4.1.3. Колігативні властивості розчинів. Осмос

Усі хімічні речовини умовно поділяють на електроліти та неелектроліти. Критерієм такої класифікації є електропровідність їх розчинів та розплавів.

Речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм, називаються електролітами (солі, кислоти, луги – речовини з іонним і ковалентним полярним зв’язком).

Речовини, водні розчини або розплави яких не проводять електричний стум, називаються неелектролітами (цукор, спирт, ацетон – речовини з ковалентним неполярним зв’язком).

Фізико-хімічні властивості розведених розчинів неелектролітів: тиск насиченої пари над розчином, температури кипіння, кристалізації та замерзання, осмотичний тиск – змінюються пропорційно концентрації розчинів.

Це зрозуміло, якщо взяти до уваги такі факти:

1) розчини неелектролітів не проводять електричний струм, оскільки містять лише молекули розчиненої речовини і розчинника;

2) між молекулами в розведених розчинах немає помітної взаємодії, тому властивості таких розчинів залежать лише від відносного числа молекул речовини (мольної частки) і не залежать від її природи.

Колігативні властивості (від латин. «збирати»)– властивості розчинів, які зумовлюються їх концентрацією і не залежать від природи розчиненої речовини.

До колігативних властивостей належать дифузія та осмос. Дифузією називається процес самовільного вирівнювання концентрації розчину внаслідок теплового руху молекул розчиненої речовини та розчинника. Дифузію можна побачити неозброєним оком, якщо налити концентрований розчин забарвленої речовини в склянку і додати води (намагаючись не перемішувати рідини). Унаслідок двосторонньої дифузії через деякий час розчин буде мати однакове забарвлення по всьому об’єму.

Якщо між розчином і чистим розчинником (або розчинами з більшою та меншою концентраціями розчиненої речовини) поставити напівпроникну перетинку (мембрану), через яку проходять молекули розчинника і не проходять молекули розчиненої речовини, за рахунок різниці їх розмірів дифузія буде мати односторонній характер. Процес односторонньої дифузії молекул розчинника через напівпроникну мембрану називається осмосом, а тиск, що його обумовлює, − осмотичним.

Розчини, що мають однаковий осмотичний тиск називають ізотонічними. Рівні об’єми ізотонічних розчинів містять однакові кількості молекул (або частинок).

Голландський хімік Вант-Гофф установив закон осмотичного тиску:

осмотичний тиск розчину чисельно дорівнює тиску, який би чинила розведена речовина, якби вона за тої самої температури перебувала в газоподібному стані та займала об’єм, що дорівнює об’єму розчину.

Математичне вираження закону P_осм. = CRT,

де P_осм. осмотичний тиск; C – молярна концентрація розчиненої речовини; R – універсальна газова стала; T – абсолютна температура.

Якщо врахувати, що С = m/M, то можна записати P_осм. = mRT/M, де m – маса розчиненої речовини в грамах, що міститься в 1 л розчину; M – молекулярна маса речовини.

Під час розрахунків осмотичного тиску та молекулярної маси за цими рівняннями слід враховувати, що закон Вант-Гоффа може бути застосований тільки для розведених розчинів.

Осмотичний тиск має велике значення в природі. Усі біологічні тканини складаються з клітин, оболонки яких напівпроникні. Якщо клітину помістити в розчин, у якому концентрація розчинених речовин буде вищою, ніж у ній (у медицині такий розчин називають гіпертонічним), почнеться перехід води з клітини в розчин, клітина почне зморщуватися (посолені овочі). Таке явище називають плазмолізом. У разі потрапляння клітини в розчин з нижчою концентрацією розчинених речовин (гіпотонічний) спостерігається перехід води в клітину, збільшення її об’єму (набрякання харчових волокон). Цей процес має назву гемоліз. Явища дифузії та осмосу відбуваються під час посолу сировини рослинного та тваринного походження, застосовуються під час технологічних процесів відварювання, замочування тощо.

Тиск насиченої пари розчинника над розчином нижчий, ніж тиск пари розчину над чистим розчинником (за однакових температурних умов). Залежність зниження тиску пари розчинників над розчинами від їх концентрації кількісно описав французький хімік Рауль.

Перший закон Рауля: відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином дорівнює мольній частці розчиненої речовини.

∆Р/Р₀= n₁/(n₁+n₂),

де ∆Р = Р₀−Р величина зниження тиску пари; Р₀ − тиск пари розчинника;

Р − тиск розчину; n₁ і n₂ − відповідно кількість розчиненої речовини і розчинника, моль.

Виходячи з цього рівняння можна обчислювати тиск пари розчину або абсолютне зниження тиску пари.

Для технологів важливо розуміти такі властивості розчинів. Наявність речовини, розчиненої в розчиннику, підвищує його температуру кипіння та знижує температуру замерзання, тим сильніше, чим більш концентрованим є розчин. Якщо розчинити у воді будь-яку речовину (цукор, кухонну чи інші мінеральні солі, гліцерин тощо), то температура замерзання розчину буде нижча 0ºС, а температура кипіння – вища 100 ºС.

Різниця між температурами кипіння або температурами замерзання розчину та чистого розчинника називається підвищенням температури кипіння або зниженням температури замерзання розчину відповідно.

Другий закон Рауля: для розведених розчинів підвищення температури кипіння і зниження температури замерзання пропорційні моляльній концентрації розчинів.

Третій закон Рауля: розчини, що містять однакові кількості розчинених речовин в однакових кількостях розчинника, мають однакові зниження температури замерзання та підвищення температури кипіння.

Для кожного розчинника зміни температури кипіння та замерзання сталі.

Кріоскопічна константа К_к − зниження температури замерзання, що відповідає розчиненню 1 моля речовини в 1000 г розчинника (для води К_к = 1,86 град/моль).

Ебуліоскопічна константа К_е – підвищення температури кипіння, яке спостерігається в разі розчинення 1 моля речовини в 1000 г розчинника (для води К_е = 0,52 град/моль).

Математичні вирази другого та третього законів Рауля відповідно мають такий вигляд:

∆t_кип. = К_е С_m;

∆t_зам. = К_к С_m,

де К_е та К_к − ебуліоскопічна та кріоскопічна константи відповідно; С_m – моляльність розчину.

На законах Рауля засноване визначення молекулярних мас деяких речовин. Явище зниження температури замерзання розчинів широко застосовують у технологічних процесах холодокомбінатів. Наприклад, розчини солей використовують як холодоносії для виготовлення заморожених соків, а також приготування так званих антифризів – розчинів, що замерзають тільки при низьких температурах. Їх використовують в установках, які працюють в умовах низьких температур, а також для охолодження двигунів.