Розділ 3.2. Фізико-хімічні властивості розбавлених розчинів неелектролітів

Властивості розбавлених розчинів, які залежать тільки від кількості нелеткої розчиненої речовини і не залежать від природи розчиненої речовини, називаються колегативними властивостями. До них належать тиск насиченої пари над розчином, температура кипіння розчинів, температура замерзання розчинів та осмотичний тиск.

3.2.1. Осмос і осмотичний тиск

Процес однобічної дифузії розчинника через напівпроникну мембрану від розчину з меншою концентрацією розчиненої речовини до розчину з більшою концентрацією називається осмосом.

Р ис. 11. Пристрій для демонстрації осмосу:

1 – мембрана,

2 – манометрична трубка.

Якщо трубку (рис. 11), заповнену розчином (наприклад, цукру), відокремити від води напівпроникною мембраною (яка пропускає тільки молекули розчинника), то через мембрану відбувається дифузія молекул води в розчин, і рівень рідини в трубці піднімається. Це приводить до збільшення тиску розчину в нижній частині трубки, що утрудняє подальшу дифузію води. При деякій висоті ( ) стовпа розчину в трубці швидкості дифузії води із зовнішньої посудини у внутрішню і назад зрівняються, і підйом рідини в трубці припиниться, тобто в системі встановиться рівновага. Тиск, який потрібно прикласти в процесі осмосу до розчину, щоб привести його рівень до рівня чистого розчинника, називається осмотичним тиском. Розчини з однаковим осмотичним тиском називають ізотонічними.

Вант-Гофф, аналізуючи результати вивчення осмотичного тиску різних розчинів, дійшов висновку, що в розведених розчинах (C_м ≤ 0,01 моль/л) розчинник і розчинена речовина поводяться подібно газам. Тому, осмотичний тиск розчину чисельно дорівнює тому тиску, який чинила б розчинена речовина, якби вона за цієї самої температури перебувала в газуватому стані й займала об’єм, що дорівнює об’єму розчину. Згідно цьому до розведених розчинів застосовується рівняння стану ідеальних газів – рівняння Клапейрона-Менделєєва ( ) у наступній формі:

, (3.10)

де  – осмотичний тиск,  – число молів розчиненої речовини, R – універсальна газова стала, Т – абсолютна температура.

Вирішивши це рівняння відносно і зробивши заміну /V = C_м, одержують вираження, яке називається законом Вант-Гоффа:

. (3.11)

Величина осмотичного тиску залежить від концентрації розчину і його температури, але не залежить від природи розчиненої речовини та природи розчинника.

Слід зазначити, що осмотичний тиск – це не властивість розчиненої речовини чи розчинника, взятих окремо, а властивість системи, що складається з речовини, розчинника і напівпроникної мембрани.

3.2.2. Тиск насиченої пари розчинів

Важливою властивістю рідини є тиск насиченої пари. Для чистої рідини тиск насиченої пари залежить тільки від температури, а для розчинів – від температури і концентрації. Розчинена речовина стримує випаровування розчинника внаслідок взаємодії молекул речовини і розчинника, тому за сталої температури тиск пари над розчинником нелеткої речовини зменшується порівняно з тиском пари над водою. Зниження тиску насиченої пари над розчином тим більше, чим більша концентрація розчину.

При аналізі результатів вимірів тиску насиченої пари розчинів нелетких речовин Ф.М. Рауль виявив важливу закономірність: парціальний тиск насиченої пари -го компонента над розчином (p_i) дорівнює добутку тиску насиченої пари над чистим компонентом ( ) на молярну частку (x_i) цього компонента в розчині:

, (3.12)

де  – тиск насиченої пари чистого -того компонента.

Для ідеального бінарного розчину:

, (3.13)

8

де  – тиск пари над чистим розчинником,  – тиск пари розчинника над розчином даної концентрації,   – відносне зниження тиску пари над розчином. Останнє рівняння є математичною формою закону Рауля: відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином дорівнює мольній частці розчиненої речовини.

Із закону Рауля слідує, що, зниження тиску пари, як і для осмотичного тиску, не залежить від природи розчиненої речовини, а зумовлюється лише числом молів її в певній кількості розчинника, тобто її концентрацією.