1.7. Температура кипения разбавленных растворов

Температура кипения растворов нелетучего вещества в летучих растворителях всегда выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении.

Рассмотрим р – Т – диаграмму для воды (растворитель) и разбавленных водных растворов, содержащих различную массу растворенного вещества (рис.1.4).

Любая жидкость – растворитель или раствор – кипит при той температуре, при которой давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Температуры, при которых изобара, равная атмосферному давлению (101,3 кПа), пересечет кривые ОА, ВС, DE и т.д., будут температурами кипения соответствующих жидкостей при этом давлении. Для растворов эти температуры являются более высокими, чем для чистого растворителя, и разность между ними

Т_кип. = Т_кип. – Т⁰_кип.

Рис. 1.4. Повышение температуры кипения

разбавленных растворов

будет тем большей, чем выше концентрация раствора. Для бесконечно разбавленных растворов малые участки кривых можно считать прямолинейными. Тогда из подобия треугольников АСС’; AEE’ и т.д. вытекает, что

Т_кип. = Е  С_m, (1.18)

где С_m – моляльная концентрация раствора, Е – эбуллиоскопическая постоянная растворителя. Значения эбуллиоскопических констант для некоторых растворителей приведены в таблице.

Соотношение (1.19) можно выразить словами: повышение температуры кипения пропорционально понижению давления насыщенного пара и, следовательно, повышение температуры кипения раствора пропорционально его концентрации.

Эбуллиоскопическую константу можно выразить следующим образом:

Е = (1.19)

где Т⁰_кип. – температура кипения чистого растворителя, К; _исп. – удельная теплота его испарения, Дж/г.

Пользуясь эбуллиоскопическим методом, можно также определить молярную массу растворенного вещества из соотношения

Т_{кип. =} (1.20)

где Е – эбуллиоскопическая константа растворителя; g - масса растворенного вещества, г; G -масса растворителя, г; М – молярная масса растворенного вещества, г/моль.

1.8. Осмотическое давление растворов неэлектролитов

Как уже говорилось, раствор представляет собой гомогенную систему. Частицы растворенного вещества и растворителя находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объему раствора.

Если поместить в цилиндр концентрированный раствор какого-либо вещества, например сахара, а сверху него осторожно налить слой воды, то вначале сахар и вода будут распределены в объеме раствора неравномерно. Однако через некоторое время молекулы сахара и воды вновь равномерно распределятся по всему объему жидкости. Это происходит в результате диффузии – самопроизвольного процесса перемешивания веществ, приводящего к выравниванию их концентраций.

В рассмотренном примере частицы растворителя и растворенного вещества диффундируют в противоположных направлениях. Такой случай называется встречной или двусторонней диффузией.

Иначе будет обстоять дело, если между двумя растворами поместить перегородку, через которую растворитель может переходить, а растворенное вещество не может. Такие перегородки (мембраны), получившие название полупроницаемых, существуют в природе и могут быть получены искусственно. Возьмем сосуд с разбавленным раствором сахара, дно которого является полупроницаемой полупроницаемой мембраной. Через нее могут проходить молекулы воды (растворителя). Но не могут проходить молекулы сахара (растворенного вещества). Опустим этот сосуд в стакан с водой (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Прибор для измерения осмотического давления: 1 – сосуд с раствором сахара; 2 – стакан с водой

Молекулы растворителя из объема с их большей концентрацией (из чистой воды) будут диффундировать через полупроницаемую перегородку (мембрану) в водный раствор сахара, где их концентрация меньше.

Явление односторонней диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку называется осмосом. Вследствие осмоса уровень в сосуде с сахаром повысится; при этом создается дополнительное (гидростатическое) давление, препятствующее диффузии. При некоторой высоте h это дополнительное давление достигает такой величины, что осмос прекращается.

Это гидростатическое давление, препятствующее односторонней диффузии растворителя, равно осмотическому давлению _осм. раствора.

В 1887 г. Пфеффер экспериментально установил две закономерности, которым подчиняется осмотическое давление неэлектролита:

1. В разбавленных растворах неэлектролитов при данной температуре осмотическое прямо пропорционально концентрации

_осм. = К₁  С. (1.21)

2. При одной и той же концентрации С (моль/л) осмотическое давление разбавленного раствора прямо пропорционально абсолютной температуре

_осм. = К₂  Т. (1.22)

Я. Вант-Гофф, предполагая поведение растворенного вещества в растворе аналогичным его поведению в газообразном состоянии, предложил применить для расчета осмотического давления уравнение Клапейрона-Менделеева в следующем виде:

_осм. = С_М  RT, (1.23)

где _осм. – осмотическое давление, кПа; С_М – молярная концентрация раствора, моль/л; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/мольК; Т – абсолютная температура.

Выражение (1.23) есть математическое выражение осмотического закона Вант-Гоффа. Этот закон, как и закон Рауля, применяется для определения молярной массы растворенного вещества. После преобразования выражения (1.23) получим:

_осм. = (1.24)

где  - количество растворенного вещества, моль; V – объем раствора, л; g – масса растворенного вещества.

Явления осмоса играют очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Оболочки клеток представляют собой перепонки, легко проницаемые для воды, но почти непроницаемые для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости. Проникая в клетки, вода создает в них избыточное давление, которое слегка растягивает оболочки клеток и поддерживает их в напряженном состоянии, поэтому такие мягкие органы растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов, обладают упругостью. Если срезать растение, то вследствие испарения воды объем внутриклеточной жидкости уменьшится, оболочки клеток опадают, становятся дряблыми – растение вянет. Но стоит только поставить растение в воду, как начинается осмос, оболочки клеток снова напрягаются, растение принимает прежний вид.