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。
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。
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 |
苯 | 80.100 | 2.53 | 5.533 | 5.12 |
氯仿 |
61.150 |
3.62 | — | — |
萘 | 217.955 | 5.80 | 80.29 | 6.94 |
水 | 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・(CH2)2COOH],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。