Коллигативные свойства растворов

Многие свойства растворов зависят не только от концентрации растворенного в нем вещества, но и от природы этого вещества. Например, плотность раствора зависит от индивидуальных свойств растворителя и растворенного вещества, а также от концентрации последнего. Однако некоторые физические свойства растворов определенного типа зависят только от концентрации частиц растворенного вещества и не зависят от индивидуальных свойств растворенного вещества. Эти свойства называют коллигативными. К их числу относятся понижение давления паров, повышение температуры кипения, понижение температуры затвердевания и осмотическое давление раствора.

3.1 Понижение давления паров

Если в некотором растворителе растворяют нелетучее вещество, равновесное давление паров растворителя при этом понижается. Например, растворы сахара или поваренной соли в воде имеют более низкое давление паров, чем чистая вода. Количественное описание давления паров растворов, содержащих нелетучие растворенные вещества, дает закон Рауля.

р(А)=Х(А)´р^о(А) (3.1.1)

где р(А)-давление паров раствора, Па, Х(А)-мольная доля растворителя, р^о(А)-давление паров чистого растворителя, Па.

3.2 Повышение температуры кипения

Повышение температуры кипения DТ_кип (относительно температуры кипения чистого растворителя) пропорционально числу растворенных частиц в расчете на моль молекул растворителя. Напомним, что моляльность раствора - это число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя, а следовательно, в определенном числе молей растворителя. Таим образом, DТ_кип пропорциональна моляльности раствора:

DТ_кип=К_кип´С_g (3.2.1)

Коэффициент пропорциональности К_кип, называемый моляльной константой повышения температуры кипения, зависит от растворителя.

3.3 Понижение температуры затвердевания

Температура затвердевания жидкости соответствует такой температуре, при которой уравниваются давления паров твердой и жидкой фаз. Понижение температуры затвердевания раствора объясняется тем, что растворенное вещество обычно нерастворимо в твердой фазе растворителя. Точка, соответствующая состоянию равновесия между твердой фазой и жидким раствором, лежит слева от точки равновесия для чистого растворителя, т.е. в области более низких температур. Как и повышение температуры кипения, понижение температуры затвердевания, DТ_затв, пропорционально моляльности раствора:

DТ_затв=К_затв´С_g (3.3.1)

Коэффициент пропорциональности К_затв - моляльная константа понижения температуры затвердевания.

В табл. 3.3.1 приведен ряд типичных значений К_кип и К_затв для нескольких распространенных растворителей.

Таблица 3.3.1

Моляльные константы повышения температуры кипения и понижения температуры затвердевания некоторых растворителей

3.4 Осмос

Ряд материалов определенного типа, в том числе многие мембраны в биологических системах, обладает свойством полупроницаемости, т.е. способностью пропускать частицы одного сорта и не пропускать частицы других сортов.

Осмос представляет собой результат проникания молекул растворителя, но не растворенного вещества, через полупроницаемую мембрану из более разбавленного раствора в более концентрированный.

Давление, которое требуется создать, чтобы остановить осмос из чистого растворителя в раствор, называется осмотическим давлением (р_осм) этого раствора. Осмотическое давление связано с концентрацией раствора уравнением:

р_осм=С_м´R´T (3.4.1)

где р_осм - осмотическое давление, кПа, С_м - моляльность раствора, М, R - универсальная газовая постоянная, (R=8.31), Т - абсолютная температура, К.

Когда полупроницаемой перегородкой разделены два раствора, обладающие одинаковым осмотическим давлением, проникания растворителя через перегородку не наблюдается. Такие два раствора называются изотоническими. Раствор, обладающий меньшим осмотическим давлением по сравнению с более концентрированным раствором, называют гипотоническим, а второй, более концентрированный, раствор - гипертоническим.