8.4. Определение коэффициентов активности растворенного вещества криоскопическим методом

Исходя из условий равновесия (8.18), уравнение (8.20) для реальных растворов можно записать в виде

. (8.25)

По уравнению Гиббса – Дюгема для бинарного раствора

n₁dlna₁ + n₂dlna₂ = 0, (8.26)

и

dlna₁ = dlna₂. (8.27)

Если масса растворителя с молярной массой М₁ равняется 1000 г, то n₁ = 1000/М₁, а n₂ = m, и

dlna₁ = dlna₂. (8.28)

После подстановки в это уравнение значения dlna₁ из уравнения (8.25) и криоскопической постоянной из уравнения (8.22) получим:

dlna₂ = , (8.29)

где d = – d, то есть  = – Т = Т – Т_о.

Интегрирование последнего уравнения невозможно, поскольку неизвестна связь между  и m. Чтобы провести интегрирование, вводится вспомогательная величина

, (8.30)

которая характеризует отклонения понижения температуры замерзания  в реальном растворе по сравнению с идеальным (Т = Km).

Изменение j при изменении концентрации

. (8.31)

Активность растворенного вещества а₂ = m₂ (₂ – коэффициент активности), поэтому

dj = – dln а₂ + dlnm – j dlnm = – dln₂ – jdlnm, (8.32)

откуда

dln₂ = – dj – j. (8.33)

Рис. 8.3. Графическое интегрирование зависимости j/m – m

Интегрирование этого уравнения дает (учитывая, что при m = 0 ₂ = 1 и j = 0):

ln₂ = – j – . (8.34)

По экспериментальным данным рассчитывают j при разных концентрациях, а величины интегралов определяют графически из зависимости j/m – m (рис. 8.3).

Многочисленными исследованиями установлено, что для многих растворов неэлектролитов отношение j/m мало изменяется в довольно широком интервале концентраций. Если считать, что j/m  const, то интегрирования уравнения (8.33) дает:

ln₂ = – j – m = – 2 j. (8.35)

8.5. Осмос

Рассмотренные выше равновесия относятся к случаю, когда фазы непосредственно находятся в контакте друг с другом, а равновесие осуществляется при обязательном равенстве температур и давлений во всех частях всех фаз системы и при постоянстве состава во всех участках одной фазы. При наличии разностей химических потенциалов компонентов между участками одной фазы или между разными фазами эти компоненты диффундируют в направлении уменьшения своего химического потенциала до достижения одинакового состава во всех участках каждой фазы и равновесного распределения компонентов между фазами. Необходимым условием для достижения такого равновесия является возможность свободного перехода всех компонентов из одного участка фазы в другой участок и из одной фазы в другую.

Другая картина наблюдается в тех случаях, когда отдельные части системы разделены перегородками (мембранами), которые проницаемы для одних компонентов (например, растворителя) и непроницаемы для других (например, растворенного вещества). Такими полупроницаемыми мембранами являются, например, кожа, пергамент, другие животные и растительные ткани.

Рассмотрим равновесие в системе раствор – растворитель, которые разделены полупроницаемой мембраной, пропускающей только растворитель. Схематически такая система предсталена на рис. 8.3. В сосуде 1, закрытом внизу полупроницаемой мембраной 3, находится раствор какого-либо вещества в воде (или другом растворителе), а вода (растворитель) – в сосуде 2.

В такой системе проявляется тенденция к выравниванию концентраций растворенного вещества в двух сосудах, но поскольку растворенное вещество не может диффундировать через мембрану, то вода из сосуда 2 проходит через мембрану 3 в сосуд 1. Такой самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор называется осмосом, а сила (на единицу площади), заставляющая растворитель переходить через эту перегородку в раствор, находящийся при том же внешнем давлении, что и растворитель, называется осмотическим давлением. Численно осмотическое давление равно тому избыточному внешнему давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы предотвратить осмос.

Вследствие осмоса уровень раствора в сосуде 1 повышается до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости не достигнет такой величины, при которой осмос прекращается, и в системе устанавливается равновесие. При этом гидростатическое давление в сосуде с раствором равно осмотическому давлению и отличается от него только знаком.

Рис. 8.4. Схема прибора для измерения

осмотического давления

Пфефер, пользуясь осмометром с полупроницаемой перегородкой из Cu₂Fe(CN)₆ измерил (1877) осмотическое давление растворов тростникового сахара. На основании этих данных Вант-Гофф показал (1886), что в разбавленных растворах зависимость осмотического давления от концентрации раствора совпадает по форме с законом Бойля – Мариотта для идеальных газов и описывается уравнением Вант-Гоффа – Пфефера:

 = cRT, (8.36)

где  – осмотическое давление, c – молярность раствора.

Это уравнение можно получить, исходя из условий равновесия в системе, при котором химические потенциалы чистого растворителя и растворителя в растворе одинаковы ( = ₁). При постоянных температуре и внешнем давлении P₁ величина постоянна, а значение химического потенциала растворителя в растворе ₁ изменяется с изменением его мольной доли x₁ и давления P₂, которое равно сумме первоначального давления P₁ и осмотического давления . Эти изменения можно найти дифференцированием равенства химических потенциалов по x₁ и по P₂, учитывая, что d = 0:

d₁ = dх₁ + dР₂ = d = 0. (8.37)

Согласно определению химического потенциала (4.66) и парциальных мольных величин , (7.5)] производная

= = , (8.38)

где - парциальный мольный объем растворителя в растворе.

Изменение химического потенциала с концентрацией

= RT . (8.39)

Подстановка из уравнений (8.38) и (8.39) в уравнение (8.37) дает:

RT dх₁ + dР₂ =0, (8.40)

откуда

dР₂ = dх₁. (8.41)

Считая  const, проинтегрируем уравнение (8.41) в пределах от состояния чистого растворителя х₁ = 1 (а₁ = 1) і Р₁ до концентрации x₁ и давления Р₂ = Р₁ + :

Р₂ – Р₁ =  = lnа₁. (8.42)

Так как а₁ = р₁/, то

 = ln, (8.43)

где р₁ и – давления насыщенных паров растворителя над раствором и над чистым растворителем.

В случае идеальных растворов, подчиняющихся закону Рауля, р₁/ = х₁, осмотическое давление

 = ln х₁. (8.44)

Для разбавленных растворов с мольной долей растворенного вещества x можно считать lnх₁ = ln(1 – х)  –х, а х  n₂/n₁, а х  n₂/n₁, поэтому осмотическое давление разбавленных растворов

 = х = n₂. (8.45)

В разбавленном растворе n₂<< n₁, и можно считать, что n₁ практически равно общему объему раствора V, а n₂/V = c. С учетом этого получаем окончательно для осмотического давления разбавленных растворов:

 = cRT, (8.46)

т.е. уравнение Вант-Гоффа – Пфефера (8.7). Таким образом, это уравнение справедливо только для разбавленных растворов, подчиняющихся закону Рауля. При повышении концентрации, если даже раствор подчиняется закону Рауля, уравнение неприменимо и заменяется уравнением (8.44), а в общем случае справедливы только уравнения (8.42) и (8.43).

Осмос и осмотическое давление имеют огромное значение в биологических явлениях в связи с наличием в живых организмах полупроницаемых мембран, например, клеточных оболочек. Постоянный осмос воды внутрь клеток создает там избыточное давление, обусловливающее прочность и упругость тканей. Равновесное осмотическое давление клеточного сока достигает величин 5 – 20 атм.