Back to chapter

12.8:

הנמכת לחץ אדים

JoVE 核
化学
需要订阅 JoVE 才能查看此.  登录或开始免费试用。
JoVE 核 化学
Vapor Pressure Lowering

Languages

分享

כמה ממאפייני תמיסה תלויים בסוג המומס. תמיסה מימית של חומצה הידרוכלורית הופכת נייר pH לאדום, ואילו תמיסת נתרן הידרוקסיד הופכת אותו לכחול. מאפיינים אחרים של תמיסות תלויים רק בריכוז או במספר החלקים של המומס ולא בסוג המומס.תכונות אלה נקראות תכונות קולגטיביות. תכונה אחת כזאת היא לחץ אדים של תמיסה. לחץ האדים של נוזל הוא הלחץ של גז מעל הנוזל כתוצאה מאידוי כשהנוזל והגז נמצאים בשיווי-משקל דינמי בתוך מכל סגור.לחץ האדים של תמיסה תמיד חלש מזה של הממס הטהור. חשבו על תמיסה שעשויה ממומס שאינו נדיף, כזה שלא ניתן למדוד עבורו את לחץ האדים, המומס בממס נדיף. בממס טהור, כל פני השטח של הנוזל עשוי מחלקיקי הממס.חלק מהחלקיקים האלה בורחים למצב גז ויוצרים אדים, בעוד שחלק ממולקולות הגז שלמעלה מתעבות בחזרה למצב נוזלי. כשקצב האידוי שווה לקצב העיבוי, החומר מגיע לשיווי-משקל דינמי. בתמיסה, בפני השטח של הנוזל יש גם חלקיקי מומס וגם חלקיקי ממס.לכן, כמות קטנה יותר של חלקיקי הממס שעל פני השטח יכולה להתאדות. קצב העיבוי יורד כדי ליצור מחדש את שיווי המשקל הדינמי ככל שקצב האידוי יורד, כעת עם ריכוז נמוך יותר של חלקיקי ממס במצב הגזי. ניתן לחשב את לחץ האדים של תמיסה על ידי חוק ראולט, הקובע כי הלחץ החלקי של תמיסה שווה לשבר המולי של הממס, כי״כפול לחץ האדים של הממס הטהור, P לדוגמה, תמיסה מכילה 1.5 מול של מומס לא נדיף כגון גליצרול ו-3.5 מול מים ב-25 מעלות צלזיוס.השבר המולי של הממס הוא 0.70 ולחץ האדים של מים טהורים הוא 23.8 טור. את לחץ האדים של התמיסה ניתן לחשב באמצעות חוק ראול כ-16.7 טור, 70 אחוז מלחץ האדים של הממס הטהור. גם משוואה להפחתת לחץ אדים, ΔP, יכולה לנבוע מחוק ראול.כיוון שהשבר המולי של הממס שווה ל-1 פחות השבר המולי של המומס, ניתן להציב אותו בחוק ראול. ניתן להשתמש בזה כדי ליצור משוואה שבה הפחתת לחץ אדים היא פרופורציונלית באופן ישיר לשבר המולי של המומס. אם ניזכר בדוגמה הקודמת, שהשבר המולי של מומס הוא 1 פחות השבר המולי של הממס.הצבת הערך תיתן את השבר המולי של המומס שהוא 0.3. בהתחשב בכך שלחץ האדים של מים טהורים הוא 23.8 טור, ניתן לחשב את הפחתת לחץ האדים כ-7.14 טור. באמצעות חיבור של ΔP ולחץ האדים של התמיסה, מתקבל לחץ האדים של הממס הטהור.

12.8:

הנמכת לחץ אדים

The equilibrium vapor pressure of a liquid is the pressure exerted by its gaseous phase when vaporization and condensation are occurring at equal rates:

 Eq1

Dissolving a nonvolatile substance in volatile liquid results in a lowering of the liquid’s vapor pressure. This phenomenon can be explained by considering the effect of added solute molecules on the liquid's vaporization and condensation processes. To vaporize, solvent molecules must be present at the surface of the solution. The presence of solute decreases the surface area available to solvent molecules and thereby reduces the rate of solvent vaporization. Since the rate of condensation is unaffected by the presence of solute, the net result is that the vaporization-condensation equilibrium is achieved with fewer solvent molecules in the vapor phase (i.e., at a lower vapor pressure).

While this interpretation is useful, it does not account for several important aspects of the colligative nature of vapor pressure lowering. A more rigorous explanation involves the property of entropy. For purposes of understanding the lowering of a liquid's vapor pressure, it is adequate to note that the more dispersed nature of matter in a solution, compared to separate solvent and solute phases, serves to effectively stabilize the solvent molecules and hinder their vaporization. A lower vapor pressure results, and a correspondingly higher boiling point.

The relationship between the vapor pressures of solution components and the concentrations of those components is described by Raoult’s law: The partial pressure exerted by any component of an ideal solution is equal to the vapor pressure of the pure component multiplied by its mole fraction in the solution.

 Eq2

where PA is the partial pressure exerted by component A in the solution, PºA is the vapor pressure of pure A, and XA is the mole fraction of A in the solution.

Recalling that the total pressure of a gaseous mixture is equal to the sum of partial pressures for all its components (Dalton’s law of partial pressures), the total vapor pressure exerted by a solution containing i components is

 Eq3

A nonvolatile substance is one whose vapor pressure is negligible (Pº ≈ 0), and so the vapor pressure above a solution containing only nonvolatile solutes is due only to the solvent:

 Eq4

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 11.4: Colligative Properties.

Suggested Reading

  1. Andrews, Frank C. "Colligative properties of simple solutions." Science 194, no. 4265 (1976): 567-571.
  2. Lindsay Jr, W. T., and Chu Tisin Liu. “Vapor pressure lowering of aqueous solutions at elevated temperatures.” Westinghouse Research Laboratories, Pittsburgh, Pennsylvania, 1968.
  3. Chinard, Francis P. "Colligative properties." Journal of Chemical Education 32, no. 7 (1955): 377.