12.10: Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunkterhöhung

Siedepunkterhöhung

Der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist die Temperatur, bei der ihr Dampfdruck dem atmosphärischen Umgebungsdruck entspricht. Da der Dampfdruck einer Lösung aufgrund des Vorhandenseins von nichtflüchtigen gelösten Stoffen gesenkt wird, liegt es nahe, dass der Siedepunkt der Lösung anschließend erhöht wird. Der Dampfdruck steigt mit der Temperatur, so dass eine Lösung eine höhere Temperatur als reines Lösungsmittel benötigt, um einen gegebenen Dampfdruck zu erreichen, einschließlich eines Drucks, der dem der umgebenden Atmosphäre entspricht. Die Erhöhung des Siedepunkts, die beobachtet wird, wenn ein nichtflüchtiger gelöster Stoff in einem Lösungsmittel (ΔT_b) gelöst wird, wird als Siedepunkterhöhung bezeichnet und ist direkt proportional zur molalen Konzentration der gelösten Arten:

wobei K_b die Siedepunkterhöhungskonstante oder die ebullioskopische Konstante und m die molale Konzentration (Molalität) aller gelösten Spezies ist. Siedepunkterhöhungskonstanten sind charakteristische Eigenschaften, die von der Identität des Lösungsmittels abhängen.

Absenkung des Gefrierpunkts

Lösungen gefrieren bei niedrigeren Temperaturen als reine Flüssigkeiten. Dieses Phänomen wird bei “Enteisungs”-Programmen ausgenutzt, bei denen Salz, Kalziumchlorid oder Harnstoff verwendet werden, um Eis auf Straßen und Gehwegen zu schmelzen, und bei der Verwendung von Ethylenglykol als “Frostschutzmittel” in Autokühlern. Meerwasser gefriert bei einer niedrigeren Temperatur als Süßwasser, so dass die Arktis und die Antarktis auch bei Temperaturen unter 0 °C nicht gefroren bleiben (ebenso wie die Körperflüssigkeiten von Fischen und anderen kaltblütigen Meerestieren, die in diesen Ozeanen leben).

Die Abnahme des Gefrierpunkts einer verdünnten Lösung im Vergleich zu der des reinen Lösungsmittels ΔT_f wird als Gefrierpunktssenkung bezeichnet und ist direkt proportional zur molalen Konzentration des gelösten Stoffes

wobei m die molale Konzentration des gelösten Stoffes und K_f die Gefrierpunktsdepressionskonstante (oder kryoskopische Konstante) ist. Genau wie bei den Siedepunkterhöhungskonstanten handelt es sich dabei um charakteristische Eigenschaften, deren Werte von der chemischen Identität des Lösungsmittels abhängen.

Bestimmung der Molmassen

Der osmotische Druck und Änderungen des Gefrierpunkts, des Siedepunkts und des Dampfdrucks sind direkt proportional zur Anzahl der gelösten Spezies, die in einer bestimmten Menge Lösung vorhanden sind. Folglich ermöglicht die Messung einer dieser Eigenschaften für eine Lösung, die unter Verwendung einer bekannten Masse des gelösten Stoffes hergestellt wurde, die Bestimmung der molaren Masse des gelösten Stoffes.

Zum Beispiel wird festgestellt, dass eine Lösung von 4,00 g eines Nichtelektrolyten, der in 55,0 g Benzol gelöst ist, bei 2,32 °C gefriert. Unter der Annahme eines idealen Lösungsverhaltens, wie hoch ist die Molmasse dieser Verbindung?

Um dieses Problem zu lösen, wird zunächst die Änderung des Gefrierpunkts vom beobachteten Gefrierpunkt und dem Gefrierpunkt von reinem Benzol berechnet:

Dann wird die molale Konzentration aus K_f, der Gefrierpunktserniedrigungskonstante für Benzol, und ΔT_f bestimmt:

Als nächstes wird die Anzahl der Mole der Verbindung in der Lösung aus der molalen Konzentration und der Masse des Lösungsmittels ermittelt, die zur Herstellung der Lösung verwendet wurde.

Und schließlich wird die molare Masse aus der Masse des gelösten Stoffes und der Anzahl der Mole in dieser Masse bestimmt.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 11.4: Kolloliative Eigenschaften.