CHE1001 · 14. hafta · Vapor Pressure Lowering, Osmotic Pressure, Boiling Point Elevation, Freezing Point Depression in Solutions of Nonelectrolytes. Vapor Pressure Lowering, Osmotic Pressure, Boiling Point Elevation, Freezing Point Depression in Solutions of Electrolytes. Colloidal Mixtures.

Kolligatif özellikler: buhar basıncı düşmesi, kaynama noktası yükselmesi, donma noktası alçalması, ozmotik basınç ve koloidler

Raoult yasası, ΔTb = i·Kb·m, ΔTf = i·Kf·m, Π = iMRT; elektrolitlerde van 't Hoff faktörü, kolligatif ölçümlerle molar kütle bulma ve koloid karışımlar.

colligative propertyRaoult's lawvapor pressure loweringideal solutionboiling point elevationfreezing point depressionebullioscopic constantcryoscopic constantosmosisosmotic pressuresemipermeable membraneisotonicvan 't Hoff factorcolloidTyndall effect

Dersin son konusu, çözeltilerin bir grup özelliği: çözücünün buhar basıncının düşmesi, kaynama noktasının yükselmesi, donma noktasının alçalması ve ozmotik basınç. Hepsine kolligatif özellikler (colligative properties) denir, çünkü çözünenin ne olduğuna değil, kaç tane tanecik olduğuna bağlıdırlar. Bir mol şeker de bir mol üre de suyun donma noktasını aynı miktarda düşürür. Bir mol tuz ise iki katı düşürür, çünkü iki iyona ayrılır.

Altın kurallar:

  1. Tanecik say. Elektrolitlerde van ‘t Hoff faktörü ii ile çarp.
  2. ΔT formüllerinde molalite, ozmotik basınçta molarite.
  3. ΔT bir fark. Donma noktası = saf çözücünün donma noktası − ΔTf.
  4. Ölçülen kolligatif etkiden geriye mol sayısına, oradan molar kütleye gidilir.

Buhar basıncı düşmesi: Raoult yasası

Uçucu olmayan (nonvolatile) bir çözünen, yüzeydeki çözücü moleküllerinin bir kısmının yerini alır ve buharlaşmayı azaltır. Raoult yasası (Raoult’s law):

Pc¸o¨zu¨cu¨=xc¸o¨zu¨cu¨⋅Pc¸o¨zu¨cu¨∘ΔP=xc¸o¨zu¨nen⋅P∘P_{\text{çözücü}} = x_{\text{çözücü}} \cdot P^\circ_{\text{çözücü}} \qquad \Delta P = x_{\text{çözünen}} \cdot P^\circ

P∘P^\circ saf çözücünün buhar basıncıdır. Bu yasaya tam uyan çözeltiye ideal çözelti (ideal solution) denir; benzer moleküllerden oluşan seyreltik çözeltiler yaklaşık idealdir.

Örnek 1. 1.00 m sukroz çözeltisinin 25 °C’deki buhar basıncı (P∘=23.76P^\circ = 23.76 mmHg):

1 kg su = 55.51 mol;  sukroz 1.00 mol
x(su) = 55.51 / 56.51 = 0.9823
P = 0.9823 × 23.76 = 23.34 mmHg   (ΔP = 0.42 mmHg)

İki uçucu bileşen

İki bileşen de uçucuysa Raoult her birine ayrı uygulanır; toplam buhar basıncı Dalton yasasıyla bulunur:

Ptop=xAPA∘+xBPB∘P_{\text{top}} = x_A P^\circ_A + x_B P^\circ_B

Buhardaki mol kesri yA=PA/Ptopy_A = P_A / P_{\text{top}}. Daha uçucu bileşen buharda sıvıdakinden daha zengindir. Benzen-toluen karışımında sıvıda benzen kesri 0.400 iken buharda 0.691 olur; bu buharı yoğuşturup tekrar buharlaştırmak (ayrımsal damıtma, fractional distillation) iki sıvıyı ayırır.

Kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası alçalması

Çözeltinin buhar basıncı daha düşük olduğu için, dış basınca ulaşmak için daha çok ısıtılması gerekir: kaynama noktası yükselir. Çözünen tanecikleri çözücünün düzenli kristal kurmasını da zorlaştırır: donma noktası alçalır.

ΔTb=i Kb mΔTf=i Kf m\Delta T_b = i\,K_b\,m \qquad \Delta T_f = i\,K_f\,m

  • mm: molalite (mol çözünen / kg çözücü).
  • KbK_b: kaynama noktası yükselme sabiti (ebullioscopic constant), KfK_f: donma noktası alçalma sabiti (cryoscopic constant). Sadece çözücüye bağlıdırlar.
  • ii: van ‘t Hoff faktörü (elektrolit değilse 1).
ÇözücüNormal kaynama (°C)KbK_b (°C/m)Normal donma (°C)KfK_f (°C/m)
su100.000.5120.001.86
benzen80.12.535.55.12

Örnek 2. 5.00 g üre (CO(NH2)2\mathrm{CO(NH_2)_2}, 60.06 g/mol) 100.0 g suda:

n = 5.00 / 60.06 = 0.08325 mol      m = 0.08325 / 0.1000 kg = 0.8325 m
ΔTf = 1.86 × 0.8325 = 1.55 °C   → donma noktası −1.55 °C
ΔTb = 0.512 × 0.8325 = 0.426 °C → kaynama noktası 100.43 °C

Yollara tuz serpmek, araç radyatörüne antifriz koymak ve dondurma yaparken buza tuz katmak donma noktası alçalmasının uygulamalarıdır.

TUZAK · molarite ile molalite. ΔT formülleri molalite ister. Soruda çözücü kütlesi verilmişse molaliteyi doğrudan hesapla; molarite verildiyse önce dönüştür (geçen hafta).

TUZAK · ΔT’yi sonuç sanmak. “Donma noktası nedir?” sorusunda cevap ΔTf\Delta T_f değil, Tf∘−ΔTfT_f^\circ - \Delta T_f. Benzende saf çözücü 5.5 °C’de donar; ΔTf\Delta T_f 1.2 °C ise çözelti 4.3 °C’de donar.

Kolligatif ölçümle molar kütle

Tarif: ölçülen ΔT → molalite → mol (× kg çözücü) → molar kütle (gram ÷ mol). Benzen ve kafur gibi büyük KfK_f‘li çözücüler, ölçülecek ΔT büyük olduğu için tercih edilir.

Ozmotik basınç

Yarı geçirgen zar (semipermeable membrane) çözücü moleküllerini geçirir, çözünen taneciklerini geçirmez. Zarın iki yanında farklı derişimler varsa çözücü seyreltik taraftan derişik tarafa akar: ozmoz (osmosis). Bu akışı durdurmak için derişik tarafa uygulanması gereken basınca ozmotik basınç (osmotic pressure) denir:

Π=i M R T\Pi = i\,M\,R\,T

Formül ideal gaz denklemine benzer (ΠV=nRT\Pi V = nRT). Burada MM molaritedir.

Örnek 3. 0.0100 M glukoz, 25 °C:

Π=0.0100×0.08206×298.15=0.245 atm=186 mmHg\Pi = 0.0100 \times 0.08206 \times 298.15 = 0.245\ \text{atm} = 186\ \text{mmHg}

Aynı çözeltinin donma noktası sadece 0.0186 °C düşer. Ozmotik basınç çok daha büyük ve kolay ölçülen bir sinyal verdiği için proteinler ve polimerler gibi büyük moleküllerin molar kütlesi ozmometreyle bulunur.

Biyolojide:

  • İzotonik (isotonic): hücreyle aynı ozmotik basınç; hücre değişmez (serum fizyolojik, %0.9 NaCl).
  • Hipertonik (hypertonic): dışarısı daha derişik; su hücreden çıkar, hücre büzülür (tuzlanmış et, turşu).
  • Hipotonik (hypotonic): dışarısı daha seyreltik; su hücreye girer, hücre şişer ve patlayabilir.

Ters ozmoz (reverse osmosis): derişik tarafa ozmotik basınçtan büyük basınç uygulanırsa çözücü ters yöne akar. Deniz suyundan içme suyu üretiminde kullanılır.

Elektrolit çözeltileri ve van ‘t Hoff faktörü

Elektrolitler iyonlarına ayrılır, tanecik sayısı artar. Bunu ii hesaba katar:

i=c¸o¨zeltideki tanecik molu¨c¸o¨zu¨len formu¨l birimi molu¨i = \frac{\text{çözeltideki tanecik molü}}{\text{çözülen formül birimi molü}}

Çözünenİdeal ii
glukoz, üre, etanol (elektrolit değil)1
NaCl, KBr, MgSO4\mathrm{MgSO_4}2
CaCl2\mathrm{CaCl_2}, Na2SO4\mathrm{Na_2SO_4}3
FeCl3\mathrm{FeCl_3}4
Al2(SO4)3\mathrm{Al_2(SO_4)_3}5

Örnek 4. 0.100 m CaCl2\mathrm{CaCl_2} için ΔTf=3×1.86×0.100=0.558\Delta T_f = 3 \times 1.86 \times 0.100 = 0.558 °C. Aynı molalitedeki glukozun üç katı.

Deneysel ii değerleri genellikle idealden küçüktür, özellikle derişim ve iyon yükleri arttıkça. Zıt yüklü iyonlar çözeltide kısa süreli iyon çiftleri (ion pairs) oluşturur ve tek tanecik gibi davranır. Çok seyreltik çözeltilerde ii ideal değere yaklaşır. Zayıf elektrolitlerde ii 1 ile ideal değer arasındadır ve iyonlaşma yüzdesini hesaplamak için kullanılabilir.

İPUCU · kolligatif sıralama. “Hangisinin donma noktası en düşük / kaynama noktası en yüksek / ozmotik basıncı en büyük?” sorularında her çözelti için i×mi \times m çarpımını bul. En büyük çarpım en büyük etkidir.

Koloid karışımlar

Tanecik boyutuna göre karışımlar üçe ayrılır:

ÇözeltiKoloidSüspansiyon
Tanecik boyutu< 1 nm1 - 1000 nm> 1000 nm
Bekleyinceçökmezçökmezçöker
Süzgeç kâğıdıgeçergeçertutulur
Işıkgeçer, saçılmazsaçılır (Tyndall)bulanık

Tyndall etkisi (Tyndall effect): koloid tanecikleri ışığı saçar, ışık demeti yandan görünür (sisteki far ışığı, tozlu odadaki güneş ışını). Gerçek çözeltilerde görülmez; bu yüzden koloidi çözeltiden ayırt etmenin en basit yoludur.

Koloid türleri, dağılan faz ve dağıtan ortama göre adlandırılır:

TürDağılan / ortamÖrnek
solkatı / sıvıboya, kan
emülsiyon (emulsion)sıvı / sıvısüt, mayonez
köpük (foam)gaz / sıvıkrem şanti
aerosolsıvı ya da katı / gazsis, duman
jelsıvı / katıjöle

Koloidler genelde yüzeylerindeki yükler sayesinde kararlıdır: aynı yüklü tanecikler birbirini iter ve birleşip çökmez. Elektrolit eklemek bu yükleri nötrleştirerek koloidi çöktürebilir (pıhtılaşma, coagulation); nehir ağızlarında deltaların oluşması deniz suyunun tuzunun çamur koloidini çöktürmesiyle ilgilidir. Sabun ve deterjanlar yağı suda misel (micelle) adı verilen koloid tanecikler halinde tutar.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Kolligatif etki çözünenin cinsine bağlıSadece tanecik sayısına
ΔTf’de molarite kullanMolalite; ozmotik basınçta molarite
NaCl için i=1i = 1i=2i = 2 (ideal)
Donma noktası = ΔTfTf∘−ΔTfT_f^\circ - \Delta T_f
Çözünen kaynama noktasını düşürürYükseltir; donma noktasını düşürür
Ozmozda çözücü derişikten seyreltiğeSeyreltikten derişiğe
Π formülünde °CKelvin
Raoult’ta çözünenin mol kesri × P° = PBu ΔP’dir; P için çözücünün mol kesri
Deneysel ii hep ideal değere eşitİyon çiftleri yüzünden genelde küçük
Koloid süzgeçle ayrılırSüzgeç kâğıdından geçer; Tyndall ile tanınır

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1orta

50.0 g of glucose (C₆H₁₂O₆) is dissolved in 500.0 g of water at 25 °C. The vapor pressure of pure water at 25 °C is 23.76 mmHg. What is the vapor pressure of the solution?

Cevabı göster
23.52 mmHg

Glukoz 50.0/180.16=0.277550.0/180.16 = 0.2775 mol, su 500.0/18.015=27.75500.0/18.015 = 27.75 mol.xsu=27.7527.75+0.2775=0.9901x_{su} = \tfrac{27.75}{27.75 + 0.2775} = 0.9901.
Raoult: P=xsuP∘=0.9901×23.76=23.52P = x_{su}P^\circ = 0.9901 \times 23.76 = 23.52 mmHg (düşüş 0.235 mmHg).

Soru 2kolay

An antifreeze solution contains 250.0 g of ethylene glycol (C2H6O2\mathrm{C_2H_6O_2}, nonelectrolyte) in 1.00 kg of water. What is its freezing point? (Kf=1.86K_f = 1.86 °C/m)

Cevabı göster
−7.49 °C

n=250.0/62.07=4.028n = 250.0/62.07 = 4.028 mol, m=4.028/1.00=4.03m = 4.028/1.00 = 4.03 m.ΔTf=Kfm=1.86×4.028=7.49\Delta T_f = K_f m = 1.86 \times 4.028 = 7.49 °C. Donma noktası 0−7.49=−7.490 - 7.49 = -7.49 °C.

Soru 3kolay

What is the boiling point of the antifreeze solution in the previous question at 1 atm? (K_b = 0.512 °C/m)

  1. 100.51 °C
  2. 102.06 °C
  3. 107.49 °C
  4. 97.94 °C
Cevabı göster
102.06 °C

ΔTb=Kbm=0.512×4.028=2.06\Delta T_b = K_b m = 0.512 \times 4.028 = 2.06 °C. Kaynama noktası 100.00+2.06=102.06100.00 + 2.06 = 102.06 °C. Aynı çözünen hem donmayı aşağı, hem kaynamayı yukarı çeker.

Soru 4orta

1.50 g of an unknown nonvolatile nonelectrolyte is dissolved in 25.0 g of benzene. The freezing point is lowered by 1.68 °C. What is the molar mass of the solute? (K_f(benzene) = 5.12 °C/m)

Cevabı göster
183 g/mol

m=ΔTf/Kf=1.68/5.12=0.3281m = \Delta T_f / K_f = 1.68/5.12 = 0.3281 m.n=m×kg c¸o¨zu¨cu¨=0.3281×0.0250=8.203×10−3n = m \times \text{kg çözücü} = 0.3281 \times 0.0250 = 8.203\times10^{-3} mol.M=1.50/8.203×10−3=183M = 1.50/8.203\times10^{-3} = 183 g/mol.

Soru 5kolay

What is the osmotic pressure of a 0.100 M aqueous sucrose solution at 25 °C?

  1. 0.205 atm
  2. 2.45 atm
  3. 24.5 atm
  4. 0.0245 atm
Cevabı göster
2.45 atm

Π=MRT=0.100×0.08206×298.15=2.45\Pi = MRT = 0.100 \times 0.08206 \times 298.15 = 2.45 atm. Küçük bir derişim bile büyük ozmotik basınç verir: yaklaşık 25 m su sütunu.

Soru 6zor

0.500 g of a protein is dissolved in water to make 100.0 mL of solution. The osmotic pressure at 25 °C is 3.20 mmHg. What is the molar mass of the protein?

Cevabı göster
2.91 × 10^4 g/mol

Π=3.20/760=4.211×10−3\Pi = 3.20/760 = 4.211\times10^{-3} atm.Mderis¸im=ΠRT=4.211×10−30.08206×298.15=1.721×10−4M_{\text{derişim}} = \tfrac{\Pi}{RT} = \tfrac{4.211\times10^{-3}}{0.08206 \times 298.15} = 1.721\times10^{-4} mol/L.
100.0 mL'de 1.721×10−51.721\times10^{-5} mol. Molar kütle =0.500/1.721×10−5=2.91×104= 0.500/1.721\times10^{-5} = 2.91\times10^4 g/mol.
Büyük moleküller için ozmometri en hassas yöntemdir; aynı çözeltinin donma noktası düşmesi sadece ~0.0003 °C olurdu.

Soru 7orta

What is the expected freezing point of a 0.150 m aqueous NaCl solution? (K_f = 1.86 °C/m, assume complete dissociation)

Cevabı göster
−0.558 °C

NaCl→Na++Cl−\mathrm{NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-}, i=2i = 2. ΔTf=iKfm=2×1.86×0.150=0.558\Delta T_f = iK_fm = 2 \times 1.86 \times 0.150 = 0.558 °C. Donma noktası −0.558 °C.

Soru 8kolay

Which 0.10 m aqueous solution has the lowest freezing point?

  1. glucose
  2. NaCl
  3. CaCl2
  4. CH3OH
Cevabı göster
CaCl2

Kolligatif etki çözünen tanecik sayısına bağlı. ii: glukoz 1, metanol 1, NaCl 2, CaCl2\mathrm{CaCl_2} 3. En çok tanecik CaCl2\mathrm{CaCl_2}'de: en büyük ΔTf\Delta T_f, en düşük donma noktası.

Soru 9orta

A 0.0100 m aqueous MgSO4\mathrm{MgSO_4} solution freezes at −0.0300 °C. What is the experimental van 't Hoff factor? (Kf=1.86K_f = 1.86 °C/m)

Cevabı göster
1.61

i=ΔTfKfm=0.03001.86×0.0100=1.61i = \tfrac{\Delta T_f}{K_f m} = \tfrac{0.0300}{1.86 \times 0.0100} = 1.61. Beklenen değer 2, ama zıt yüklü Mg2+\mathrm{Mg^{2+}} ve SO42−\mathrm{SO_4^{2-}} iyonları çözeltide kısmen iyon çifti (ion pair) oluşturur; etkin tanecik sayısı azalır.

Soru 10zor

Blood has an osmotic pressure of about 7.7 atm at 37 °C. What concentration (in g/L) of NaCl (i = 2) is isotonic with blood?

Cevabı göster
8.8 g/L

Π=iMRT⇒M=7.72×0.08206×310.15=0.151\Pi = iMRT \Rightarrow M = \tfrac{7.7}{2 \times 0.08206 \times 310.15} = 0.151 M.0.1513×58.44=8.80.1513 \times 58.44 = 8.8 g/L. Bu yaklaşık %0.9'luk "serum fizyolojik"tir.

Soru 11orta

A solution contains benzene (mole fraction 0.400) and toluene (0.600) at 25 °C. The vapor pressures of the pure liquids are 95.1 mmHg (benzene) and 28.4 mmHg (toluene). Assuming an ideal solution, what is the total vapor pressure?

Cevabı göster
55.1 mmHg

İki bileşen de uçucu; Raoult her birine uygulanır.Pbenzen=0.400×95.1=38.0P_{\text{benzen}} = 0.400 \times 95.1 = 38.0 mmHg, Ptoluen=0.600×28.4=17.0P_{\text{toluen}} = 0.600 \times 28.4 = 17.0 mmHg.
Toplam (Dalton) 55.1 mmHg. Buhardaki benzen mol kesri 38.0/55.1=0.69138.0/55.1 = 0.691: buhar uçucu bileşence zenginleşir (damıtmanın temeli).

Soru 12kolay

A beam of light passing through a liquid becomes visible from the side, but the liquid does not separate on standing. The liquid is most likely:

  1. a true solution
  2. a colloid
  3. a coarse suspension
  4. a pure substance
Cevabı göster
a colloid

Işığın yandan görünmesi Tyndall etkisidir: tanecikler (1-1000 nm) ışığı saçacak kadar büyük. Bekleyince çökmemesi süspansiyon olmadığını gösterir. Gerçek çözeltide tanecikler ışığı saçamayacak kadar küçüktür.

Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/14.mjs). Su için Kf = 1.86 °C/m, Kb = 0.512 °C/m; benzen için Kf = 5.12 °C/m; R = 0.08206 L·atm/(mol·K); suyun 25 °C buhar basıncı 23.76 mmHg.

Deftere not kartı

Kolligatif: çözünenin CİNSİNE değil tanecik SAYISINA bağlı Raoult: P_çözücü = x_çözücü · P° ΔP = x_çözünen · P° İki uçucu bileşen: P_top = x_A·P°A + x_B·P°B; buhar uçucu olanca zengin ΔTb = i·Kb·m ΔTf = i·Kf·m (m = MOLALİTE) Su: Kb = 0.512, Kf = 1.86 °C/m kaynama YUKARI, donma AŞAĞI Π = i·M·R·T (M molarite, R = 0.08206, T kelvin) Ozmoz: çözücü SEYRELTİK → DERİŞİK tarafa geçer izotonik (eşit Π) | hipertonik (hücre büzülür) | hipotonik (hücre şişer, patlar) van 't Hoff i: glukoz/üre 1, NaCl 2, CaCl2 3, Al2(SO4)3 5 (ideal); deneyde iyon çifti → daha küçük Molar kütle: ΔT ya da Π → mol → M = g / mol (büyük moleküller için ozmotik basınç) Koloid: 1-1000 nm, çökmez, Tyndall etkisi; süzgeçten geçer, yarı geçirgen zardan geçmez Türler: sol (katı/sıvı), emülsiyon (sıvı/sıvı: süt, mayonez), köpük (gaz/sıvı), aerosol (sis, duman)