Замерзание и кипение растворов

В закрытом сосуде с летучей жидкостью, например водой, при постоянной температуре устанавливается определённое давление насыщенных паров ─ р⁰ (Н₂О) (рис. 3.2). Растворение нелетучего компонента снижает это давление до величины р (Н₂О). Ф.Рауль установил, что понижение давления насыщенного пара растворителя А над раствором нелетучего вещества В пропорционально молярной доле растворённого вещества χ (В):

р⁰ (А) ─ р (А) = Δ р (А) = р⁰ (А) · χ (В),

где молярная доля растворённого вещества:

.

Рис. 3.2 ─ Понижение давления насыщенного пара над раствором

Из закона Рауля следует, что температура кипения растворов выше, а температура замерзания ниже, чем чистых растворителей (рис. 3.3).

Рис. 3.3 ─ Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения раствора

Давление насыщенного пара растворителя (воды) над чистым растворителем и над раствором повышается с ростом температуры. Однако это давление над раствором нелетучего вещества при одной и той же температуре всегда ниже, чем над чистым растворителем. Условием кипения жидкости является равенство давления насыщенного пара атмосферному давлению. Для раствора это условие выполняется при более высокой температуре, т.е. наблюдается повышение температуры кипения раствора (Δ Т кип.).

Повышение температуры кипения раствора пропорционально моляльной концентрации раствора (с_m):

Δ Т кипения = ЕН₂О · с_m , (3.1)

где ЕН₂О ─ эбулиоскопическая постоянная воды, (градус · кг) / моль .

Условием кристаллизации является равенство давления насыщенного пара над твёрдой и жидкой фазой. Над растворами давление пара ниже, чем над чистым растворителем и поэтому растворы замерзают при более низкой температуре (рис. 3.3). Понижение температуры замерзания пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества (с _m ):

Δ Т замерзания = КН₂О · с_m , (3.2)

где КН₂О ─ криоскопическая постоянная воды, (градус · кг) / моль .

Явление понижения температуры замерзания растворов находит применение в строительной практике. Бетонные и кладочные растворы замерзают при более низких отрицательных температурах, если в их состав ввести соли, например CaCl₂, вследствие чего они не теряют пластичность при отрицательных температурах. Для удаления снежно-ледяных образований с твердых покрытий дорог применяют песчано-солевые смеси, которые понижают температуру замерзания снега и льда.

Пример 3.1. Рассчитать массу мочевины СО(NH₂)₂, необходимую для удаления с дорожного полотна льда массой, соответствующей 50 кг жидкой воды, если криоскопическая постоянная воды (КН₂О) равна 1,86 (градус · кг) / моль. Температура окружающей среды минус 5 ⁰С.

Решение. Понижение температуры Δ Т замерзания = 0 ⁰С ─ (─ 5 ⁰С) = 5 ⁰С.

Для расчёта воспользуемся зависимостью понижения температуры замерзания от моляльной концентрации раствора:

откуда

Пример 3.2.Температура кипения ацетона 56 ⁰С. Если в 250 г ацетона растворить 6,4 г метанола (М_r = 32, Е _{ацетона} = 1,5 (град · кг)/моль), то температура кипения раствора составит

1) 55,4 2) 57,2 3) 54,8 4) 56,6

Решение. Повышение температуры кипения рассчитаем по формуле

Следовательно, температура кипения раствора будет на 1,2 ⁰С выше температуры кипения растворителя, т.е. 56 ⁰С + 1,2 ⁰С = 57,2 ⁰С.