердевания (кристаллизации)
Коллигативные свойства растворов- возникновение осмотического давления
Эти свойства проявляются во многих природных процессах и находят широкое практическое применение в промышленности, медицине, быту. Например, коллигативные свойства растворов лежат в основе работы опреснителей воды, аккумуляторов, производства антифризов и многого другого.
Интересный факт - коллигативные свойства не проявляются в чистых веществах, они характерны исключительно для растворов . Это и послужило толчком к бурному развитию химии растворов как отдельного научного направления.
Законы, описывающие коллигативные свойства
В 1886-1887 годах Франсуа Мари Рауль вывел количественные закономерности, связывающие концентрацию растворенного вещества с изменениями термодинамических свойств растворителя. Это так называемые законы Рауля. Позже, в 1887 году голландский химик Якобус Хендрикус вант-Гофф дополнил их уравнением для осмотического давления.
Первый закон Рауля о давлении насыщенного пара
Согласно первому закону Рауля, давление насыщенного пара над раствором прямо пропорционально мольной доле растворителя:
Иначе говоря, чем больше растворенного вещества в растворе - тем ниже давление паров растворителя. Это объясняется тем, что молекулы растворенного вещества мешают испарению молекул растворителя, удерживая их в жидкой фазе.
Применение первого закона Рауля позволяет, например, определять молекулярную массу растворенных веществ - чем она больше, тем сильнее снижается давление паров. Такой метод называется эбуллиоскопией.
Изотонический коэффициент Вант-Гоффа
Для учета особенностей поведения электролитов в растворах голландский химик Якобус Хендрикус вант-Гофф ввел понятие изотонического коэффициента (i). Он показывает, во сколько раз число частиц в растворе электролита больше по сравнению с раствором неэлектролита такой же концентрации.
Включение изотонического коэффициента в уравнения Рауля позволяет точно описывать коллигативные свойства и для растворов электролитов.
Интересный факт - изотонический коэффициент тесно связан со степенью диссоциации электролита на ионы. Чем сильнее распадается электролит, тем больше изотонический коэффициент и тем сильнее выражены коллигативные свойства его растворов.
Далее в статье приведены другие важные законы, описывающие загадочные коллигативные свойства жидкостей .
Второй закон Рауля
Второй закон Рауля гласит, что изменение температуры кипения или замерзания раствора пропорционально моляльной концентрации растворенного вещества:
Это объясняется тем, что чем больше частиц растворено, тем сильнее они связывают молекулы растворителя и тем сложнее тем "оторваться" от жидкой фазы.
На основе закона Рауля разработан метод определения молекулярных масс веществ - криоскопия. Он заключается в замере температуры замерзания чистого растворителя и его раствора с веществом неизвестной молекулярной массы.
Уравнение Вант-Гоффа для осмотического давления
Голландский химик Якобус Вант-Гофф на основе теории идеальных растворов вывел уравнение, связывающее осмотическое давление раствора с его концентрацией:
Где C - молярная концентрация растворенного вещества.
Из уравнения видно, что осмотическое давление линейно возрастает с ростом концентрации вещества в растворе. Это подтверждается экспериментально.
На практике расчет по уравнению Вант-Гоффа используется для определения молекулярной массы веществ, контроля осмотического давления растворов в фармацевтической промышленности и многого другого.
Роль в понимании процессов жизнедеятельности
Коллигативные свойства растворов играют важную роль в объяснении биологических процессов, происходящих в живых организмах.
Например, осмос и осмотическое давление отвечают за поступление питательных веществ и воды в клетки. А чрезмерное обезвоживание или набухание клетки могут привести к гибели организма. Знание коллигативных свойств помогает это предотвратить .
Значение в науке и технике
Помимо биологии и медицины, коллигативные свойства растворов активно применяются во многих отраслях науки и техники. В частности:
- В аналитической химии - для определения молекулярной массы веществ
- В пищевой промышленности - для консервации и заморозки продуктов
- В энергетике - при производстве аккумуляторов
И это лишь малая часть областей, где приходится учитывать удивительные коллигативные эффекты в растворах.
