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稀溶液通性

銅臭 / 2022-07-21

不同的溶質(zhì)和溶劑組成的溶液往往有不同的性質(zhì)，但難揮發(fā)、非電解的稀溶液卻有些物理性質(zhì)只和客液的濃度有關(guān)，和溶質(zhì)的種類無關(guān):因此這些物理性質(zhì)，稱為稀溶液的通性，又稱為稀溶液的依數(shù)性。這些物理性質(zhì)是:溶液的蒸汽壓下降、沸點上升、凝固點下降以及溶液的滲透壓等。必須注意，以上客液的這些通性，只是對不易揮發(fā)非電解質(zhì)溶質(zhì)的稀溶液而言，不包括電解質(zhì)溶液或易揮發(fā)的非電解質(zhì)溶液。

一、溶液的蒸汽壓下降

1.溶液蒸汽壓下降及其原因。如果將等體積的純水(a)和蔗糖溶液(b)各一杯，放在一密閉容器內(nèi)(如圖6-6所示)，經(jīng)一段時間就會發(fā)現(xiàn)，a 杯中純水的體積減少了，而b杯中蔗糖溶液的體積增加了。這個現(xiàn)象說明:純水的蒸汽壓必然大于蔗糖溶液的蒸汽壓，即溶液的蒸汽壓比純?nèi)軇┑牡汀Ｒ驗樵诖嗣荛]容器內(nèi)的蒸汽壓，既屬純水的，又屬燕糖溶液的。此蒸汽壓，對純水來說，尚未達到它的飽和蒸汽壓，因此水要不斷蒸發(fā);但對蔗糖溶液來說，此燕汽壓已超過它的飽和蒸汽壓，水要不斷凝結(jié)至蔗糖溶液中。如此繼續(xù)進行，水從純水表面不斷蒸發(fā)，并在蔗糖溶液表面不斷凝結(jié)，結(jié)果水從a杯中自動地轉(zhuǎn)移到b杯內(nèi)，使蔗糖溶液的體積不斷增大。

在同溫下，純?nèi)軇┑难嗥麎汉腿芤旱恼羝麎褐睿凶鋈芤?的蒸汽壓下降。圖6-7是水、冰和溶液的蒸汽壓曲線圖，aa'和bb'分別表示水和溶液的蒸汽壓與溫度的關(guān)系。bb'線在aa'線下而，表明在同一溫度時，溶液的蒸汽壓總是低于純?nèi)軇?水)的蒸汽壓。

為什么水中加入蔗糖后，它的蒸汽壓會下降呢?如前所述，液體在某溫度時的飽和蒸汽壓，就是液體的蒸發(fā)速度和蒸汽凝結(jié)速度相等，體系達平衡時的蒸汽壓力;在水中加入蔗糖后，由于蔗糖是難揮發(fā)的非電解質(zhì)，它的分子不會蒸發(fā)至空間而產(chǎn)生蒸汽壓，所以溶液的燕汽壓實際上是溶液中溶劑的蒸汽壓。水溶液中加入蔗糖后，溶液的表面層中就有一部分蔗糖分子，它們阻礙了水分子的蒸發(fā)(見圖6-8b)，因此在單位時間內(nèi)，從溶液中蒸發(fā)出的水分子數(shù)少于從純水中蒸發(fā)出的分子數(shù);當?shù)竭_平衡時，在溶液上面空間單位體積內(nèi)水的氣態(tài)分子數(shù)必少于純水上面的氣態(tài)分子數(shù)，溶液的蒸汽壓就比純水的蒸汽壓低。顯然溶質(zhì)溶解得愈多，也就是溶液的濃度愈大，溶液的蒸汽壓降低也愈多。

某些固體物質(zhì)之所以在空氣中易吸收水分而潮解，就是和溶液的蒸汽壓下降有關(guān)。因為易潮解的固體和空氣接觸時，固體表面吸收空氣中的水分生成少量濃溶液，它的飽和蒸汽壓比空氣中水蒸氣的分壓小，所以空氣中的水蒸氣將繼續(xù)在固體表面凝結(jié)，使它繼續(xù)潮解。因此,常用這些易潮解的物質(zhì)(如無水CaCl?等)作為干燥劑。

2.溶液蒸汽壓下降的計算。關(guān)于溶液蒸汽壓的下降，拉烏爾根據(jù)實驗的結(jié)果得出下列定律:在一定溫度下，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的蒸汽壓下降值(ΔP)和溶液中溶質(zhì)的克分子份數(shù)成正比，而與溶質(zhì)的本質(zhì)無關(guān)。如溶劑和溶質(zhì)的量都以克分子作單位時，溶質(zhì)的克分子份數(shù)是溶質(zhì)占溶劑和溶質(zhì)克分子總數(shù)的份數(shù)。以n?、n分別表示溶劑和溶質(zhì)的克分子數(shù)時，溶質(zhì)的克分子

這就是拉烏爾定律用于稀溶液時的數(shù)學表達式。因為溫度一定時，純水的蒸汽壓P?是一定值，如果溶液中溶劑的量n?不變，此時ΔP和n成正比。所以，如知道溶液的濃度即可用拉烏爾定律計算溶液的蒸汽壓下降。

二、溶液的沸點升高和凝固點下降

1.溶液的沸點上升(Δt沸)。在1個大氣壓下，純水的沸點是100°C，這是因為100°C時水的蒸汽壓為760毫米錄柱，和外界大氣壓相等。當溶質(zhì)為難揮發(fā)性的非電解質(zhì)溶液時，由于其蒸汽壓下降，在100°C時，溶液的蒸汽壓就低于760毫米錄柱，因而溶液也就不能沸胸。要使此溶液沸騰，只有將其加熱到高手100°C的某一溫度。從圖6-7可以看出，只有使溶液的溫度上升至b'時，溶液的蒸汽壓才達到760毫米汞柱，其相應(yīng)的沸點t沸比純水的沸點(100°C)高Δt沸

2.溶液的凝圓點下降(Δt凝)。在1個大氣壓下，水的凝固點是0°C。因為0°C時水和冰能平衡共存，此時水的蒸汽壓和冰的蒸汽壓相等( 4.6毫米汞柱)。如果是非揮發(fā)性的非電解質(zhì)溶液，在0°C時就不會結(jié)冰。這是由于溶液的蒸汽壓下降，0°C時溶液的燕汽壓必小于4.6毫米汞柱，冰和水就不能共存。由于冰和溶液的蒸汽壓都隨溫度降低而減小，但減小的速率不同，冰的蒸汽壓減小的速率比溶液的快得多，因此當溫度下降到一-定值，冰的蒸汽壓和溶液的蒸汽壓相等時，冰和溶液又能共存，這時的溫度就是溶液的凝固點。所以，溶液的凝固點比純水的低。圖6-7中ab表示冰的蒸汽壓曲線。從圖中可以看出ab線較bb'線陡，這說明冰的蒸汽壓隨溫度降低而減小的速率比溶液的快。在b點，冰和溶液的蒸汽壓相等，其相應(yīng)的溫度就是溶液的凝固點。它比純水的凝固點a (0°C)低Δt凝。

3. Δt沸和Δt凝的計算。溶液的沸點上升和凝固點下降的程度，取決于溶液的濃度。這是因為溶液的蒸汽壓下降引起了沸點上升和凝固點下降，而蒸汽壓下降又是和溶液的濃度成正比的。根據(jù)拉烏爾的實驗，確立了如下關(guān)系:

難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的沸點上升值(Δt沸)和凝固點下降值(Δt凝)與溶液的重量克分子濃度(m)成正比，而與溶質(zhì)的本質(zhì)無關(guān)。

Δt沸=K沸m

在生產(chǎn)中，常利用某些溶液凝固點下降這一性質(zhì)，例如冬天在汽車散熱水箱中加入乙二醇以防止結(jié)冰。

三、溶液的滲透壓

滲透現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，如人在淡水中游泳時睜開限睛時間長了，便有脹痛的感覺。這就是由于水滲入眼球，使眼球細胞膨脹了的緣故。植物之所以能夠吸收土壤中的水分和養(yǎng)料，雖然原因很多，但主要是靠滲透作用。在這里我們著重介紹滲透原理及其在水處理方面的應(yīng)用。

1.滲透現(xiàn)象。為了說明滲透現(xiàn)象，需先了解擴散現(xiàn)象。在日常生活中可看到一杯水中滴入幾滴墨水，墨水會逐漸向四周散開，經(jīng)過一段時間后，基水就會均勻地分布到整個溶液里，這種現(xiàn)象稱為擴散。顯然擴散是由于溶質(zhì)和溶劑都在運動所致。

什么是滲透呢?可以通過一個簡單的實驗來說明，裝置如圖6-9。在大燒杯內(nèi)放一個倒置的長頸漏斗，漏斗口用半透膜扎緊。在燒杯里裝入純水，而在長頸漏斗中裝入蔗糖水，并使燒杯里與管子里的液面相平。經(jīng)過一段時間后，便可看到管子里的糖水液面慢慢上升，這就說明水透過半透膜進入溶液，使溶液的液面上升。這種只有水單方面透過半透膜的現(xiàn)象叫滲透。

為什么會發(fā)生滲透現(xiàn)象呢?這是由于在與半透膜內(nèi)外表面接觸的液體中，單位體積內(nèi)水分子數(shù)不同而引起的。顯然在上述實驗中，由于蔗糖分子占有了一部分體積，其中水分子數(shù)相對地比純水的少。因為水分子能自由地透過半透膜，而蔗糖分子不能透過，所以在單位時間內(nèi)，膜兩側(cè)透過的水分子數(shù)不相等，從純水一側(cè)透過的水分子數(shù)多于蔗糖水一側(cè)的，結(jié)果使蔗糖溶液液面逐漸上升，純水液面逐漸下降，產(chǎn)生了滲透現(xiàn)象。

若將較稀的蔗糖溶液代替純水，水同樣會從稀溶液一側(cè)通過半透膜向濃度較高的一側(cè)滲透。總之，只要半透膜兩側(cè)的溶液存在著濃度差，就會產(chǎn)生滲透現(xiàn)象。

2.滲透壓。在上述實驗中，隨著滲透的進行，漏斗頸中液面不斷上升，產(chǎn)生的靜水壓越來越大，迫使蔗糖水中的水分子向純水中滲透速率加快，并使純水中的水分子滲透速率減慢，當液柱高度達到一定值時，半透膜兩側(cè)水分子滲透的速度相等，達到動態(tài)平衡。此時，從表面上看，蔗糖溶液的液柱不再升高，滲透作用已不再進行。這個阻止?jié)B透作用繼續(xù)進行的壓力，叫做該溶液的滲透壓。漏斗頸中的液面與燒杯中純水液面之間的距離“h”，即可作為滲透壓的量度，一般“h”以厘米水柱(實際上是溶液柱)表示。也可以在蔗糖溶液面上加一壓力，阻止?jié)B透進行，使蔗糖溶液面與純水液面保持相平，此壓力即溶液的滲透壓。溶液的濃度愈大，其滲透壓也愈大。

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