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稀溶液的沸点上升和凝固点下降


实验室k / 2018-07-09

    当某一液体的蒸气压力等于外界压力时,液体就会沸腾,此时的温度称为该液体的沸点。而某物质的凝固点(或熔点)是该物质的液相蒸气压力和固相蒸气压力相等时的温度。
    一切可形成晶体的纯物质,在给定条件下下,都有一定的凝固点和沸点。但溶液的情况并非如此,一般由于溶质的加入会使溶剂的凝固点下降、溶液的沸点上升。而且溶液越浓,凝固点和沸点改变越大。

稀溶液的沸点上升和凝固点下降
   

溶液蒸气压下降会导致溶液沸点上升和凝固点下降。现在通过水溶液的例子来说明这个问题。以蒸气压力力为纵坐标,温度为横坐标,画出纯水和冰的蒸气压力曲线,如图2-1所示。
    水在正常沸点(100℃即373.15K)时其蒸气压力恰好等于外界压力(100kPa)。如果水中溶解了难挥发性的溶质,其蒸气压力就要下降。因此,溶液中溶剂的蒸气压力曲线就低于纯水的蒸气压力曲线,在373.15K时溶液的蒸气压力就低于100kPa。要使溶液的压力与外界压力相等,就必须把溶液的温度升到373.15K以上。

水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图

    从图2-1中可见,溶液的沸点(T'b)比水的沸点(Tb)高,其差值△Tb为沸点升高值。从图中还可以看到,在温度Tf(273.15K)时,冰的蒸气压力曲线和水的蒸气压力曲线相交于一点(O),此日时冰的蒸气压力和水的蒸气压力相等,均为611Pa。由于溶质的加入使溶液的蒸气压力下降。这里必须注意到,溶质是溶于水中而不溶于冰中,因此只影响水的蒸气压力,对冰的蒸气压力没有影响。在273.15K时时,溶液的蒸气压力必定低于冰的蒸气压力,冰与溶液不能共存,冰要转化为水,所以溶液在273.15K时不能结冰。在273.15K以下某一温度(T'f)时,冰的蒸气压力曲线与溶液的溶剂蒸气压力曲线可以相交于一点(O'),T'f是溶液的凝固点。它比纯水的凝固点要低△Tf(凝固点下降值)。
    对于难挥发的非电解质稀溶液,其沸点上升和凝固点下降与溶液的质量摩尔浓度(所谓质量摩尔浓度m是指1kg溶剂中所含溶质的物质的量)成正比,可用下列数学式表示

△Tb=kbm          (2-2)
△Tf=kfm          (2-3)

式中  kb——沸点上升常数,K·kg/mol;
          kf——凝固点下降常数,K·kg/mol;
          m——溶液质量摩尔浓度,mol/kg。
    kb和kf是溶剂的性质,与溶质的性质无关。不同溶剂的kb与kf不同。一些常见溶剂的kb与kf值见表2-1。

表2-1  一些溶剂的沸点上升和溶剂的凝固点下降常数

溶剂 沸点/℃ kb/K·kg·mol-1 凝固点/℃ kf/K·kg·mol-1
醋酸 117.9 2.530 16.66 3.90
80.100 2.53 5.533 5.12
氯仿

61.150 

3.62
217.955 5.80 80.29 6.94
100.00 0.515 0.0 1.853

    例2-2  一种蛋白质相对分子质量50000。将160g该蛋白质溶于1000g水中。求该蛋白质溶液的凝固点。
    解:蛋白质的物质的的量为

160/50000=0.0032mol

    又:水的质量为  1000g=1kg
    所以,蛋白质溶液的质量摩尔浓度

m=0.0032mol/kg

    水的  kf=1.853K·kg/mol

△Tf=kfm=1.853×0.0032=0.0059K

    即蛋白质溶液的凝固点为-0.0059℃。
    例2-3  已知烟草中的有害成分尼古丁的实验式是C5H7N,将534mg尼古丁溶于10.0g水中,所得溶液在105Pa下沸点为100.17℃,求尼古丁的分子式。
    解:

△Tb=100.17-100=0.17
kb=0.51    △Tb=kb×m    m =0. 33mol/kg

    若尼古丁摩尔质量为M,则

m=(0.534/M)×(1000/10.0)=53.4/M
M= 162g/mol

    尼古丁的分子式为C10H14N2
    例2-4  谷氨酸分子式为[COOHCH・NH2・(CH22COOH],取0.749g谷氨酸溶于50.0g水中,测得凝固点为-0.188℃,试求水溶剂的凝固点下降常数kf
    解: 

△Tf=0-(-0.188)=0.188℃
△Tf=kf·m=kf·(0.749/M)×(1000/50)
M=147g/mol
0.188=kf·(0.749/M)×(1000/50)
kf=1.84K·kg/mol

    在生产和科学实验中,溶液的固点下降这一性质得到广泛的应用。例如,在寒冷的季节,汽车的水箱中通常加入乙二醇,使溶液的凝固点下降而防止结冰。利用稀溶液的依数性定律,人们常采用凝固点下降法,测定物质的摩尔质量。


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