Erin- mindig szeretjük a további kérdéseket. Ez azt mutatja, hogy valaki tényleg elolvasta a választ.
A Google-on rákerestem a “forráspont molekuláris emelése” kifejezésre, amit a CRC Handbook of Chemistry and Physics című kézikönyvben keresve találtam. Számos találat volt, többek között:.
Talán meg kellene magyaráznom, hogy miért van egyszerű összefüggés az egységnyi térfogatra jutó oldott molekulák vagy ionok száma és a forráspontemelkedés között. Lehet, hogy ez a magyarázat sokkal szakszerűbb, mint amit ön vagy sok más olvasó szeretne, de nem tudok ellenállni annak, hogy megpróbáljam megmutatni, hogy ezeknek a szabályoknak logikája van, nem csak egy sor mondás, amit meg kell jegyezni. Az alábbi leírás némileg általános, de az oldószer gyakran lehet víz, az oldott anyag pedig só vagy cukor.
A folyadék akkor forr, ha olyan hőmérsékletre melegítjük, amelynél a nettó szabad energia nem változik, amikor néhány molekula elhagyja a folyadékot és csatlakozik a gázhoz (az adott alkalmazott nyomáson). A szabadenergia-változás magában foglalja a folyadék és a gáz energiájának és entrópiájának (lásd alább) változását is. Sok energiára van szükség ahhoz, hogy egy molekula kivonuljon a folyadékból, de sok entrópiát nyer azáltal, hogy a gázban sok hely áll rendelkezésére. (Az entrópiát a rendelkezésre álló állapotok számának természetes logaritmusaként határozzák meg.) Az entrópia és az energia relatív jelentőségét a hőmérséklet határozza meg. Van tehát egy bizonyos hőmérséklet (a forráspont), ahol a két hatás egyensúlyban van, és mind a folyadék, mind a gáz stabil.
Ezeket a hatásokat minden oldószer esetében elég nehéz kitalálni, de szerencsére minket itt csak a változás érdekel, amikor egy kis oldott anyagot adunk hozzá, mert ez az, ami megváltoztatja a forráspontot. Gondoljunk arra, mi történik, ha csak egy kis oldott anyagot adunk hozzá, nem eleget ahhoz, hogy az oldott anyag molekulái vagy ionjai között nagy kölcsönhatás legyen. Az oldott anyag megváltoztathatja az oldószer entrópiáját és energiáját, de ez a hatás nem érzékeny az oldószermolekulák számának változására, mert minden egyes oldott anyagmolekulát amúgy is teljesen körülvesz az oldószer. A legfontosabb változás a következő: amikor egy oldószermolekula elpárolog, kevesebb hely marad az oldott anyagmolekulák számára, amelyekben zöröghetnek. Kevesebb állapot áll rendelkezésükre. Másképpen úgy is mondhatjuk, hogy veszítettek némi entrópiát. Ha mondjuk az oldószer 1%-a elforrna, minden oldott anyagmolekula csak 99%-kal több állapotot tudna elérni, tehát természetes entrópiaegységben kifejezve körülbelül 0,01 entrópiát veszítene. Az egy oldott anyagmolekulára jutó entrópiaveszteség nem függ a molekuláris tulajdonságaitól, így a forráspontra gyakorolt hatása sem!
mike w
Ez az egyszerű hétköznapi kérdés érdekes fizikát rejt magában, és néhányszor átgondoltam a választ. A kérdés az, hogy kis nem illékony oldott anyag koncentrációk esetén a forráspont emelkedés (vagy ennek megfelelően a gőznyomás csökkenés) csak az oldott anyag molekulák koncentrációjától függ-e, semmilyen tulajdonságuktól nem. Biztos vagyok benne, hogy az érv benne van a fizikai kémia tankönyvekben, de manapság könnyű ellustulni és megpróbálni minden infót a netről vagy gondolkodással beszerezni.
Először azt írtam, hogy igen, aztán módosítottam a választ, hogy úgymond. Némi gondolkodás után a válasz igen minden nem ionos oldott anyagra. Majd akkor teszek fel egy frissítést, ha már biztosabb vagyok az ionos oldott anyagokkal kapcsolatban.
Mindenesetre, itt az érv a nem ionos oldott anyagokra. Ezeknek nincs hosszú távú kölcsönhatásuk egymással vagy az oldószerrel. Így a szabad energiát négy részre bonthatjuk:
1. a tiszta oldószer régiókból.
2. az oldószer kis golyócskáiból, amelyek egy-egy oldott anyag molekulát tartalmaznak
3. az oldószer-oldott anyag kölcsönhatásokból.
4. az oldott anyag molekulák helyének entrópiájából származó rész
A 4. feltétel az, ami a fent tárgyalt hatást adja.
A 3. feltétel híg oldatoknál elhanyagolhatóan kicsi.
A 2-es kifejezés nem változik, amikor egy oldószermolekula elpárolog, mert az oldott molekulák száma nem változik.
Az 1-es kifejezés ugyanaz, mint a tiszta oldószer esetében.
A szabadenergia-változás tehát, amikor egy oldószermolekula távozik, hogy a gőzbe (vagy a szilárd anyagba) menjen, ugyanaz, mint a tiszta oldószer esetében, plusz az általunk számított kifejezés, amely csak az oldószertől és az oldott molekulák sűrűségétől függ.
Ez az a fajta érvelés, amely a legtöbb ember számára unalmasnak tűnhet, de néhányunknak nagy izgalmat okoz, amikor valami ilyen pontos, szigorú eredmény bukkan fel a legtöbb probléma szempontjából fontos bonyodalmak homályából.
Mint mondtam, a dolgok egy kicsit bonyolultabbá válnak, ha vannak nagy hatótávolságú elektrosztatikus kölcsönhatások, ezért egy frissítés következik.
mike w, ismét
p.s. Egy előzetes számítás arról, hogy mi történik a sókkal (ionokkal), azt mutatja, hogy csak akkor van ugyanolyan hatásuk a forráspontra, mint más oldott anyagoknak, ha a koncentrációjuk jelentősen alacsonyabb, mint az oldószerben lévő háttérion-koncentráció. Vízben ez a H+ és OH- egyenként 10-7 M. Tehát a só koncentrációjának azon fajtái esetében, amelyeknek jelentős hatása van, az elektrosztatikus kölcsönhatások miatt az iononkénti hatás eltér a nem ionos oldott anyagok molekulánkénti eredményétől.
(2007.10.22-én jelent meg)