Физические свойства растворов неэлектролитов: Решение задачи

7. Физические свойства растворов неэлектролитов.

Неэлектролиты – это вещества, которые при растворении в воде или других растворителях не распадаются на ионы и не проводят электрический ток. Примеры неэлектролитов: сахар (глюкоза, сахароза), спирты (этанол), мочевина.

Физические свойства растворов неэлектролитов, которые зависят только от концентрации растворенного вещества, а не от его природы, называются коллигативными свойствами. Эти свойства обусловлены уменьшением концентрации молекул растворителя из-за присутствия растворенного вещества.

Основные коллигативные свойства растворов неэлектролитов:

• Понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором (Закон Рауля): Давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре.

Формула для закона Рауля:

\[\Delta P = P_0 \cdot x_{\text{вещества}}\]

Где:

• \(\Delta P\) – понижение давления пара
• \(P_0\) – давление насыщенного пара чистого растворителя
• \(x_{\text{вещества}}\) – мольная доля растворенного вещества
• Повышение температуры кипения раствора (Эбуллиоскопия): Раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель.

Формула для повышения температуры кипения:

\[\Delta T_{\text{кип}} = E \cdot C_m\]

Где:

• \(\Delta T_{\text{кип}}\) – повышение температуры кипения (К или °С)
• \(E\) – эбуллиоскопическая константа растворителя (К·кг/моль)
• \(C_m\) – моляльная концентрация раствора (моль/кг)
• Понижение температуры замерзания раствора (Криоскопия): Раствор замерзает при более низкой температуре, чем чистый растворитель.

Формула для понижения температуры замерзания:

\[\Delta T_{\text{зам}} = K \cdot C_m\]

Где:

• \(\Delta T_{\text{зам}}\) – понижение температуры замерзания (К или °С)
• \(K\) – криоскопическая константа растворителя (К·кг/моль)
• \(C_m\) – моляльная концентрация раствора (моль/кг)
• Осмотическое давление (\(\Pi\)): Давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить осмос (переход растворителя через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией в область с большей концентрацией).

Формула для осмотического давления (уравнение Вант-Гоффа):

\[\Pi = C_M \cdot R \cdot T\]

Где:

• \(\Pi\) – осмотическое давление (Па или атм)
• \(C_M\) – молярная концентрация раствора (моль/л)
• \(R\) – универсальная газовая постоянная (8.314 Дж/(моль·К) или 0.0821 л·атм/(моль·К))
• \(T\) – абсолютная температура (К)

Эти свойства широко используются для определения молекулярных масс веществ, а также в биологических и медицинских исследованиях.

8. Растворы электролитов.

Электролиты – это вещества, которые при растворении в воде или расплавлении распадаются на ионы (диссоциируют) и проводят электрический ток. Примеры электролитов: кислоты (HCl, H₂SO₄), основания (NaOH, Ca(OH)₂), соли (NaCl, CuSO₄).

Основные характеристики растворов электролитов:

• Электролитическая диссоциация: Процесс распада молекул электролита на ионы под действием полярных молекул растворителя (например, воды).

Пример диссоциации NaCl в воде:

\[\text{NaCl} \rightleftharpoons \text{Na}^+ + \text{Cl}^-\]
• Степень диссоциации (\(\alpha\)): Доля молекул электролита, распавшихся на ионы.
\[\alpha = \frac{\text{число диссоциированных молекул}}{\text{общее число молекул}}\]

Степень диссоциации зависит от природы электролита, растворителя, температуры и концентрации раствора.

• Сильные и слабые электролиты:
• Сильные электролиты: Диссоциируют практически полностью (\(\alpha \approx 1\)). К ним относятся большинство солей, сильные кислоты (HCl, H₂SO₄, HNO₃) и сильные основания (NaOH, KOH).
• Слабые электролиты: Диссоциируют лишь частично (\(\alpha < 1\)). К ним относятся слабые кислоты (CH₃COOH, H₂S), слабые основания (NH₄OH) и вода.
• Константа диссоциации (\(K_д\)): Для слабых электролитов равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами описывается константой диссоциации. Например, для слабой кислоты HA:
\[\text{HA} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{A}^-\] \[K_д = \frac{[\text{H}^+] [\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\]
• Коллигативные свойства растворов электролитов: Из-за диссоциации на ионы, количество частиц в растворе электролита больше, чем в растворе неэлектролита той же моляльной концентрации. Поэтому коллигативные свойства растворов электролитов выражены сильнее. Для учета этого используется изотонический коэффициент Вант-Гоффа (\(i\)).
\[i = 1 + \alpha (k - 1)\]

Где \(k\) – число ионов, на которые распадается одна молекула электролита.

Тогда формулы для коллигативных свойств принимают вид:

\[\Delta T_{\text{кип}} = i \cdot E \cdot C_m\] \[\Delta T_{\text{зам}} = i \cdot K \cdot C_m\] \[\Pi = i \cdot C_M \cdot R \cdot T\]

Растворы электролитов играют ключевую роль во многих химических и биологических процессах, включая электрохимические реакции, поддержание кислотно-щелочного баланса в живых организмах и работу аккумуляторов.