Повишаване на точката на топене и понижаване на точката на замръзване

Нека да помислим какво се случва с точката на кипене или с точката на замръзване на произволен разтвор, ако започнем да добавяме частици от разтвореното вещество. Нека пак да си представим, че имаме вода. Не е задължително да бъде вода. Може да е всякакъв разтворител, но нека си представим, че е вода, която е в течно агрегатно състояние. Частиците са разпръснати поради тяхната кинетична енергия, но все още има водородни връзки между молекулите, които ги притеглят едни към други. Значи това е в течно състояние, и те притежават някакво количество кинетична енергия. Спомни си, всяка от тези частици се движи в някаква посока, удрят се едни в други и рикошират. За да премине в твърдо агрегатно състояние, ако замразим водата, какво ще се случи? Ледът има някакъв вид кристална структура. Той е много организиран, ако мога да кажа така. Нека да изглежда някак така. Водните молекули ще се подредят равномерно, а водородните връзки ще са по-важни от кинетичните движения, или цялото кинетично движение ще е просто едно трептене на едно и също място. Значи тук имаме по-голяма подреденост, нали? И след това кристалната структура продължава нататък с милиони милиарди водни молекули. Интересното нещо е, че тези молекули някак трябва да се организират. А какво ще стане, ако започнем да добавяме молекули в тази вода? Нека например е натриев... всъщност не искам да съм конкретен. Нека е някаква произволна молекула, ако трябва да добавя тук нещо... нека го нарисувам отново. Сега просто ще направя няколко молекули и нека да приемем, че те са много големи и ще изместят всички тези водни молекули настрани. Сега водните молекули са отвън и нека да имаме още една ето тук, една много голяма молекула на разтвореното вещество в сравнение с молекулите на водата, които всъщност не са много големи. Сега дали ще е по-лесно или по-трудно да замразим водата? Повече или по-малко енергия ще е необходимо да се отнеме за преминаване в замразено състояние? Тъй като тези молекули няма да са част от тази кристална решетка, защото, честно казано, те не пасват в нея. Те ще направят по-трудно за тези водни молекули да се организират, тъй като за да се организират, те трябва да са на подходящо разстояние, за да се образуват водородни връзки. Но в този случай, дори когато започнеш да отнемаш топлина от системата, тези водни молекули, които не са около разтворените частици, ще започнат да се организират. Но когато добавиш частица от разтвореното вещество, нека да кажем, че една частица на разтвореното вещество е тук. Ще бъде много трудно за тези молекули да се организират, да се приближат достатъчно и да образуват водородна връзка. Това разстояние го прави много трудно. Начинът, по който аз го разглеждам, е, че тези разтворени частици правят структурата неправилна, или добавят повече безпорядък, ако говорим за ентропия и подобни неща. Те внасят повече безпорядък и е по-трудно да се получи подредената структура. Логиката подсказва, че това трябва да понижи точката на кипене... извинявам се, трябва да понижи точката на топене. Значи разтворените частици понижават точката на топене. Ако говорим за вода при стандартна температура и налягане от една атмосфера, тогава точката на топене вместо 0 градуса ще бъде –1 или –2 градуса Целзий и ние ще го разгледаме малко по-късно. А каква е логиката, когато искаш да преминеш в газообразно състояние, когато искаш това да кипне? Първото ми хрумване е, че ние вече сме в неподредено състояние, което е близко до газообразното, така че няма ли да е по-лесно да кипне? Но излиза, че става по-трудно да се кипне и сега ще го обясня. Спомни си, че при кипенето всичко се свързва с това, което се случва на повърхността, и ние говорихме за това при парно налягане. Значи ако на повърхността имам куп молекули на водата, те са в течно състояние, и ние знаем, че стайната температура не е достатъчно висока, за да се изпарят водните молекули, но те все пак имат различни кинетични енергии. И някои от тези водни молекули на повърхността може да имат достатъчно висока скорост, за да избягат. И когато те избягат в парите, те създават парно налягане. И ако това парно налягане е достатъчно голямо, можем да ги разглеждаме като портиери, които блокират пътя на другите молекули, да не могат да избягат и блокират над тях атмосферното налягане. И ако има достатъчен брой от тях и те имат достатъчно енергия, те могат да започнат да бутат назад, или да бутат навън, така че повече молекули могат да дойдат над тях. Надявам се, че сравнението с портиери не те обърква. И какво става, ако добавим разтворено вещество тук? Някои от тези разтворени частици може да са тук. Това може би няма голям ефект тук долу, но но някои от тях ще отскочат на повърхността, така че ще заемат част от повърхността. И понеже ще заемат част от повърхността, ще имаме по-малко повърхност, която е открита за частиците на разтворителя или за веществото, което ще се изпарява. Ще има по-ниско парно налягане. Спомни си, че точката на кипене е там, където налягането на парите, когато има достатъчно частици с достатъчна кинетична енергия, които ще започнат да бутат срещу атмосферното налягане, когато парното налягане се изравни с атмосферното налягане, тогава започва кипенето. Но поради тези частици ние имаме по-ниско парно налягане. Затова ще трябва да добавя още повече кинетична енергия, повече топлина към системата, за да повиша достатъчно парното налягане, за да почне то да избутва атмосферното налягане. Така че разтвореното вещество повишава температурата на кипене. Значи можеш да го разглеждаш, че когато добавяш нещо в разтвора, той иска по-дълго да остане в течно състояние. Когато понижаваш температурата, то ще иска по-дълго да е в течно състояние, а не в твърдо, а когато повишаваш температурата, то ще иска по-дълго да е течно, а не газ. Намирам това за много елегантно обяснение, надявам се, че добре е обяснено в това видео. Искам да цитирам източника си: това е от chem.purdue.edu/gchelp/solutions/eboil.html, смятам, че това е чудесна графика, по-точно визуализация. Това е просто повърхността с водните молекули, и можеш да си представиш как веществата се изпаряват. Тук има някои молекули на повърхността, които рикошират. И тук има пример, в който показват натриев хлорид на повърхността. И понеже част от натриевия хлорид един вид се сблъсква на повърхността с водните молекули, по-малко от тези водни молекули могат да избягат, така че точката на кипене се повишава. Сега въпросът е: с колко се повишава? И едно от хубавите неща в живота е, че отговорът е много прост. Промяната в точката на кипене или в точката на топене, т.е. промяната в температурата на изпарение, е равна на някаква константа по броя на моловете, или молалната концентрация, молалната концентрация на разтвореното вещество, което добавяш в разтвора. Нека да кажем, че имам един килограм от... и нека разтворителят ми да е вода. Ще сменя цветовете. Нека да имам един килограм вода и да кажем, че налягането е атмосферното. Нека да имам някакво количество натриев хлорид, NaCl. Нека да имам два мола натриев хлорид. Въпросът е колко ще повиши това точката на топене на тази вода? Тук първо трябва да се намери молалната концентрация, която е равна на броя молове от разтвореното вещество, тези два мола, разделени на броя килограми на разтворителя. Нека имам един килограм разтворител. Това са разбира се молове. Значи нашата молална концентрация е 2 мола на килограм. И остава да намерим тази константа и ще знаем колко е повишението на температурата. На същия сайт на Пардю има списък с таблици. Аз не съм правил сам тези експерименти. Но те имат някои много полезни графики. Те казват: нормалната точка на кипене на водата е 100 градуса по Целзий при нормално атмосферно налягане. И тук константата я дават като 0,512 градуса по Целзий на мол. Нека да я закръглим на 0,5. Равна е на 0,5. Значи k е равна на 0,5. И искам да стане много ясно, защото това е много интересен момент. Казах, че тук имаме 2... всъщност съм направил грешка тук. Казах, че молалната концентрация на натриевия хлорид е 2. Два мола на килограм. Но това ще бъде, ако натриевият хлорид остане в кристално състояние, ако не се дисоциира, нали? Но какво се случва, когато натриевият хлорид се дисоциира, учихме за това в предното видео. Всяка молекула или всяка двойка натриев хлорид се дисоциира в два йона – в натриев катион и хлориден анион. И поради това, тъй като се дисоциира на две, молалната концентрация ще бъде два пъти по моловете на натриевия хлорид. Значи ще имаме два пъти по това. Значи молалната концентрация всъщност ще бъде 4. И това е много интересен момент. Ако имам... аз го написах тук. Значи това е глюкоза, а това е натриев хлорид, като натриевият хлорид е в кристална форма. Една молекула, предполагам, че можеш да я видиш, или една сол. Предполагам, че можеш да си я представиш като една от тези двойки. Интересното е, че може да имаш същия брой молове натриев хлорид, когато разглеждаш като съединение като глюкозата. Когато глюкозата попадне във вода, тя си остава една молекула вода. Значи един мол глюкоза се дисоциира до един мол глюкоза във вода. Всъщност тя не се дисоциира. Просто си остава един мол, докато един мол натриев хлорид ще се превърне в два мола, защото се дисоциира. Дисоциира се на две отделни частици. И в нашия пример, когато започнем с един мол от това, всъщност, след като го разтворя във вода, получавам 4 мола на килограм молална концентрация, тъй като получавам две частици. Така че молалната концентрация е четири мола. 2 мола натрий и 2 мола хлорид за килограм. И просто ще използвам константата, която взех от Пърдю. И получавам, че промяната на температурата е равна на тази константа 0,5 по 4, което е равно на 2 градуса. Значи точката на кипене ще се повиши с два градуса. Ако имам същия брой молове, ако имам 2 мола глюкоза, разтворена в моята вода, значи ще имам половината от това увеличение. Защото молалната концентрация ще бъде наполовина. Защото глюкозата не става две частици. В някои учебници можеш да го видиш написано така. Това е същата формула, написана като промяна на температурата на кипене, или температурата на изпарение, или както искаш го назови, която е равна на К по m по i, където това е молалната концентрация на веществото, за което говорим. В този случай това число ще бъде 2, а i е броят на молекулите, в които то се дисоциира. В този случай това ще бъде 2. Ето откъде ще получим 4 по К, което е 0,5, и получаваме 2. В случая с водата... извинявам се, с глюкозата, това ще бъде 2. Но тя си остава една частица, когато се разтваря във водата, затова тук е 1. И ще имаме един градус увеличение в точката на кипене на водата. Сега с точката на замръзване нещата са аналогични. Промяната на точката на замръзване е също пропорционална на молалната концентрация. И ти можеш да кажеш молалната концентрация на изходното вещество извън разтвора, по броя на компонентите, в които се дисоциира, въпреки че К е различно за точката за топене отколкото за точката за кипене. Тази константа се променя за различни налягания и химични вещества. Но най-важното е да разбереш, че дори да имаш един мол от това и един мол от това, те ще бъдат разтворени в еднакво количество вода, защото това се дисоциира в две частици, а това се дисоциира само в една... или това се дисоциира в два мола за всеки мол кристал, който имаш... а това не се дисоциира, остава си една частица... и това има двойно по-голямо влияние върху промяната на точките на топене и кипене, отколкото глюкозата.