3.2. Растворы неэлектролитов

Неэлектролиты – это вещества (большинство органических веществ), молекулы которых при растворении на ионы не распадаются.

Свойства разбавленных растворов неэлектролитов

Давление пара над жидкостью. В результате естественного испарения над жидкостью образуется пар, давление которого можно измерить с помощью манометра. Процесс испарения – это эндотермический процесс (∆Н>0). Одновременно с этим процессом протекает обратный процесс – экзотермический процесс конденсации (∆Н<0). При определенных условиях устанавливается равновесие, которое определяется равенством скоростей испарения и конденсации. Равновесное состояние при данной температуре характеризуется давлением насыщенного пара.

Давление пара над раствором. Определяется первым законом Рауля (при растворении некоторого количества нелетучего вещества):

где P – давление насыщенного пара над раствором,

N₁ – мольная доля растворителя в растворе.

Если чистый растворитель (N₁ = 1), то P = P⁰ (давление насыщенного пара чистого растворителя). Если раствор, то N₁ < 1, тогда P < P⁰. Отсюда, давление насыщенного пара над раствором всегда меньше, чем над чистым растворителем.

Температура кипения жидкости. Это температура, при которой давление насыщенного пара над жидкостью равно внешнему давлению.

Температура кипения раствора. Мы знаем, что давление насыщенного пара растворителя над раствором меньше, чем давление насыщенного пара над чистым растворителем. Значит, чтобы давление насыщенного пара стало равным внешнему давлению (условие закипания жидкости), раствор нужно нагреть до более высокой температуры, чем чистый растворитель. Таким образом, температура кипения раствора (Т₂) выше температуры кипения чистого растворителя (Т₁) на величину t:

П

Т₂= Т₁+t

,

где m_в-ва– масса растворенного вещества (г),

M_в-ва– молярная масса растворенного вещества (г/моль),

m_р-ля– масса растворителя,

К_э– эбулиоскопическая константа (⁰С), которая равна повышению температуры кипения раствора при растворении 1 моль вещества в 1 кг растворителя. Величина К_э зависит от природы растворителя. Для воды К_э=0,52 ⁰С∙моль^-1. Эбулиоскопические константы некоторых растворителей приведены в Приложении Д.

Температура замерзания жидкости. Это температура, при которой давление насыщенного пара над жидкостью равно давлению насыщенного пара кристаллов жидкости (Р_кр(ж) = Р_ж).

Температура замерзания раствора. Если в равновесную систему лёд–вода (Р_кр(тв)=Р_ж) ввести растворимое вещество, например сахар, то равновесие нарушится, поскольку образовался раствор и давление насыщенного пара понизится. Это нарушение связано с конденсацией избытка паров, протекающей с выделением тепла. Чтобы восстановить равновесное состояние, необходимо в соответствии с принципом Ле-Шателье понизить температуру на величину t. Следовательно, температура замерзания раствора ниже температуры замерзания (кристаллизации) чистого растворителя. Согласновторому закону Рауля: понижение температуры замерзания раствора прямопропорционально моляльной концентрации растворенного вещества, а именно:

,

где К_кр– криоскопическая константа (⁰С), которая численно равна понижению температуры замерзания при растворении 1 моль вещества в 1 кг растворителя. Величина К_кр зависит от природы растворителя. Для воды К_кр=1,86 ⁰С∙моль^-1. Криоскопические константы некоторых растворителей приведены в Приложении Д.

Осмос – это самопроизвольный переход молекул растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку (мембрану). Полупроницаемая мембрана представляет собой тонкую плёнку, проницаемую для молекул растворителя и непроницаемую для молекул растворенного вещества.

В общем случае, если концентрация растворенного вещества в растворе А больше, чем в растворе В, то возникает самопроизвольно поток молекул растворителя из раствора В в раствор А через мембрану (идет самопроизвольный процесс выравнивания концентраций). Этот процесс можно прекратить, если повысить давление в растворе А.

Разность давлений, при которой прекращается переход растворителя в раствор, называется осмотическим давлением (Р_осм), которое определяется по уравнению Вант-Гоффа:

,

где n – количество растворенного вещества (моль),

V – объем раствора (л),

Т – температура (К),

R – универсальная газовая постоянная.

Если давление определять в атмосферах, то ,

если в мм. рт. ст., то .

Законы Рауля и Вант -Гоффа соблюдаются лишь в разбавленных растворах неэлектролитов. По мере повышения концентрации растворенного вещества возрастают отклонения от законов идеальных растворов. Поэтому для описания свойств растворов использовать все общие закономерности, применимые к идеальным растворам, но вместо входящих в них концентраций компонентов ввести активности. Активность а связана с концентрацией со следующим соотношением:

,

где γ – коэффициент активности, который формально учитывает все виды взаимодействия частиц в данном растворе, приводящие к отклонению от свойств идеального раствора.