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:Kolligative Eigenschaften Die Eigenschaften einer Lösung unterscheiden sich von denen entweder des reinen gelösten Stoffes oder des reinen Lösungsmittels. Viele Lösungseigenschaften hängen von der chemischen Identität des gelösten Stoffes ab. Im Vergleich zu reinem Wasser ist eine Lösung von Chlorwasserstoff saurer, eine Lösung von Ammoniak ist basischer, eine Lösung von Natriumchlorid ist dichter und eine Lösung von Saccharose ist viskoser. Es gibt jedoch einige Lösungseigenschaften, die unabhängig von ihrer Identität nur von der Gesamtkonzentration der gelösten Spezies abhängen. Diese kolligativen Eigenschaften umfassen Dampfdruckerniedrigung, Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung und osmotischen Druck. Dieser kleine Satz von Eigenschaften ist von zentraler Bedeutung für viele natürliche Phänomene und technologische Anwendungen, wie in diesem Modul .beschrieben wird

Mole Fraktion und Molalität In einem früheren Kapitel dieses Textes wurden verschiedene Einheiten eingeführt, die üblicherweise verwendet werden, um die Konzentrationen von Lösungskomponenten zu beschreiben. Jede Einheit bietet bestimmte Vorteile für die Verwendung in verschiedenen Anwendungen. Zum Beispiel ist die Molarität (M) eine geeignete Einheit zur Verwendung in stöchiometrischen Berechnungen, da sie in Bezug auf die :molaren Mengen an gelösten Spezies definiert ist M = mol gelöste / L Lösung

Da die Lösungsvolumina mit der Temperatur variieren, variieren die molaren Konzentrationen ebenfalls. Wenn sie als Molarität ausgedrückt wird, ist die Konzentration einer Lösung mit identischen Anzahlen von gelösten und Lösungsmittelspezies bei verschiedenen Temperaturen aufgrund der Kontraktion / Expansion der Lösung unterschiedlich. Geeigneter für Berechnungen mit vielen kolligativen Eigenschaften sind Molbasierte Konzentrationseinheiten, deren Werte nicht temperaturabhängig sind. Zwei solcher Einheiten sind der Molenbruch (eingeführt im vorherigen Kapitel über Gase) und .die Molalität Der Molenbruch, X, einer Komponente ist das Verhältnis seiner molaren Menge zur Gesamtzahl der Mole aller :Lösungskomponenten XA = Mol A / Gesamtmol aller Komponenten Molalität ist eine Konzentrationseinheit, definiert als das Verhältnis der Molzahl des gelösten Stoffes zur Masse des :Lösungsmittels in Kilogramm m = Mol gelöster Stoff / kg Lösungsmittel Da diese Einheiten nur mit Massen und molaren Mengen berechnet werden, variieren sie nicht mit der Temperatur und sind daher besser für Anwendungen geeignet, die temperaturunabhängige Konzentrationen erfordern, einschließlich mehrerer kolligativer Eigenschaften, wie in .diesem Kapitelmodul beschrieben wird

Dampfdruckabsenkung Wie im Kapitel über Flüssigkeiten und Feststoffe beschrieben, ist der Gleichgewichtsdampfdruck einer Flüssigkeit der Druck, den ihre Gasphase ausübt, wenn Verdampfung und :Kondensation in gleichen Raten ablaufen flüssiges ⇌ Gas Das Auflösen einer nichtflüchtigen Substanz in einer flüchtigen Flüssigkeit führt zu einer Verringerung des Dampfdrucks der Flüssigkeit. Dieses Phänomen kann rationalisiert werden, indem der Effekt der zugesetzten gelösten Moleküle auf die Verdampfungs- und Kondensationsprozesse der Flüssigkeit berücksichtigt wird. Um zu verdampfen, müssen Lösungsmittelmoleküle an der Oberfläche der Lösung vorhanden sein. Die Anwesenheit von gelöstem Stoff verringert die für Lösungsmittelmoleküle verfügbare Oberfläche und verringert dadurch die Geschwindigkeit der Lösungsmittelverdampfung. Da die Kondensationsgeschwindigkeit durch die Anwesenheit von gelöstem Stoff nicht beeinflußt wird, ist das Nettoergebnis, daß das Verdampfungskondensationsgleichgewicht mit weniger Lösungsmittelmolekülen in der Dampfphase (d. H. Bei einem niedrigeren Dampfdruck) erreicht wird. Während diese kinetische Interpretation nützlich ist, berücksichtigt sie nicht mehrere wichtige Aspekte der kolligativen Natur der Dampfdrucksenkung. Eine genauere Erklärung beinhaltet die Eigenschaft der Entropie, ein Diskussionsthema in einem späteren Textkapitel zur Thermodynamik. Zum Verständnis des Absenkens des Dampfdrucks einer Flüssigkeit ist es

ausreichend, darauf hinzuweisen, dass die größere Entropie einer Lösung im Vergleich zu ihrem getrennten Lösungsmittel und gelösten Stoff dazu dient, die Lösungsmittelmoleküle wirksam zu stabilisieren und ihre Verdampfung zu verhindern. Es ergibt sich ein niedrigerer Dampfdruck und ein entsprechend höherer Siedepunkt, wie im nächsten Abschnitt dieses Moduls .beschrieben Die Beziehung zwischen den Dampfdrücken der Lösungskomponenten und den Konzentrationen dieser Komponenten wird durch das Raoult'sche Gesetz beschrieben: Der Partialdruck, der von irgendeiner Komponente einer idealen Lösung ausgeübt wird, ist gleich dem Dampfdruck der reinen Komponente multipliziert mit seinem Molanteil in der .Lösung PA = XAP∘A wo PA der Partialdruck ist, der von der Komponente A in der Lösung ausgeübt wird, ist P∘A der Dampfdruck von reinem A und XA ist der Molenbruch von A in der Lösung. (Die Molenfraktion ist eine im Kapitel über Gase eingeführte .(Konzentrationseinheit Unter Hinweis darauf, dass der Gesamtdruck einer gasförmigen Mischung gleich der Summe der Partialdrücke für alle seine Komponenten ist (Daltonsches Gesetz der Partialdrücke), ist der gesamte Dampfdruck, der von einer Lösung ausgeübt wird, die i Komponenten enthält P Lösung = ΣiPi = ΣiXiP∘i Eine nichtflüchtige Substanz ist eine Substanz, deren Dampfdruck vernachlässigbar ist (P ° ≈ 0), und so ist der

Dampfdruck oberhalb einer Lösung, die nur nichtflüchtige gelöste Stoffe enthält, nur auf das Lösungsmittel :zurückzuführen P Lösung = X Lösungsmittel P∘Lösungsmittel

Erhöhung des Siedepunktes eines Lösungsmittels Wie im Kapitel über Flüssigkeiten und Feststoffe beschrieben, ist der Siedepunkt einer Flüssigkeit die Temperatur, bei der ihr Dampfdruck dem atmosphärischen Umgebungsdruck entspricht. Da der Dampfdruck einer Lösung aufgrund der Anwesenheit von nichtflüchtigen gelösten Stoffen erniedrigt ist, liegt es nahe, dass der Siedepunkt der Lösung anschließend erhöht wird. Im Vergleich zu reinem Lösungsmittel erfordert eine Lösung daher eine höhere Temperatur, um einen gegebenen Dampfdruck zu erreichen, einschließlich eines Äquivalents zu dem der umgebenden Atmosphäre. Der Anstieg des Siedepunkts, der beobachtet wird, wenn nichtflüchtiger gelöster Stoff in einem Lösungsmittel, ΔTb, gelöst wird, wird als Siedepunktserhöhung bezeichnet und ist direkt proportional zur :molalen Konzentration der gelösten Spezies ΔTb = Kbm wobei Kb die Siedepunktserhöhungskonstante oder die ebullioskopische Konstante ist und m die Molalkonzentration .(Molalität) aller gelösten Spezies ist Siedepunktkonstanten sind charakteristische Eigenschaften, die .von der Identität des Lösungsmittels abhängen

Das Ausmaß, in dem der Dampfdruck eines Lösungsmittels gesenkt wird und der Siedepunkt erhöht wird, hängt von der Gesamtanzahl der gelösten Teilchen ab, die in einer gegebenen Menge an Lösungsmittel vorhanden sind, und nicht von der Masse oder Größe oder der chemischen Identität der Teilchen. Eine 1 m wässrige Lösung von Saccharose (342 g / mol) und eine 1 m wässrige Lösung von Ethylenglycol (62 g / mol) zeigen den gleichen Siedepunkt, weil jede Lösung ein Mol gelöster .Teilchen (Moleküle) pro Kilogramm Lösungsmittel aufweist

Destillation von Lösungen Destillation ist eine Technik zur Trennung der Komponenten von Gemischen, die sowohl im Labor als auch im industriellen Umfeld weit verbreitet ist. Es wird verwendet, um Erdöl zu raffinieren, Fermentationsprodukte zu isolieren und Wasser zu reinigen. Diese Trenntechnik beinhaltet das kontrollierte Erhitzen einer Probenmischung, um selektiv eine oder mehrere Komponenten von Interesse zu verdampfen, zu kondensieren .und zu sammeln Ölraffinerien verwenden eine großtechnische fraktionierte Destillation, um die Komponenten des Rohöls zu trennen. Das Rohöl wird an der Basis einer hohen Fraktionierkolonne auf hohe Temperaturen erhitzt, wobei viele der in der Kolonne aufsteigenden Komponenten verdampft werden. Da verdampfte Komponenten während ihres Aufstiegs ausreichend kühle Zonen erreichen, kondensieren sie und werden gesammelt. Die gesammelten Flüssigkeiten sind einfachere Gemische von Kohlenwasserstoffen und anderen Erdölverbindungen, die für verschiedene Anwendungen eine

geeignete Zusammensetzung haben (z. B. Dieselkraftstoff, .(Kerosin, Benzin

Depression des Gefrierpunktes eines Lösungsmittels Lösungen gefrieren bei niedrigeren Temperaturen als reine Flüssigkeiten. Dieses Phänomen wird in "Enteisungs" -Programmen ausgenutzt, die Salz, Calciumchlorid oder Harnstoff zum Schmelzen von Eis auf Straßen und Gehsteigen und bei der Verwendung von Ethylenglykol als "Frostschutzmittel" in Kraftfahrzeugheizkörpern verwenden. Meerwasser gefriert bei einer niedrigeren Temperatur als Süßwasser, und so bleiben die arktischen und antarktischen Ozeane auch bei Temperaturen unter 0°C ungefroren (ebenso wie die Körperflüssigkeiten von Fischen und anderen .(kaltblütigen Meerestieren, die in diesen Ozeanen leben Die Abnahme des Gefrierpunkts einer verdünnten Lösung im Vergleich zu der des reinen Lösungsmittels, ΔTf, wird Gefrierpunktserniedrigung genannt und ist direkt proportional zur molalen Konzentration des gelösten Stoffes ΔTf = Kfm wobei m die molale Konzentration des gelösten Stoffes ist und Kf die Gefrierpunktserniedrigungskonstante (oder kryoskopische Konstante) genannt wird. Wie bei den Siedepunktskonstanten sind dies charakteristische Eigenschaften, deren Werte von der chemischen Identität des .Lösungsmittels abhängen...