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稀溶液通性


铜臭 / 2022-07-21

   不同的溶质和溶剂组成的溶液往往有不同的性质,但难挥发、非电解的稀溶液却有些物理性质只和客液的浓度有关, 和溶质的种类无关:因此这些物理性质,称为稀溶液的通性,又称为稀溶液的依数性。这些物理性质是:溶液的蒸汽压下降、沸点上升、凝固点下降以及溶液的渗透压等。必须注意,以上客液的这些通性,只是对不易挥发非电解质溶质的稀溶液而言,不包括电解质溶液或易挥发的非电解质溶液。

一、溶液的蒸汽压下降
  1.溶液蒸汽压下降及其原因。如果将等体积的纯水(a)和蔗糖溶液(b)各一杯,放在一密闭容器内(如图6-6所示),经一 段时间就会发现,a 杯中纯水的体积减少了,而b杯中蔗糖溶液的体积增加了。这个现象说明:纯水的蒸汽压必然大于蔗糖溶液的蒸汽压,即溶液的蒸汽压比纯溶剂的低。因为在此密闭容器内的蒸汽压,既属纯水的,又属燕糖溶液的。此蒸汽压,对纯水来说,尚未达到它的饱和蒸汽压,因此水要不断蒸发;但对蔗糖溶液来说,此燕汽压已超过它的饱和蒸汽压,水要不断凝结至蔗糖溶液中。如此继续进行,水从纯水表面不断蒸发,并在蔗糖溶液表面不断凝结,结果水从a杯中自动地转移到b杯内,使蔗糖溶液的体积不断增大。
  在同温下,纯溶剂的燕汽压和溶液的蒸汽压之差,叫做溶液 的蒸汽压下降。图6-7是水、 冰和溶液的蒸汽压曲线图,aa'和bb'分别表示水和溶液的蒸汽压与温度的关系。bb'线在aa'线下而,表明在同一温度时,溶液的蒸汽压总是低于纯溶剂(水)的蒸汽压。
  为什么水中加入蔗糖后,它的蒸汽压会下降呢?如前所述,液体在某温度时的饱和蒸汽压,就是液体的蒸发速度和蒸汽凝结速度相等,体系达平衡时的蒸汽压力;在水中加入蔗糖后,由于蔗糖是难挥发的非电解质,它的分子不会蒸发至空间而产生蒸汽压,所以溶液的燕汽压实际上是溶液中溶剂的蒸汽压。水溶液中加入蔗糖后,溶液的表面层中就有一部分蔗糖分子,它们阻碍了 水分子的蒸发(见图6-8b),因此在单位时间内,从溶液中蒸发出的水分子数少于从纯水中蒸发出的分子数;当到达平衡时,在溶液上面空间单位体积内水的气态分子数必少于纯水上面的气态分子数,溶液的蒸汽压就比纯水的蒸汽压低。显然溶质溶解得愈多,也就是溶液的浓度愈大,溶液的蒸汽压降低也愈多。
  某些固体物质之所以在空气中易吸收水分而潮解,就是和溶液的蒸汽压下降有关。因为易潮解的固体和空气接触时,固体表面吸收空气中的水分生成少量浓溶液,它的饱和蒸汽压比空气中水蒸气的分压小,所以空气中的水蒸气将继续在固体表面凝结,使它继续潮解。因此,常用这些易潮解的物质(如无水CaCl₂等)作为干燥剂。
  2.溶液蒸汽压下降的计算。关于溶液蒸汽压的下降,拉乌尔根据实验的结果得出下列定律:在一定温度下,难挥发的非电解 质稀溶液的蒸汽压下降值(ΔP)和溶液中溶质的克分子份数成正比,而与溶质的本质无关。如溶剂和溶质的量都以克分子作单位时,溶质的克分子份数是溶质占溶剂和溶质克分子总数的份数。以n₀、n分别表示溶剂和溶质的克分子数时,溶质的克分子
 
  这就是拉乌尔定律用于稀溶液时的数学表达式。因为温度一定时,纯水的蒸汽压P₀是一定值,如果溶液中溶剂的量n₀不变,此时ΔP和n成正比。所以,如知道溶液的浓度即可用拉乌尔定律计算溶液的蒸汽压下降。
二、溶液的沸点升高和凝固点下降
  1.溶液的沸点上升(Δt沸)。在1个大气压下,纯水的沸点是100°C,这是因为100°C时水的蒸汽压为760毫米录柱,和外界大气压相等。当溶质为难挥发性的非电解质溶液时,由于其蒸汽压下降,在100°C时,溶液的蒸汽压就低于760毫米录柱,因而溶液也就不能沸胸。要使此溶液沸腾,只有将其加热到高手100°C的某一温度。从图6-7可以看出,只有使溶液的温度上升至b'时,溶液的蒸汽压才达到760毫米汞柱,其相应的沸点t沸比纯水的沸点(100°C)高Δt沸
  2.溶液的凝圆点下降(Δt凝)。在1个大气压下,水的凝固点是0°C。因为0°C时水和冰能平衡共存,此时水的蒸汽压和冰的 蒸汽压相等( 4.6毫米汞柱)。如果是非挥发性的非电解质溶液,在0°C时就不会结冰。这是由于溶液的蒸汽压下降,0°C时溶液的燕汽压必小于4.6毫米汞柱,冰和水就不能共存。由于冰和溶液的蒸汽压都随温度降低而减小,但减小的速率不同,冰的蒸汽压减小的速率比溶液的快得多,因此当温度下降到一-定值,冰的蒸汽压和溶液的蒸汽压相等时,冰和溶液又能共存,这时的温度就是溶液的凝固点。所以,溶液的凝固点比纯水的低。图6-7中ab表示冰的蒸汽压曲线。从图中可以看出ab线较bb'线陡,这说明冰的蒸汽压随温度降低而减小的速率比溶液的快。在b点,冰和溶液的蒸汽压相等,其相应的温度就是溶液的凝固点。它比纯水 的凝固点a (0°C)低Δt凝。
  3. Δt沸和Δt凝的计算。溶液的沸点上升和凝固点下降的程度,取决于溶液的浓度。这是因为溶液的蒸汽压下降引起了沸点上升和凝固点下降,而蒸汽压下降又是和溶液的浓度成正比的。根据拉乌尔的实验,确立了如下关系:
  难挥发的非电解质稀溶液的沸点上升值(Δt沸)和凝固点下降值(Δt凝)与溶液的重量克分子浓度(m)成正比,而与溶质的本质无关。
  Δt沸=K沸m

  在生产中,常利用某些溶液凝固点下降这一性质,例如冬天在汽车散热水箱中加入乙二醇以防止结冰。
三、溶液的渗透压
  渗透现象在自然界中广泛存在,如人在淡水中游泳时睁开限睛时间长了,便有胀痛的感觉。这就是由于水渗入眼球,使眼球细胞膨胀了的缘故。植物之所以能够吸收土壤中的水分和养料,虽然原因很多,但主要是靠渗透作用。在这里我们着重介绍渗透原理及其在水处理方面的应用。
  1.渗透现象。为了说明渗透现象,需先了解扩散现象。在日常生活中可看到一杯水中滴入几滴墨水,墨水会逐渐向四周散开,经过一段时间后,基水就会均匀地分布到整个溶液里,这种现象称为扩散。显然扩散是由于溶质和溶剂都在运动所致。
  什么是渗透呢?可以通过一个简单的实验来说明,装置如图6-9。在大烧杯内放一个倒置的长颈漏斗,漏斗口用半透膜扎紧。在烧杯里装入纯水,而在长颈漏斗中装入蔗糖水,并使烧杯里与管子里的液面相平。经过一段时间后,便可看到管子里的糖水液面慢慢上升,这就说明水透过半透膜进入溶液,使溶液的液面上升。这种只有水单方面透过半透膜的现象叫渗透。
  为什么会发生渗透现象呢?这是由于在与半透膜内外表面接触的液体中,单位体积内水分子数不同而引起的。显然在上述实验中,由于蔗糖分子占有了一部分体积,其中水分子数相对地比纯水的少。因为水分子能自由地透过半透膜,而蔗糖分子不能透过,所以在单位时间内,膜两侧透过的水分子数不相等,从纯水一侧透过的水分子数多于蔗糖水一侧的,结果使蔗糖溶液液面逐渐上升,纯水液面逐渐下降,产生了渗透现象。
  若将较稀的蔗糖溶液代替纯水,水同样会从稀溶液一侧通过 半透膜向浓度较高的一侧渗透。 总之,只要半透膜两侧的溶液存在着浓度差,就会产生渗透现象。

  2.渗透压。在上述实验中,随着渗透的进行,漏斗颈中液面不断上升,产生的静水压越来越大,迫使蔗糖水中的水分子向纯水中渗透速率加快,并使纯水中的水分子渗透速率减慢,当液柱高度达到一定值时,半透膜两侧水分子渗透的速度相等,达到动态平衡。此时,从表面上看,蔗糖溶液的液柱不再升高,渗透作用已不再进行。这个阻止渗透作用继续进行的压力,叫做该溶液的渗透压。漏斗颈中的液面与烧杯中纯水液面之间的距离“h”,即可作为渗透压的量度,一般“h”以厘米水柱(实际上是溶液柱)表示。也可以在蔗糖溶液面上加一压力,阻止渗透进行,使蔗糖溶液面与纯水液面保持相平,此压力即溶液的渗透压。溶液的浓度愈大,其渗透压也愈大。

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