Διαλύματα — Συγκέντρωση, Συλλιγικές Ιδιότητες και Νόμος του Raoult

Ένα διάλυμα στη χημεία είναι ένα ομογενές μείγμα διαλυμένης ουσίας και διαλύτη. Τα περισσότερα ερωτήματα για διαλύματα καταλήγουν σε τρεις ιδέες: πόση διαλυμένη ουσία υπάρχει, πώς μετριέται αυτή η ποσότητα και πώς τα διαλυμένα σωματίδια αλλάζουν τη συμπεριφορά του διαλύτη.

Εδώ συνδέονται η συγκέντρωση, οι συλλιγικές ιδιότητες και ο νόμος του Raoult. Η συγκέντρωση δείχνει πόση διαλυμένη ουσία έχεις. Οι συλλιγικές ιδιότητες περιγράφουν φαινόμενα που εξαρτώνται κυρίως από τον αριθμό των σωματιδίων. Ο νόμος του Raoult συνδέει το μοριακό κλάσμα με την τάση ατμών όταν το διάλυμα είναι κοντά στο ιδανικό.

Τι Είναι Ένα Διάλυμα Στη Χημεία

Σε ένα διάλυμα, η διαλυμένη ουσία είναι η ουσία που διαλύεται και ο διαλύτης είναι το συστατικό που προκαλεί τη διάλυση. Το αλατόνερο είναι το κλασικό παράδειγμα: το αλάτι είναι η διαλυμένη ουσία και το νερό είναι ο διαλύτης.

Το βασικό χαρακτηριστικό είναι η ομοιομορφία. Αν το δείγμα είναι πραγματικά διάλυμα, ένα μικρό μέρος του έχει την ίδια σύσταση με οποιοδήποτε άλλο μικρό μέρος του, υπό συνήθεις συνθήκες. Γι’ αυτό ένα διάλυμα διαφέρει από ένα αιώρημα ή από ένα στρωματοποιημένο μείγμα.

Πώς Μετριέται Η Συγκέντρωση

Η συγκέντρωση δεν είναι ένας μόνο τύπος. Είναι μια οικογένεια τρόπων για να περιγράψεις πόση διαλυμένη ουσία υπάρχει σε σχέση με μια επιλεγμένη ποσότητα αναφοράς.

Τρία μεγέθη εμφανίζονται συχνά στη χημεία διαλυμάτων:

• η μοριακότητα, που χρησιμοποιεί λίτρα διαλύματος
• η μοριαλότητα, που χρησιμοποιεί χιλιόγραμμα διαλύτη
• το μοριακό κλάσμα, που χρησιμοποιεί τα mol ενός συστατικού διαιρεμένα με τα συνολικά mol

Ο παρονομαστής έχει μεγαλύτερη σημασία απ’ ό,τι περιμένουν πολλοί μαθητές. Η μοριακότητα είναι χρήσιμη όταν το πρόβλημα δίνει όγκο διαλύματος. Η μοριαλότητα χρησιμοποιείται συχνά στην ανύψωση του σημείου ζέσεως και στην ταπείνωση του σημείου πήξεως. Το μοριακό κλάσμα είναι η μονάδα συγκέντρωσης που εμφανίζεται άμεσα στον νόμο του Raoult.

Γιατί Οι Συλλιγικές Ιδιότητες Εξαρτώνται Από Τον Αριθμό Των Σωματιδίων

Οι συλλιγικές ιδιότητες είναι ιδιότητες διαλυμάτων που εξαρτώνται κυρίως από τον αριθμό των διαλυμένων σωματιδίων και όχι κυρίως από τη χημική τους ταυτότητα. Στην εισαγωγική χημεία, αυτή η ιδέα λειτουργεί καλύτερα για αραιά διαλύματα και χρειάζεται περισσότερη προσοχή όταν τα διαλύματα αποκλίνουν έντονα από το ιδανικό.

Οι τέσσερις βασικές συλλιγικές ιδιότητες είναι:

• ελάττωση της τάσης ατμών
• ανύψωση του σημείου ζέσεως
• ταπείνωση του σημείου πήξεως
• ωσμωτική πίεση

Η βασική διαίσθηση είναι πρακτική. Τα διαλυμένα σωματίδια διαταράσσουν τη συνηθισμένη συμπεριφορά του καθαρού διαλύτη. Ως αποτέλεσμα, το διάλυμα έχει συνήθως μικρότερη τάση ατμών από τον καθαρό διαλύτη. Αυτή η μεταβολή βοηθά να εξηγηθεί γιατί το σημείο ζέσεως αυξάνεται και το σημείο πήξεως μειώνεται.

Αν δύο διαλύματα έχουν τον ίδιο διαλύτη και την ίδια συγκέντρωση σωματιδίων, τείνουν να εμφανίζουν παρόμοια συλλιγικά φαινόμενα στις ίδιες συνθήκες. Αν μια διαλυμένη ουσία παράγει περισσότερα σωματίδια στο διάλυμα από μια άλλη, το φαινόμενο μπορεί να είναι εντονότερο. Γι’ αυτό οι διαλυμένοι ηλεκτρολύτες συχνά προκαλούν μεγαλύτερες μεταβολές από τους μη ηλεκτρολύτες για την ίδια ποσότητα διαλυμένης ουσίας.

Πώς Ο Νόμος Του Raoult Συνδέει Το Μοριακό Κλάσμα Με Την Τάση Ατμών

Ο νόμος του Raoult είναι το πιο καθαρό αρχικό μοντέλο για την τάση ατμών σε ένα ιδανικό διάλυμα.

Για τη συνηθισμένη περίπτωση μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας σε έναν πτητικό διαλύτη,

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

Εδώ, $X_{\text{solvent}}$ είναι το μοριακό κλάσμα του διαλύτη και $P^0_{\text{solvent}}$ είναι η τάση ατμών του καθαρού διαλύτη στην ίδια θερμοκρασία.

Αυτή η εξίσωση λέει κάτι απλό: αν ο διαλύτης αποτελεί μικρότερο κλάσμα του υγρού, λιγότερα μόρια διαλύτη είναι διαθέσιμα στην επιφάνεια για να διαφύγουν στην αέρια φάση, οπότε η τάση ατμών μειώνεται.

Αν και τα δύο συστατικά είναι πτητικά και το διάλυμα συμπεριφέρεται ιδανικά, ο νόμος του Raoult εφαρμόζεται ξεχωριστά για κάθε συστατικό. Όμως στα περισσότερα πρώτα προβλήματα χημείας, η εκδοχή με τη μη πτητική διαλυμένη ουσία είναι αυτή που έχει τη μεγαλύτερη σημασία.

Λυμένο Παράδειγμα: Χρήση Του Νόμου Του Raoult

Έστω ότι ένα υδατικό διάλυμα έχει μοριακό κλάσμα διαλύτη

$$X_{\text{water}} = 0.90$$

και ότι το καθαρό νερό στην ίδια θερμοκρασία έχει τάση ατμών

$$P^0_{\text{water}} = 23.8\ \mathrm{torr}$$

Αν η διαλυμένη ουσία είναι μη πτητική και το διάλυμα θεωρείται ιδανικό, ο νόμος του Raoult δίνει

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{water}} P^0_{\text{water}} = (0.90)(23.8) = 21.42\ \mathrm{torr}$$

Άρα η τάση ατμών του διαλύματος είναι περίπου

$$21.4\ \mathrm{torr}$$

Η ελάττωση της τάσης ατμών είναι η διαφορά ανάμεσα στον καθαρό διαλύτη και στο διάλυμα:

$$\Delta P = 23.8 - 21.4 = 2.4\ \mathrm{torr}$$

Αυτή είναι η βασική χημική ιδέα. Μικρότερο μοριακό κλάσμα διαλύτη σημαίνει μικρότερη τάση ατμών. Η ίδια κατεύθυνση μεταβολής βοηθά να εξηγηθεί γιατί τα διαλύματα μπορούν να εμφανίζουν ανύψωση του σημείου ζέσεως και ταπείνωση του σημείου πήξεως.

Πώς Ταιριάζουν Μεταξύ Τους Οι Τρεις Ιδέες

Αν θέλεις μια σύντομη εικόνα για να θυμάσαι, κράτησε αυτό:

• η συγκέντρωση δείχνει πόση διαλυμένη ουσία υπάρχει
• το μοριακό κλάσμα είναι το μέτρο συγκέντρωσης που μπαίνει άμεσα στον νόμο του Raoult
• ο αριθμός των σωματιδίων καθορίζει τα συλλιγικά φαινόμενα

Άρα δεν πρόκειται για τρία ξεχωριστά θέματα. Είναι τρεις οπτικές του ίδιου συστήματος.

Συνηθισμένα Λάθη Στη Χημεία Διαλυμάτων

Να Θεωρείς Όλες Τις Μονάδες Συγκέντρωσης Εναλλάξιμες

Δεν είναι εναλλάξιμες. Ο νόμος του Raoult χρησιμοποιεί μοριακό κλάσμα. Πολλές σχέσεις για το σημείο πήξεως και το σημείο ζέσεως χρησιμοποιούν μοριαλότητα. Ένα πρόβλημα που αφορά παρασκευή διαλύματος μπορεί να χρησιμοποιεί μοριακότητα.

Να Ξεχνάς Τις Συνθήκες Πίσω Από Τη Συντόμευση

Ο νόμος του Raoult είναι ακριβής μόνο για ιδανική συμπεριφορά στη μορφή που χρησιμοποιείται. Οι απλούστερες σχέσεις των συλλιγικών ιδιοτήτων λειτουργούν επίσης καλύτερα για αραιά διαλύματα. Αν το διάλυμα είναι συμπυκνωμένο ή πολύ μη ιδανικό, η συντόμευση μπορεί να είναι μόνο προσεγγιστική.

Να Συγχέεις Τον Αριθμό Σωματιδίων Με Την Ποσότητα Μονάδων Τύπου

Ένα mol διαλυμένης γλυκόζης δίνει περίπου ένα mol σωματιδίων στο απλούστερο μοντέλο. Ένα mol διαλυμένου ηλεκτρολύτη μπορεί να οδηγήσει σε περισσότερα σωματίδια αν διασπάται. Αυτό αλλάζει το μέγεθος ενός συλλιγικού φαινομένου.

Να Υποθέτεις Ότι Κάθε Διαλυμένη Ουσία Είναι Μη Πτητική

Η απλούστερη εικόνα για την τάση ατμών υποθέτει ότι η διαλυμένη ουσία δεν συμβάλλει σημαντικά στους ατμούς. Αν και τα δύο συστατικά εξατμίζονται, το μοντέλο πρέπει να διατυπωθεί πιο προσεκτικά.

Πού Χρησιμοποιείται Η Χημεία Διαλυμάτων

Χρησιμοποιείς τη χημεία διαλυμάτων στην εργαστηριακή παρασκευή, σε προβλήματα σημείου πήξεως και σημείου ζέσεως, στην όσμωση, σε παραδείγματα αντιψυκτικών, στη μελέτη της τάσης ατμών και σε πολλά βιολογικά ή περιβαλλοντικά συστήματα που περιλαμβάνουν διαλυμένες ουσίες.

Βοηθά επίσης να οργανώσεις και άλλα θέματα χημείας. Η διαλυτότητα δείχνει αν μπορεί να σχηματιστεί ένα διάλυμα σε δεδομένες συνθήκες. Η συγκέντρωση δείχνει πόσο έχει διαλυθεί. Οι συλλιγικές ιδιότητες δείχνουν πώς αλλάζει η συμπεριφορά του διαλύτη αφού υπάρξει το διάλυμα.

Δοκίμασε Ένα Παρόμοιο Πρόβλημα Χημείας Διαλυμάτων

Άλλαξε το λυμένο παράδειγμα ώστε το μοριακό κλάσμα του διαλύτη να είναι $0.85$ αντί για $0.90$, ενώ η τάση ατμών του καθαρού διαλύτη να παραμένει ίδια. Υπολόγισε τη νέα τάση ατμών και μετά εξήγησε με μία πρόταση γιατί η πίεση άλλαξε προς αυτή την κατεύθυνση.

Αν θέλεις άλλη περίπτωση, δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με ταπείνωση του σημείου πήξεως ή με μετατροπές συγκέντρωσης και σύγκρινε ποια μονάδα συγκέντρωσης χρειάζεται πραγματικά το πρόβλημα.