สารละลาย — ความเข้มข้น สมบัติคอลลิเกทีฟ และกฎของราอูลต์

สารละลายในเคมีคือสารผสมเนื้อเดียวของตัวถูกละลายและตัวทำละลาย คำถามส่วนใหญ่เกี่ยวกับสารละลายจึงมักย่อได้เหลือ 3 แนวคิด คือ มีตัวถูกละลายอยู่มากแค่ไหน วัดปริมาณนั้นอย่างไร และอนุภาคที่ละลายอยู่เปลี่ยนพฤติกรรมของตัวทำละลายอย่างไร

ตรงนี้เองที่ความเข้มข้น สมบัติคอลลิเกทีฟ และกฎของราอูลต์เชื่อมโยงกัน ความเข้มข้นบอกว่าคุณมีตัวถูกละลายมากเท่าใด สมบัติคอลลิเกทีฟติดตามผลที่ขึ้นกับจำนวนอนุภาคเป็นหลัก ส่วนกฎของราอูลต์เชื่อมเศษส่วนโมลกับความดันไอเมื่อสารละลายมีพฤติกรรมใกล้เคียงอุดมคติ

สารละลายในเคมีคืออะไร

ในสารละลาย ตัวถูกละลาย คือสารที่ถูกละลาย และ ตัวทำละลาย คือองค์ประกอบที่ทำหน้าที่ละลาย ตัวอย่างมาตรฐานคือน้ำเกลือ โดยเกลือเป็นตัวถูกละลายและน้ำเป็นตัวทำละลาย

ลักษณะสำคัญคือความสม่ำเสมอ ถ้าตัวอย่างนั้นเป็นสารละลายจริง ส่วนย่อยเล็ก ๆ ส่วนหนึ่งจะมีองค์ประกอบเหมือนกับอีกส่วนย่อยเล็ก ๆ ภายใต้สภาวะปกติ นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมสารละลายจึงต่างจากสารแขวนลอยหรือสารผสมที่แยกเป็นชั้น

วัดความเข้มข้นอย่างไร

ความเข้มข้นไม่ได้มีสูตรเดียว แต่เป็นกลุ่มของวิธีที่ใช้อธิบายว่ามีตัวถูกละลายอยู่มากเท่าใดเมื่อเทียบกับปริมาณอ้างอิงที่เลือก

มี 3 หน่วยวัดที่สำคัญบ่อยในเคมีสารละลาย:

• โมลาริตี ซึ่งใช้ลิตรของสารละลาย
• โมแลลิตี ซึ่งใช้กิโลกรัมของตัวทำละลาย
• เศษส่วนโมล ซึ่งใช้จำนวนโมลขององค์ประกอบหนึ่งหารด้วยจำนวนโมลรวม

ตัวส่วนสำคัญกว่าที่นักเรียนหลายคนคาดไว้ โมลาริตีมีประโยชน์เมื่อโจทย์ให้ปริมาตรของสารละลายมา โมแลลิตีมักใช้กับการเพิ่มขึ้นของจุดเดือดและการลดลงของจุดเยือกแข็ง ส่วนเศษส่วนโมลคือหน่วยความเข้มข้นที่ปรากฏโดยตรงในกฎของราอูลต์

ทำไมสมบัติคอลลิเกทีฟจึงขึ้นกับจำนวนอนุภาค

สมบัติคอลลิเกทีฟคือสมบัติของสารละลายที่ขึ้นกับจำนวนอนุภาคที่ละลายเป็นหลัก ไม่ได้ขึ้นกับชนิดทางเคมีของอนุภาคนั้นเป็นหลัก ในเคมีระดับต้น แนวคิดนี้ใช้ได้ดีที่สุดกับสารละลายเจือจาง และต้องระวังมากขึ้นเมื่อสารละลายเบี่ยงเบนจากอุดมคติอย่างมาก

สมบัติคอลลิเกทีฟมาตรฐาน 4 อย่างคือ:

• การลดลงของความดันไอ
• การเพิ่มขึ้นของจุดเดือด
• การลดลงของจุดเยือกแข็ง
• ความดันออสโมซิส

แนวคิดพื้นฐานเข้าใจได้จากการใช้งานจริง อนุภาคที่ละลายอยู่รบกวนพฤติกรรมปกติของตัวทำละลายบริสุทธิ์ ผลคือสารละลายมักมีความดันไอต่ำกว่าตัวทำละลายบริสุทธิ์ การเปลี่ยนแปลงนี้ช่วยอธิบายได้ว่าทำไมจุดเดือดจึงสูงขึ้นและจุดเยือกแข็งจึงต่ำลง

ถ้าสารละลายสองชนิดมีตัวทำละลายเหมือนกันและมีความเข้มข้นของอนุภาคเท่ากัน ก็มักจะแสดงผลคอลลิเกทีฟคล้ายกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ถ้าตัวถูกละลายชนิดหนึ่งให้จำนวนอนุภาคในสารละลายมากกว่าอีกชนิด ผลก็อาจมากกว่าได้ นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมอิเล็กโทรไลต์ที่ละลายอยู่มักทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมากกว่าสารที่ไม่เป็นอิเล็กโทรไลต์เมื่อมีปริมาณตัวถูกละลายเท่ากัน

กฎของราอูลต์เชื่อมเศษส่วนโมลกับความดันไออย่างไร

กฎของราอูลต์เป็นแบบจำลองตั้งต้นที่ง่ายและชัดเจนที่สุดสำหรับความดันไอในสารละลายอุดมคติ

สำหรับกรณีทั่วไปที่ตัวถูกละลายไม่ระเหยละลายในตัวทำละลายที่ระเหยได้

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

ในที่นี้ $X_{\text{solvent}}$ คือเศษส่วนโมลของตัวทำละลาย และ $P^0_{\text{solvent}}$ คือความดันไอของตัวทำละลายบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเดียวกัน

สมการนี้บอกสิ่งง่าย ๆ อย่างหนึ่งว่า ถ้าตัวทำละลายมีสัดส่วนในของเหลวน้อยลง ก็จะมีโมเลกุลของตัวทำละลายที่ผิวหน้าพร้อมหลุดออกไปสู่สถานะไอน้อยลง ดังนั้นความดันไอจึงลดลง

ถ้าทั้งสององค์ประกอบระเหยได้และสารละลายมีพฤติกรรมอุดมคติ กฎของราอูลต์จะถูกใช้แยกกับแต่ละองค์ประกอบ แต่สำหรับโจทย์เคมีพื้นฐานส่วนใหญ่ แบบที่ตัวถูกละลายไม่ระเหยมักเป็นกรณีที่สำคัญที่สุด

ตัวอย่างทำ: ใช้กฎของราอูลต์

สมมติว่าสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายมีเศษส่วนโมลของตัวทำละลายเป็น

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

และน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเดียวกันมีความดันไอเป็น

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

ถ้าตัวถูกละลายที่ละลายอยู่ไม่ระเหย และถือว่าสารละลายเป็นอุดมคติ กฎของราอูลต์ให้ว่า

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

ดังนั้นความดันไอของสารละลายจึงมีค่าประมาณ

$$21.4\ \mathrm{torr}$$

การลดลงของความดันไอคือผลต่างระหว่างตัวทำละลายบริสุทธิ์กับสารละลาย:

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

นี่คือแนวคิดเคมีสำคัญ เศษส่วนโมลของตัวทำละลายที่ต่ำลงหมายถึงความดันไอที่ต่ำลงด้วย ทิศทางการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกันนี้ยังช่วยอธิบายได้ว่าทำไมสารละลายจึงอาจมีจุดเดือดสูงขึ้นและจุดเยือกแข็งต่ำลง

แนวคิดทั้งสามเชื่อมกันอย่างไร

ถ้าคุณต้องการภาพรวมสั้น ๆ ที่จำได้ง่าย ให้ใช้แบบนี้:

• ความเข้มข้นบอกว่ามีตัวถูกละลายอยู่มากเท่าใด
• เศษส่วนโมลคือหน่วยความเข้มข้นที่เข้าสู่กฎของราอูลต์โดยตรง
• จำนวนอนุภาคเป็นตัวกำหนดผลคอลลิเกทีฟ

ดังนั้นทั้งสามเรื่องนี้ไม่ใช่หัวข้อแยกจากกัน แต่เป็น 3 มุมมองของระบบเดียวกัน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในเคมีสารละลาย

คิดว่าหน่วยความเข้มข้นทุกแบบใช้แทนกันได้

จริง ๆ แล้วใช้แทนกันไม่ได้ กฎของราอูลต์ใช้เศษส่วนโมล ความสัมพันธ์หลายแบบของจุดเยือกแข็งและจุดเดือดใช้โมแลลิตี ส่วนโจทย์ที่เกี่ยวกับการเตรียมสารละลายอาจใช้โมลาริตี

ลืมเงื่อนไขที่อยู่เบื้องหลังการใช้ทางลัด

กฎของราอูลต์ให้ผลแม่นตรงเฉพาะเมื่อพฤติกรรมเป็นอุดมคติตามรูปแบบที่กำลังใช้ ความสัมพันธ์สมบัติคอลลิเกทีฟแบบง่ายที่สุดก็ใช้ได้ดีที่สุดกับสารละลายเจือจางเช่นกัน ถ้าสารละลายเข้มข้นหรือไม่เป็นอุดมคติอย่างมาก ทางลัดนั้นอาจเป็นเพียงค่าประมาณ

สับสนระหว่างจำนวนอนุภาคกับจำนวนโมลของหน่วยสูตร

กลูโคสที่ละลาย 1 โมลจะให้อนุภาคประมาณ 1 โมลในแบบจำลองที่ง่ายที่สุด แต่สารอิเล็กโทรไลต์ที่ละลาย 1 โมลอาจให้อนุภาคมากกว่า ถ้ามันแตกตัว นั่นทำให้ขนาดของผลคอลลิเกทีฟเปลี่ยนไป

คิดว่าตัวถูกละลายทุกชนิดไม่ระเหย

ภาพความดันไอแบบง่ายที่สุดตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าตัวถูกละลายไม่ส่งผลต่อไออย่างมีนัยสำคัญ ถ้าทั้งสององค์ประกอบระเหยได้ แบบจำลองต้องระบุอย่างระมัดระวังมากขึ้น

เคมีสารละลายถูกใช้ที่ไหน

คุณใช้เคมีสารละลายในงานเตรียมสารในห้องปฏิบัติการ โจทย์จุดเยือกแข็งและจุดเดือด ออสโมซิส ตัวอย่างสารป้องกันการแข็งตัว การอธิบายความดันไอ และระบบชีวภาพหรือสิ่งแวดล้อมจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับสารที่ละลายอยู่

นอกจากนี้ยังช่วยจัดระเบียบหัวข้อเคมีอื่น ๆ ได้ด้วย การละลายได้บอกว่าสารละลายสามารถเกิดขึ้นได้หรือไม่ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ความเข้มข้นบอกว่าละลายอยู่มากเท่าใด และสมบัติคอลลิเกทีฟบอกว่าพฤติกรรมของตัวทำละลายเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อมีสารละลายเกิดขึ้นแล้ว

ลองทำโจทย์เคมีสารละลายที่คล้ายกัน

เปลี่ยนตัวอย่างทำโดยให้เศษส่วนโมลของตัวทำละลายเป็น $0.85$ แทน $0.90$ ขณะที่ความดันไอของตัวทำละลายบริสุทธิ์ยังคงเดิม จงคำนวณความดันไอใหม่ แล้วอธิบายเป็น 1 ประโยคว่าทำไมความดันจึงเปลี่ยนไปในทิศทางนั้น

ถ้าต้องการอีกกรณีหนึ่ง ลองสร้างโจทย์ของคุณเองเกี่ยวกับการลดลงของจุดเยือกแข็งหรือการแปลงหน่วยความเข้มข้น แล้วเปรียบเทียบว่าโจทย์นั้นต้องใช้หน่วยความเข้มข้นแบบใดจริง ๆ