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Die Gefrierpunktssenkung ist das Phänomen, das beobachtet wird, wenn der Gefrierpunkt einer Lösung niedriger ist als der des reinen Lösungsmittels.
Dieses Phänomen resultiert aus Wechselwirkungen zwischen dem gelösten Stoff und den Lösungsmittelmolekülen. Der Unterschied der Gefriertemperaturen ist direkt proportional zur Anzahl der im Lösungsmittel gelösten gelösten Partikel.
Die Molmasse eines nichtflüchtigen gelösten Stoffes kann aus der Differenz der Gefriertemperaturen berechnet werden, wenn die Massen des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes in der Lösung bekannt sind.
Dieses Video stellt die Beziehung zwischen der Gefrierpunktssenkung und der molaren Masse des gelösten Stoffes vor, ein Verfahren zur Bestimmung der molaren Masse eines unbekannten gelösten Stoffes und einige reale Anwendungen zur Induktion und Beobachtung von Änderungen der Gefriertemperatur.
Die Gefrierpunktserniedrigung ist eine kolligative Eigenschaft, was bedeutet, dass sie nur durch das Verhältnis von gelösten Stoffen zu Lösungsmittelpartikeln und nicht durch deren Identität beeinflusst wird.
Am Gefrierpunkt einer reinen Substanz sind die Schmelz- und Gefriergeschwindigkeiten gleich.
Wenn eine Lösung auf den Gefrierpunkt ihres Lösungsmittels abgekühlt wird, beginnen die Lösungsmittelmoleküle, einen Feststoff zu bilden. Es ist energetisch weniger günstig, ein gemischtes Gitter aus Lösungsmittel und gelösten Partikeln zu bilden. Die gelösten Partikel verbleiben in der Lösungsphase. Nur Lösungsmittel-Lösungsmittel-Wechselwirkungen tragen zur Gitterbildung bei, so dass Lösungsmittel-Lösungsmittel-Wechselwirkungen die Gefrierrate im Vergleich zu der des reinen Lösungsmittels reduzieren.
Die Temperatur, bei der das Gefrieren beginnt, ist der Gefrierpunkt der Lösung. Die Lösung kühlt beim Gefrieren weiter ab, aber dieser anhaltende Temperaturabfall spiegelt die zunehmende Konzentration des gelösten Stoffes in der Lösungsphase wider.
Schließlich ist die Lösungstemperatur so niedrig und es verbleibt so wenig Lösungsmittel in der flüssigen Phase, dass es für die gelösten Partikel günstig wird, ein Gitter zu bilden. Ist dieser Punkt erreicht, bleibt die Temperatur annähernd konstant, bis das Gemisch fest gefroren ist.
Die molare Masse des gelösten Stoffes und damit die Identifizierung des gelösten Stoffes kann aus der Beziehung zwischen dem Gefrierpunkt des reinen Lösungsmittels, dem Gefrierpunkt der Lösung und der Molalität der Lösung bestimmt werden. Die Molalität oder m ist ein Maß für die Konzentration des gelösten Stoffes pro Kilogramm des Lösungsmittels in Mol. Diese Beziehung hängt von der Gefrierpunktserniedrigungskonstante des Lösungsmittels und der Anzahl der gelösten Partikel ab, die pro Formeleinheit, die sich auflöst, erzeugt werden.
Die Molalität kann in Form von Molmasse ausgedrückt werden, so dass die Gleichung neu angeordnet werden kann, um die Molmasse des gelösten Stoffes aufzulösen. Wenn man dies in die Gefrierpunktgleichung einfügt, kann die molare Masse geklärt werden, sobald die Temperaturdifferenz bekannt ist. Nachdem Sie nun das Phänomen der Gefrierpunktserniedrigung verstanden haben, gehen wir ein Verfahren zur Bestimmung der Molmasse eines unbekannten gelösten Stoffes aus den Gefrierpunktstemperaturen durch. Der gelöste Stoff ist ein nichtionisches, nichtflüchtiges organisches Molekül, das ein Partikel pro gelöster Formeleinheit erzeugt, und das Lösungsmittel ist Cyclohexan.
Um dieses Experiment zu starten, schließen Sie den Temperaturfühler zur Datenerfassung an den Computer an. Setzen Sie den Temperaturfühler und einen Rührer in den Probenbehälter ein.
Legen Sie die Länge der Datenerfassung und die Stichprobenrate fest. Lassen Sie bei der Datenerfassung ausreichend Zeit, damit die Probe einfriert.
Legen Sie die oberen und unteren Grenzen des Temperaturbereichs für die Probe fest.
Geben Sie 12 ml Cyclohexan in ein sauberes, trockenes Reagenzglas. Wischen Sie den Temperaturfühler mit einem Kimwipe ab. Setzen Sie die Stopfenbaugruppe so in das Reagenzglas ein, dass die Spitze des Temperaturfühlers in der Flüssigkeit zentriert ist und weder die Seiten noch den Boden berührt.
Bereiten Sie in einem Becherglas ein Eiswasserbad vor. Starten Sie dann die Erfassung der Temperaturdaten.
Legen Sie das Reagenzglas in das Eiswasserbad und stellen Sie sicher, dass sich der Flüssigkeitsstand im Reagenzglas unter der Oberfläche befindet. Rühren Sie die Flüssigkeit kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit um.
Sobald das Einfrieren beginnt, lassen Sie die Datenerfassung so lange weitergehen, bis sich das Diagramm auf eine konstante Temperatur eingependelt hat. Dies ist der Gefrierpunkt von reinem Cyclohexan. Nehmen Sie das Reagenzglas aus dem Eiswasserbad und lassen Sie es auf Raumtemperatur erwärmen.
Sobald das Cyclohexan geschmolzen ist, wiegen Sie das feste unbekannte Material genau auf Wägepapier. Entfernen Sie den Stopfen aus dem Reagenzglas und fügen Sie den Feststoff hinzu. Vermeiden Sie es, dass die Verbindung am Reagenzglas haftet.
Setze den Stopfen wieder auf und rühre die Lösung, bis sich der Feststoff vollständig aufgelöst hat. Wichtig ist, dass keine festen Kristalle zurückbleiben.
Stellen Sie die Parameter für die Datenerfassung ein und bereiten Sie ein frisches Eiswasserbad vor. Beginnen Sie mit der Sammlung, stellen Sie das Reagenzglas in das Bad und rühren Sie kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit. Sobald das Einfrieren beginnt, sinkt der Gefrierpunkt aufgrund der zunehmenden Konzentration an gelösten Stoffen weiter ab. Setzen Sie die Datenerfassung fort, bis die Steigung dieses Rückgangs offensichtlich ist. Wenn der Versuch beendet ist, lassen Sie die Lösung der unbekannten Verbindung auf Raumtemperatur erwärmen und entsorgen Sie sie dann gemäß den Verfahren für organische Abfälle.
In diesem Experiment ist bekannt, dass die unbekannte Substanz eine von fünf möglichen Verbindungen ist: Biphenyl, Bromchlorbenzol, Naphthalin, Anthracen und Dibrobbenzol. Die Identität des Unbekannten kann durch den Vergleich seiner Molmasse mit diesen bekannten Substanzen bestimmt werden.
Der unbekannte gelöste Stoff erzeugt ein Partikel pro gelöster Formeleinheit. Zur Berechnung der molaren Masse der unbekannten Verbindung werden die Gefrierpunktsunterdrückenkonstante von Cyclohexan, die Masse des verwendeten gelösten Stoffes und Lösungsmittels sowie die Differenz der Gefriertemperaturen benötigt.
In diesem Beispiel wurden
0,147 g des unbekannten gelösten Stoffes verwendet. Die Gefrierpunktsunterschiedskonstante von Cyclohexan beträgt 20,2 ? C-kg pro mol gelösten Stoffes. Die Dichte und das Volumen von Cyclohexan werden verwendet, um die Masse des Lösungsmittels zu berechnen.
Aus den Diagrammen werden die Werte des Gefrierpunkts des reinen Lösungsmittels und des Gefrierpunkts der Lösung bestimmt.
Wenn bekannt ist, dass die Verbindung eine von wenigen möglichen Verbindungen ist, wie in diesem Experiment, kann die Molmasse einfach mit diesen Verbindungen verglichen werden. Von den fünf Optionen, die für dieses Experiment zur Verfügung gestellt wurden, ist Naphthalin die beste Übereinstimmung.
Das Phänomen der Gefrierpunktserniedrigung hat viele Anwendungen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Labors.
Calciumchlorid wird bei der Behandlung von vereisten Straßen aufgrund der Auswirkungen der Gefrierpunktserniedrigung gegenüber Natriumchlorid bevorzugt. Da Calciumchlorid ein Teilchen mehr freisetzt als Natriumchlorid, senkt es den Gefrierpunkt des Wassers weiter und schmilzt somit das Eis bei niedrigeren Temperaturen.
In dieser Studie wurde ein Schmelzexperiment mit zwei verschiedenen Eisen-Schwefel-Gemischen durchgeführt. Die Probe mit dem höheren Massenanteil an Schwefel war bei der Temperatur des Experiments vollständig flüssig, während die Probe mit weniger Schwefel noch teilweise fest war. Dies zeigt, dass bei erhöhten Verunreinigungen, in diesem Fall Schwefel, der beobachtete Schmelzpunkt niedriger ist als bei dem reinen Feststoff. Hier geben die Schmelzpunktunterschiede zwischen den beiden Proben Aufschluss über die Entstehung des Erdkerns.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Verwendung der Gefrierpunktssenkung zur Bestimmung der Identität einer unbekannten Verbindung gesehen. Sie sollten nun das Phänomen der Gefrierpunktssenkung verstehen, die Beziehung zwischen der Gefrierpunktssenkung und der molaren Masse des gelösten Stoffes und warum das Phänomen für eine Vielzahl von Branchen nützlich ist.
Danke fürs Zuschauen!
