Depresia punctului de îngheț

Depresia punctului de îngheț  ( GPE ) (de asemenea, depresia punctului de topire  ( SPE ) sau depresiunea punctului de topire  ( SPD )) descrie fenomenul conform căruia punctul de topire a soluțiilor este mai mic decât punctul de topire al solvenților lichizi puri .

definiție

Pentru soluțiile diluate , depresiunea punctului de îngheț este proporțională cu molalitatea b a particulelor substanței dizolvate (adică concentrația tuturor particulelor dizolvate din substanță în moli pe  kilogram de solvent și nu concentrația inițială a  substanței): ${\ displaystyle \ Delta T}$ 

${\ displaystyle \ Delta T = E_ {n} \ cdot b}$

Punctul de îngheț pe mol de substanță dizolvată pe kilogram de solvent este redus cu o valoare specifică solventului.

Când se calculează molalitatea substanțelor dizolvate, trebuie remarcat faptul că z. B. Se disociază sărurile într-o soluție apoasă . Sarea de masă  (NaCI) se descompune de ex. B. în ionii Na ⁺ și Cl ^- . 1 mol de clorură de sodiu produce 2 mol de particule, iar această valoare trebuie luată în considerare în ecuația de mai sus. Acest lucru se face prin înmulțirea cu factorul Van 't Hoff , care indică în câte particule se dizolvă în medie solutul: ${\ displaystyle i}$

${\ displaystyle \ Delta T = E_ {n} \ cdot b \ cdot i}$

${\ displaystyle E_ {n}}$este constanta crioscopica , care depinde doar de solvent si nu de substanta dizolvata (cu apa ca solvent, aceasta valoare este 1,86 ( K kg) / mol). Poate fi din legea lui Raoult și din ecuația Clausius-Clapeyron derivată din

${\ displaystyle E_ {n} = R {\ frac {T_ {g} ^ {2}} {L_ {S}}}}$,

Cu

• constanta gazului = 8.314472 J / (mol K)${\ displaystyle R}$
• punctul de congelare al solventului în K${\ displaystyle T_ {g}}$
• entalpia specific de fuziune a solventului în J / kg.${\ displaystyle L_ {S}}$

Această relație se aplică numai soluțiilor foarte diluate (concentrații <0,1 mol / L ); activitatea ionilor și a apei trebuie luată în considerare pentru soluții mai concentrate . Soluțiile foarte concentrate au, de asemenea, un punct triplu în care soluția de sare îngheață, înainte ca soluția să înghețe din soluție, soluția este din ce în ce mai concentrată.

Deoarece punctul de îngheț scade cu exact 1,86 K de fiecare dată când dizolvați un mol de particule într-un kilogram de apă, diferența de temperatură asociată se mai numește și coborârea molară a punctului de îngheț . Acest efect este independent de tipul de solut, este o proprietate coligativă .

Punctul de fierbere al soluțiilor depinde, de asemenea, de molalitatea sau concentrația substanțelor dizolvate; crește . Se vorbește aici despre o creștere a punctului de fierbere molar . Cauza acestor efecte este scăderea potențialului chimic al soluției în comparație cu solventul pur datorită entropiei de amestecare .

Exemple

fundal

În plus față de creșterea punctului de fierbere, scăderea punctului de îngheț este o altă consecință legată de presiunea redusă de vapori a soluțiilor.

Dacă un amestec lichid de substanță solidă A și solvent B este în echilibru cu substanța solidă A , rezultatul (cu ca potențial chimic ) Se aplică în continuare diferențialelor . ${\ displaystyle \ mu _ {A, l} = \ mu _ {A, s}}$${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle \ mathrm {d} \ mu _ {A, l} = \ mathrm {d} \ mu _ {A, s}}$

Indicele indică faza lichidă, în timp ce faza solidă indică. Diferențialele totale pot fi setate din ecuația de mai sus : ${\ displaystyle l}$${\ displaystyle s}$

${\ displaystyle V_ {A, l} \ cdot \ mathrm {d} p-S_ {A, l} \ cdot \ mathrm {d} T + R \ cdot T \ cdot \ mathrm {d} \ ln x_ {A} = V_ {A, s} \ cdot \ mathrm {d} p-S_ {A, s} \ cdot \ mathrm {d} T}$

unde este fracția molară a solutului în solvent. Dacă lucrați la presiune constantă , ecuația ia forma simplificată: ${\ displaystyle x}$

${\ displaystyle (S_ {A, l} -S_ {A, s}) \ mathrm {d} T = R \ cdot T \ cdot \ mathrm {d} \ ln x_ {A}}$

Diferența dintre entropia solidului și starea lichidă ( ) corespunde molar entropia de fuziune a substanței A . Această dimensiune poate fi descrisă ca. ${\ displaystyle S_ {A, l} -S_ {A, s}}$${\ displaystyle \ Delta H _ {\ text {Schm.}} / T _ {\ text {Schm.}}}$

Depresia punctului de îngheț Δ T într-o diagramă p , T

La fel ca temperatura punctului de topire se referă la faza solidă pură. Dacă introduceți această relație în ecuația de mai sus și vă integrați între limitele temperaturilor și T sau 1 și fracția molară , rezultatul este: ${\ displaystyle T _ {\ text {Schm.}}}$${\ displaystyle T _ {\ text {Schm.}}}$${\ displaystyle x_ {A}}$

${\ displaystyle \ int _ {T} ^ {T _ {\ text {Schm.}}} {\ frac {\ Delta H _ {\ text {Schm.}}} {R \ cdot T ^ {2}}} \ mathrm {d} T = \ int _ {1} ^ {x_ {A}} \ mathrm {d} \ ln x_ {A}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta H _ {\ text {Schm.}}} {R}} \ cdot \ left [{\ frac {1} {T}} - {\ frac {1} {T _ { \ text {Schm.}}}} \ Right] = \ ln x_ {A}}$

cu și și obții ecuația ${\ displaystyle x_ {A} = 1-x_ {B}}$${\ displaystyle \ lim _ {x_ {B} \ rightarrow 0} ^ {} \ ln (1-x_ {B}) = - x_ {B}}$${\ displaystyle T _ {\ text {Schm.}} - T = \ Delta T}$

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta H _ {\ text {Schm.}}} {R}} \ cdot {\ frac {\ Delta T} {T \ cdot T _ {\ text {Schm.}}}} = x_ {B}}$

Înlocuirea cu , unde și sau este, la introducerea molalităților duce la următoarele ecuații (cu T · T ≈ T ): ${\ displaystyle x_ {B}}$${\ displaystyle {\ frac {n_ {B}} {n}}}$${\ displaystyle n \ approx n_ {A}}$${\ displaystyle n_ {B} = {\ frac {m_ {B}} {M_ {B}}}}$${\ displaystyle n_ {A} = {\ frac {m_ {A}} {M_ {A}}}}$${\ displaystyle _ {s}}$${\ displaystyle _ {s} ^ {2}}$

${\ displaystyle \ Delta T = K _ {\ text {kry}} \ cdot {\ frac {m_ {B}} {M_ {B} \ cdot m_ {A}}}}$

Cu

${\ displaystyle K _ {\ text {kry}} = {\ frac {M_ {A} \ cdot R \ cdot T _ {\ text {Schm.}} ^ {2}} {\ Delta H _ {\ text { Schm.}}}}}$

Prin transformarea ecuației, se poate determina masa molară a substanței dizolvate din scăderea observată a punctului de îngheț. Se aplică următoarele:

${\ displaystyle M_ {B} = K _ {\ text {kry.}} \ cdot {\ frac {m_ {B}} {m_ {A} \ cdot \ Delta T}} = {\ frac {M_ {A} \ cdot R \ cdot T _ {\ text {Schm.}} ^ {2}} {\ Delta H _ {\ text {Schm.}}}} \ cdot {\ frac {m_ {B}} {m_ {A } \ cdot \ Delta T}}}$

Aplicații

• Există o aplicație practică de scădere a punctului de îngheț în timpul iernii, când sarea de dezghețare ( clorură de sodiu ) este aplicată pe suprafețele de gheață și zăpadă atunci când temperatura este sub zero . O soluție salină saturată are un punct de îngheț de -21 ° C, dizolvând sarea rezultă o soluție salină lichidă, gheața se dezgheță.
• Amestecurile de sare pentru masă cu gheață sunt utilizate pentru a produce un amestec rece (într-un laborator chimic sau mai devreme în producția de înghețată ). Căldura de fuziune este extrasă din amestecul de sare de masă, gheață și apă, iar amestecul se răcește.
• Adăugarea criolitului reduce temperatura de topire a oxidului de aluminiu în producția de aluminiu utilizând procesul Hall-Héroult .
• Masa moleculară a substanței dizolvate poate fi determinată de la scăderea punctului de îngheț . Procedura de măsurare pentru aceasta se numește crioscopie . Această metodă de determinare a masei molare utilizat pentru a fi utilizat pe scară largă în organică și chimie anorganică atunci când a venit la determinarea masei molare a nou sintetizate sau izolate compuși . În acest scop, sunt selectați solvenți, dacă este posibil, care au o constantă crioscopică mare. În zilele noastre, masa molară este de obicei determinată prin spectrometrie de masă .

Link-uri web

• Video: Crioscopie și ebullioscopie ca proprietăți colective - O soluție fierbe și îngheață mai târziu decât solventul pur . Jakob Günter Lauth (SciFox) 2013, pus la dispoziție de Biblioteca de informații tehnice (TIB), doi : 10.5446 / 15677 .