Erin- ci piacciono sempre le domande di follow-up. Mostra che qualcuno ha effettivamente letto una risposta.
Sono andato su Google, cercando ‘elevazione molecolare del punto di ebollizione’, un nome che ho ottenuto cercando nel CRC Handbook of Chemistry and Physics. Ci sono stati diversi risultati, tra cui:.
Forse dovrei spiegare perché c’è una semplice relazione tra il numero di molecole o ioni dissolti per unità di volume e l’elevazione del punto di ebollizione. Questa spiegazione può essere più tecnica di quanto voi o molti altri lettori vogliano, ma non posso resistere a cercare di mostrare che c’è una logica a queste regole, non solo un insieme di detti da ricordare. La descrizione che segue è in qualche modo generale, ma il solvente potrebbe spesso essere l’acqua, e il soluto potrebbe essere sale o zucchero.
Un liquido bolle quando viene riscaldato a una temperatura per la quale l’energia libera netta non cambia quando alcune molecole lasciano il liquido e si uniscono al gas (alla particolare pressione usata). Il cambiamento di energia libera coinvolge il cambiamento sia di energia che di entropia (vedi sotto) del liquido e del gas. Ci vuole molta energia per tirare una molecola fuori dal liquido, ma essa guadagna molta entropia avendo molto spazio per correre nel gas. (L’entropia è definita come il logaritmo naturale del numero di stati disponibili). L’importanza relativa dell’entropia e dell’energia è determinata dalla temperatura. Quindi c’è una temperatura particolare (il punto di ebollizione) dove i due effetti si bilanciano, e sia il liquido che il gas sono stabili.
Per ogni solvente, questi effetti possono essere piuttosto difficili da capire, ma fortunatamente tutto ciò che ci interessa qui è il cambiamento quando viene aggiunto un piccolo soluto, perché è questo che cambia il punto di ebollizione. Pensiamo a cosa succede quando si aggiunge solo un piccolo soluto, non abbastanza perché ci sia molta interazione tra le molecole o gli ioni del soluto. Il soluto può cambiare l’entropia e l’energia del solvente, ma questo effetto non è sensibile ai cambiamenti nel numero di molecole di solvente perché ogni molecola di soluto è comunque completamente circondata dal solvente. Il cambiamento chiave è questo: quando una molecola di solvente evapora, lascia meno spazio per le molecole di soluto per scuotersi. Ci sono meno stati disponibili per loro. Un altro modo per dirlo è che hanno perso un po’ di entropia. Se, diciamo, l’1% del solvente bollisse via, ogni molecola di soluto avrebbe solo il 99% di stati a sua disposizione, quindi perderebbe circa 0,01 di entropia, in unità di entropia naturale. La perdita di entropia per molecola di soluto non dipende dalle sue proprietà molecolari, quindi nemmeno l’effetto sul punto di ebollizione!
mike w
Questa semplice domanda di tutti i giorni ha della fisica interessante, e ho ripensato la risposta alcune volte. La domanda è se per piccole concentrazioni di soluto non volatile l’innalzamento del punto di ebollizione (o equivalentemente, la riduzione della pressione di vapore) dipende solo dalla concentrazione delle molecole di soluto, non da nessuna delle loro proprietà. Sono sicuro che l’argomento è nei libri di testo di chimica fisica, ma in questi giorni è facile diventare pigri e cercare di ottenere tutte le informazioni dal Web o pensando.
In un primo momento ho scritto sì, poi alterato la risposta a dire sort-of. Dopo averci pensato un po’, la risposta è sì per qualsiasi soluto non ionico. Pubblicherò un aggiornamento quando sarò più sicuro sui soluti ionici.
Ad ogni modo, ecco l’argomento per i soluti non ionici. Questi non hanno interazioni a lungo raggio tra loro o con il solvente. Quindi si può scomporre l’energia libera in quattro parti:
1. dalle regioni di solvente puro.
2. dalle palline di solvente che contengono ciascuna una molecola di soluto
3. dalle interazioni soluto-soluto.
4. la parte dall’entropia di dove sono le molecole di soluto
Il termine 4 è quello che dà l’effetto che abbiamo discusso sopra.
Il termine 3 è trascurabilmente piccolo per soluzioni diluite.
Il termine 2 non cambia quando una molecola di solvente evapora, perché il numero di molecole di soluto non cambia.
Il termine 1 è lo stesso del solvente puro.
Quindi il cambiamento di energia libera quando una molecola di solvente se ne va per andare al vapore (o al solido) è lo stesso del solvente puro più il termine che abbiamo calcolato che dipende solo dal solvente e dalla densità delle molecole di soluto.
Questo è il tipo di argomento che deve sembrare noioso alla maggior parte delle persone, ma alcuni di noi provano un grande brivido quando qualche risultato rigoroso ed esatto come questo salta fuori dal torbido delle complicazioni che sono importanti per la maggior parte dei problemi.
Come ho detto, le cose diventano un po’ più complicate se ci sono interazioni elettrostatiche a lungo raggio, quindi seguirà un aggiornamento.
mike w, ancora
p.s. Un calcolo preliminare di ciò che accade con i sali (ioni) indica che essi hanno lo stesso effetto sul punto di ebollizione come altri soluti solo quando la loro concentrazione è significativamente inferiore alla concentrazione ionica di fondo nel solvente. In acqua è 10-7 M ciascuno di H+ e OH-. Quindi, per i tipi di concentrazione salina che hanno un effetto maggiore, le interazioni elettrostatiche rendono l’effetto per ione diverso dal risultato per molecola per i soluti non ionici.
(pubblicato il 22/10/2007)