Сұйытылған бейэлектролиттер ерітінділерінің кейбір физика-химиялық қасиеттері


Бір затта екінші зат ерігенде еріткіштің де, еріген заттың да қасиеттерінде өзгеріс болады. Еріткіштің қасиеті өзгеруден туатын жаңа қасиеттер барлық ерітінділерге ортақ қасиетке айналады. Өйткені еріген заттың бөлшектері көбейген сайын, ерітіндінің кесімді көлеміндегі еріткіштің молекулаларының концентрациясы кемиді; осының салдарынан ерітіндіде еріткішпен салыстырғанда жаңа қасиеттер пайда болады және еріген зат мөлшері неғұрлым көбейе берсе, ол қасиеттер күшейе түседі. Сонда ерітінді қасиетінің еріген заттың химиялық қасиетіне тәуелділігі көбірек болады. Мұндай жаңа қасиеттерден осмос, ерітінділер буының қысымы, ерітінділердің қату (кристалдану) және қайнау температулары қарастыруға болады. Бұл жаңа қасиеттер сұйық ерітінділерде концентрлі ерітінділерге қарағанда біраз айырмашылықта болады.

Осмос – жартылай өткізгіш (полупроницаемая перегородка, оларға тері, пергамент және басқа да жануарлар мен өсімдіктер ткані мысал болады) арқылы бір жақты болатын диффузияны айтады, яғни еріткіш молекулаларының ерітінді мен таза еріткішті не концентрациясы әр түрлі екі ерітінділерді бөліп тұрған жартылай өткізгіш арқылы өтуі (диффузиясы). Бұл екі жақты процесс, бірақ еріткіш молекулаларының ерітіндіге өткен саны ертіндіден еріткішке өткен санынан әлдеқайда көп болады.

Сұйық ерітінділердегі заттың күйі газ күйіне өте ұқсас. Газдардың негізгі қасиеті – диффузия арқылы мейлінше кең көлем алуға тырысуы. Осы қасиет еріген затта да болады. Бір ыдысқа қанттың концентрленген ерітіндісін құйып, оның үстіне араласып кетпейтіндей етіп сол қанттың сұйық ерітіндісін құйса, екі жақты диффузия басталады, яғни қанттың молекулалары концентрленген ерітіндіден сұйық ерітіндіге, ал судың молекулалары, керісінше, сұйық ерітіндіден концентрленген ерітіндіге диффузияланады (тарайды). Біраз уақыт өткен соң, қанттың да, судың да молекулалары әбден араласып, ерітінді біртектіге айналады. Енді судың молекулаларын өткізетін, бірақ қанттың молекулаларын өткізбейтін (қант молекулалары ірі болғандықтан) жартылай өткізгіштен жасалған ыдысқа қант ерітіндісін құйып (ішкі ыдыс), оны таза су құйылған екінші кеңірек ыдысқа (сыртқы ыдыс) салса, бір жақты диффузия байқалады, яғни су молекулалары ғана диффузияланады. Су молекулалары қант ерітіндісі бар ыдысқа тез көшеді, ал кері өтуі баяуырақ болады. Сонда белгілі уақыт бірлігінде ерітіндіге өтетін еріткіш молекулаларының саны еріткіштен ерітіндіге өтетін молекулалар санынан көп болады, себебі ерітіндідегі еріткіштер молекулаларының концентрациясы таза еріткішке қарағанда төмен, екінші жағынан олардың біраз бөлігі еріген заттың бөлшектерімен сольват түрінде байланыста болады. Осының нәтижесінде қант ерітіндісінің концентрациясы кемиді. Сонымен жартылай өткізгіш арқылы бір жақты диффузия – осмос құбылысы болады.

Жануарлар, өсімдіктер организмдерінің тіршілік әрекетінде осмос құбылысы маңызды орын алады, яғни судың организмдегі тасымалдануы жүреді.

Жартылай өткізгіш арқылы еріткіштің ерітіндіге өтуге қабілетін көрсететін күш өлшемі ерітіндінің осмос қысымы деп аталады. Осмос салдарынан ішкі ыдыстағы ерітіндінің көлемі ұлғаяды, сондықтан ерітінді көлемінің ұлғаюын немесе осмосты тоқтату үшін ішкі ыдыстағы ерітіндіге сырттан қосымша қысым түсіру керек. Осмосты тоқтататын ерітіндіге сырттан түсірілген қосымша қысым – осмос қысымы болады. Осмос қысымы деген ұғым шартты, ол тек еріткіш, ерітінді және жартылай өткізгіші бар жүйеде ғана болады. Сұйытылған ерітінділердегі осмос қысымы мен газ қысымдары арасында сандық ұқсастық бар, яғни осмос қысымына газ қысымының барлық заңдары қолданылады.

Осмос қысымдары бірдей ерітінділер изотонды ерітінділер деп аталады. Басқа ерітіндіге қарағанда осмос қысымы жоғары болса гипертонды, төмен болса гипотонды ерітінділер деп аталады.

Осмос қысымын П немесе p деп белгілейді. Осмос қысымы еріген зат табиғатына тәуелсіз, ал ерітіндінің концентрациясына және температураға тура пропорционал екендігін Голландия ғалымы Вант-Гофф 1887 жылы (газдарға қолданылған Бойль-Мариот пен Гей-Люссак заңдарына ұқсас екендігін анықтады) мына формуламен есептеуге болатынын тапты: p = cRT, мұндағы с – ерітіндінің молярлы концентрациясы, моль/л; R – константа, сандық мәні газдар тұрақтысына тең, 0,082л-атом/град, Т – абсолют температура.

Ерітіндінің осмос қысымы(өлшемі – атм.), сол еріген зат газ күйінде болып, осы температурада, ерітіндінің көлеміндей көлем алып тұрғандағы туғызытын қысымына тең (Вант-Гофф заңы). с = n/V болғандықтан Вант-Гофф теңдеуі идеал газ күйі теңдеуіне ұқсас, оны мына күйге келтіруге болады: π = n/VRT немесе π×V = nRT бұл теңдеу газ күйінің теңдеуіне (PV = nRT) ұқсас. Концентрациясы с(Х) = 1моль/л болатын барлық бейэлектролиттер ерітінділерінің осмос қысымы бірдей, яғни 0°С температурада 22,69×105Па.

Осмос қысымын өлшеу арқылы (мембранды осмометрлерде) 106 дейінгі заттардың молекулалық массаларын (каучуктің, целлюлозаның, ақуыздың) анықтауға болады.

Айтылып өткен осмос заңы тек сұйық ерітінділерге сәйкес келеді. Қышқыл, негіз және тұздардың ерітінділері бұл заңға бағынбайды.

Ерітінділер буы қысымының төмендеуі. Ерітінділердің бетіндегі буының қысымы еріткішпен (сумен) салыстырғанда (сол температурада) едәуір төмен болады, себебі ерітіндінің беті сольваттанған еріген зат молекулаларымен біраз жабылған болады. Осы жағдай әсерінен еріткіш концентрациясы азайып, оның булану жылдамдығы да азайады. Бұл жағдай – ерітінділердің қасиеттерінің бірі. Әрбір сұйық белгілі температурада бетіндегі буымен тепе-теңдікте болады, яғни оның бетінен үзіліп шығып буға айналатын молекулалар саны будан қайтып сұйыққа қонатын молекулалар санына тең болады.

Егер суда (еріткіште) ұшқыш емес затты ерітсе, еріген зат еріткіштің бу қысымын төмендетеді, себебі зат ерігенде гидраттар пайда болады, олардың құрамынан су молекулалары ұша алмайтын болады. Сондықтан ерітіндінің бетінен үзіліп шығып буға айналатын молекулалар саны кемиді. Сонда таза еріткішке қарағанда ерітіндінің бетіндегі буымен атмосфера қысымының тепе-теңдікке келуі төменірек (кеміген) бу қысымында болады, яғни ерітіндінің қаныққан буының қысымы (р) сол температурада таза еріткіш қысымынан (р0) төмен болады. р0 – р = р айырымын р0 қатысты (р/р0 ) алса, ерітіндінің қаныққан буының қысымының төмендеуі деп атайды.

1887 жылы француз физигі Рауль көптеген ерітінділермен жұмыс істеп, мына заңдарды ашқан:

1. Еріткіш бу қысымының салыстырмалы төмендеуі еріген заттың моль сандарының ерітіндідегі жалпы моль сандарын (еріген зат пен еріткіштің) қатынасына тең.

2. Ерітіндінің қату температурасының төмендеуі не қайнау температурасының жоғарлауы, еріткіштің сол салмақ мөлшерінде еріген заттың мөлшеріне (ерітіндінің моляльдығына) пропорционал.

3. Түрлі заттардың эквимолекулалық мөлшерлері бір еріткіштің бірдей етіп алынған мөлшерінде ерітілген болса, ол ерітінділердің қату температурасы (қайнау температурасы) бірдей градус санына төмендейді (жоғарылайды).

р0 – р/р0 = n/ N+n не р/р0 = n/N+n, n – еріген заттың моль саны, ал N – еріткіш моль саны, ерітінді қысымына байланысты бұл теңдеуді шешсе,

p = p0 n/N+n .

1 моль затты 1000г еріткіште еріткенде қату температурасының төмендеуі (қайнау температурасының жоғарылауы) әрбір еріткіштің өзіне тән тұрақты шама. Оны еріткіштің криоскопиялық және эбуллиоскопиялық константалары деп атайды (Кк және Кэ), яғни олар еріткіш табиғатына тәуелді (байланысты ). Мысалы, су үшін Кк = 1,86 және Кэ = 0,516град×моль-1×кг. Рауль заңының математикалық өрнегі: t = K×C – мұндағы К криоскопиялық және эбуллиоскопиялық константалар, С моляльды концентрация, моль/кг, t – қату температурасының төмендеуі не қайнау температурасының жоғарылауы. Кэ және Кк – концентрациясы 1 моль/кг болатын ерітінділердің қайнау температурасының көтерілуіне және қату температурасының төмендеуіне тең шама. Егер концентрациядағы моль орнына m/M қойылса, онда t = K×C былай жазылады t = K×m/M, одан М = K×m/t – еріген заттың молекулалық массасын табуға болады. Заттардың салыстырмалы молекулалық массаларын ерітінділердің қату температуларының төмендеуі және қайнау температураларының жоғарылауы арқылы анықтау әдісі – криоскопиялық және эбуллиоскопиялық деп аталады. Рауль заңдарына, Вант-Гофф заңына концентрленген ерітінділер және электролит ерітінділері бағынбайды.

1-мысал. Ерітіндісі бейэлектролит болатын 1,764г затты суда еріткен. Ерітінді көлемі 100мл, ерітіндінің осмос қысымы 20°С температурада 2,38×105Па. Заттың молекулалық массасын анықтау қажет.

Шешуі: 1000 мл ерітіндіде еріген зат массасы 17,64 10-3 кг болады. Вант-Гофф теңдеуіне М = mRT/pV қойып

М = 17,64×10-3кг ×8,31Н×м×моль-1 ×К-1 ×293К/2,38×105 Н/м2 ×1×10-3 м3 =

180,3 ×10-3кг/моль не М = 180,3 г/моль және Мr = 180,3 анықталады.

2-мысал. 500мл суда массасы 12,42г зат ерітілген. 20°С температурада алынған ерітіндінің буының қысымы 3732,7 Па. Сол температурада су буының қысымы 3742Па. Еріген заттың Мr-ін анықтау керек.

Шешуі: Рауль заңынан p/p0 = n/N: n = pN/p0 ,p = 3742 – 3732,7 = 9,3Па және N = 500/18 = 27,78моль, одан n = 9,3×27,78/3742 = 0,069моль; n = m/M;

M = m/n = 12,42/0,069 = 180г/моль және Мr = 180.

3-мысал. 20г нафталин балқымасында (tб = 80,1°C) массасы 0,1106г бір органикалық қышқыл (Мr = 137.12) еріген. Сонда осы ерітіндінің tқ = 0,278°С болды. Криоскопиялық константаны анықтау керек.

Шешуі: m(қышқыл) ------- m(нафталин), яғни 0,1106 г ---- 20г

Х ------ 1000г, одан Х = 5,53г.

Ерітінді моляльдығы С = 5,53/137,12 = 0,0403моль/кг. tқ = Кк×С,

сонда Кк=0,278/0,0403; Кк = 6,9 град×моль-1 ×кг.

4-мысал. 22°С температурада 1,2 л ерітіндіде 20,5г қант (М= 342г/моль)

ерітілген болса, осмос қысымы қанша болады?

Шешуі: 342 г қант 0°С 1л ерітіндіде 2270кПа осмос қысымын тудырады, сонда

342г ----- 2270 кПа ------0°С ( 273К) ------ 1л

20,5г ----- х кПа ------ 22°С ( 295К) ------ 1,2л

х = 122,5 кПа.

5-мысал. 250мл ерітіндіде 2,3г зат ерітілген, оның осмостық қысымы 27°С температурада 249кПа болған, заттың молекулалық массасын есептеу керек.

Шешуі: 1л ерітіндіде 2,3×4 = 9,2г еріген зат болады (1000 : 250 = 4). Бұл ерітіндінің 0°С ( 273К) температурадағы осмостық қысымы пропорциядан 227кПа болады:

273 ------ х кПа

300 ------ 249 кПа, сонда 9,2 зат 1л ерітіндіде 227кПа осмос қысымын тудырса, 2270кПа қысымды хг 1л ерітіндідегі зат тудырады:

9,2 г 1л ерітіндіде --------- 227 кПа

Х г 1 л ерітіндіде ---------- 2270 кПа, х = 92

1 моль еріген зат 0°С (273К) температурада 22,4л ерітіндіде болса, оның осмостық қысымы 101,3кПа, ал заттың осы мөлшері (1моль) 1л ерітіндіде болса, сол температурада 2270кПа осмос қысымын тудырады.

6-мысал. 720г суда 25°С температурада 45г глюкоза ерітілген.

Ерітінді буының қысымын есептеу керек. 25°С-та су буының қысымы 3167кПа.

Шешуі: р = (3167 × 720/18)/( 720/18 + 45/180); р = 3145Па.

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Ерітіндінің осмос қысымы деген не?

2. Изотонды, гипертонды, гипотонды ерітінділер деген не?

3. Ерітіндінің қаныққан буының қысымының төмендеуі қандай жағдайларға байланысты?

4. Вант-Гофф және Рауль заңдарының қолданылуы.

5. Ерітінділердің коллигативтік қасиеттері деген не?

Практикалық сабақта және білім алушы оқытушы басшылығымен орындайтын (БОӨЖ) есептер мен жаттығулар

1. 0,0125моль затты 125г бензолда еріткенде оның кристалдану температурасы 0,512° төмендеген, бензолдың криоскопиялық константасын есептеу керек. Жауабы: 5,12.

2. 15г хлороформды 400г эфирде еріткен, оның эбуллиоскопиялық константасы 2,12, сонда қайнау температурасы 0,665°-қа көтерілген. Хлороформның молекулалық массасын анықтау керек. Жауабы: 119,5.

3. 155,18г ерітіндеде 5,18г зат ерігенде оның кристалдануы – 1,39°С-та. Судың криоскопиялық константасы 1,86. Еріген заттың молекулалық массасын есептеу керек. Жауабы: 46.

4. Сірке қышқылының кристалдану температурасы 16,65°С, ал криоскопиялық константасы 3,9. 0,1моль зат 125г сірке қышқылында еріген болса, ерітіндінің кристалдану температурасын есептеу керек.

Жауабы: 13,53°С.

5. Егер 0,6г затты 40г эфирде ерітсе, ол 36,13°С градуста қайнайды. Эфирдің қайнау температурасы 35,6°С, ал эбуллиоскопиялық константасы 2,12. Еріген заттың молекулалық массасын анықтау керек. Жауабы: 60.

6. Еріткіштің эбуллиоскопиялық және криоскопиялық константасы деген не?

7. 100°С-та су буының қысымы 1,01325×105 Па. 4%-дық мочевина ерітіндісі бетіндегі буының осы температурадағы қысымын есептеу керек.

Жауабы: 1,00085×105 Па.

8. 100°С температурада 10%-дық қант ерітіндісінің буының қысымын есептеу керек. Жауабы: 100,7кПа.

9. 25°С температурада су буының қысымы 3167Па. Осы температурадағы 90 г глюкозасы бар 450г ерітінді буының қысымын анықтау керек.

Жауабы: 3090Па.

10. 20°С температурада су буының қысымы 2338Па. Буының қысымы су буы қысымынан 18,7Па кем болатын ерітінді дайындау үшін 720г суда неше грамм қант еріту керек және ерітіндідегі қанттың пайыздық мөлшері қанша екенін есептеу керек. Жауабы: 109г; 13,15%.

11. 10°С температурада су буының қысымы 1228Па. Осы температурада буының қысымы 1200Па болатын ерітінді дайындау үшін 23г глициринді судың қандай мөлшерінде еріту керек. Ерітіндідегі глицириннің пайыздық мөлшерін есептеу керек. Жауабы: 193г және 10,65%.

12. Екі ерітіндіден тұратын жүйеде қандай жағдайларда осмос пайда болады және оның интенсивтігі мен бағыты немен анықталады? Жүйе осмостық тепе-теңдікке қалай келеді?

13. Осмостық қысым деген не және оны қандай құралдарда анықтайды?

14. Осмостық қысым қандай факторларға тәуелді және бұл тәуелділік қандай теңдеумен көрсетіледі?

15. Қай жағдайда бірдей температурада бейэлектролиттер ерітінділері бірдей осмостық қысым көрсетеді және ондай ерітінділер қалай аталады? Қай ерітінді екіншісіне қатысты а) гипертонды; б) гипотонды деп аталады? Қай ерітінді жағына қарай осмос бағытталады?

16. Өсімдіктер осмос арқылы суды жұтқанда ішкі клеткаларда (жасушаларда) осмос қысымы пайда болады, сондықтан өсімдік ұлпалары (ткани) тығыз болады (тургор). Қай жағдайларда осы тығыздық азая бастайды және өсімдіктер семеді? Тургор ненің арқасында қайта орнына келеді?

17. Молярлы концентрациялары 0,1; 0,8; 0,025моль/л болатын бейэлектролит ерітінділерінің 0°С температурадағы осмостық қысымдары нешеге тең? Жауабы: 2,269×105; 1,815×105; 5,672×104 Па.

18. Бейэлектролит ерітінділерінің 27°С температурадағы осмостық қысымдары, егер V және n а) 0,5л және 0,16 моль; б)125 мл және 0,05 моль тең болса, қанша болады? Жауабы: 7,98×105 және 9,97 ×105Па.

19. Көлемдері 1л 23г этил спирті не 36г глюкозасы бар бейэлектролит ерітінділерінің 27°С температурадағы осмостық қысымдары қанша болады? Жауабы: 1,246 ×105 және 4,986 ×106 Па.

20. 0°С температурада мочевина ерітіндісінің осмостық қысымы 6,8 ×105Па болса, 1л ерітіндідегі оның массасы қанша? Жауабы: 18,0г.