12.10: Abbassamento del punto di congelamento e innalzamento del punto di ebollizione

Innalzamento del punto di ebollizione

Il punto di ebollizione di un liquido è la temperatura alla quale la sua pressione di vapore è uguale alla pressione atmosferica ambientale. Poiché la pressione del vapore di una soluzione si abbassa a causa della presenza di soluti non volatili, è ovvio che il punto di ebollizione della soluzione verrà successivamente aumentato. La pressione del vapore aumenta con la temperatura, quindi una soluzione richiederà una temperatura più elevata di quella del solvente puro per raggiungere una determinata pressione di vapore, inclusa quella equivalente a quella dell'atmosfera circostante. L'aumento del punto di ebollizione osservato quando un soluto non volatile viene disciolto in un solvente, ΔTb, è chiamato innalzamento del punto di ebollizione ed è direttamente proporzionale alla concentrazione molare delle specie di soluto:

dove K_b è la costante di elevazione del punto di ebollizione, o la costante ebullioscopica, e m è la concentrazione molale (molalità) di tutte le specie di soluto. Le costanti di elevazione del punto di ebollizione sono proprietà caratteristiche che dipendono dall'identità del solvente.

Depressione del punto di congelamento

Le soluzioni congelano a temperature inferiori rispetto ai liquidi puri. Questo fenomeno viene sfruttato negli schemi di “sghiacciamento” che utilizzano sale, cloruro di calcio o urea per sciogliere il ghiaccio su strade e marciapiedi, e nell’uso del glicole etilenico come “antigelo” nei radiatori delle automobili. L’acqua di mare congela a una temperatura inferiore a quella dell’acqua dolce, quindi gli oceani artico e antartico rimangono scongelati anche a temperature inferiori a 0 °C (così come i fluidi corporei dei pesci e di altri animali marini a sangue freddo che vivono in questi oceani).

L'abbassamento del punto di congelamento di una soluzione diluita rispetto a quello del solvente puro, ΔT_f, è chiamato abbassamento del punto di congelamento ed è direttamente proporzionale alla concentrazione molale del soluto

dove m è la concentrazione molale del soluto e K_f è chiamata costante di depressione del punto di congelamento (o costante crioscopica). Proprio come per le costanti di innalzamento del punto di ebollizione, queste sono proprietà caratteristiche i cui valori dipendono dall'identità chimica del solvente.

Determinazione delle masse molari

La pressione osmotica e le variazioni del punto di congelamento, del punto di ebollizione e della pressione del vapore sono direttamente proporzionali al numero di specie di soluto presenti in una data quantità di soluzione. Di conseguenza, la misurazione di una di queste proprietà per una soluzione preparata utilizzando una massa nota di soluto consente la determinazione della massa molare del soluto.

Ad esempio, una soluzione di 4,00 g di un non elettrolita disciolti in 55,0 g di benzene congela a 2,32 °C. Assumendo il comportamento ideale della soluzione, qual è la massa molare di questo composto?

Per risolvere questo problema, innanzitutto, viene calcolata la variazione del punto di congelamento tra il punto di congelamento osservato e il punto di congelamento del benzene puro:

Quindi, la concentrazione molare viene determinata da K_f, la costante di abbassamento del punto di congelamento del benzene, e ΔT_f:

Successivamente, il numero di moli del composto nella soluzione si trova dalla concentrazione molare e dalla massa di solvente utilizzata per preparare la soluzione.

E, infine, viene determinata la massa molare dalla massa del soluto e il numero di moli in quella massa.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 11.4: Colligative Properties.

La temperatura alla quale la tensione del vapore di un liquido è uguale alla pressione atmosferica è nota come punto di ebollizione. Poiché l'aggiunta di un soluto non volatile abbassa la tensione del vapore di un solvente, una soluzione richiede una temperatura più alta, per aumentare la pressione del vapore fino a un punto uguale alla pressione atmosferica. Pertanto, il punto di ebollizione di una soluzione è maggiore di quello di un solvente puro.

Questi cambiamenti nella vaporizzazione possono essere esaminati su un intervallo di temperature e pressioni, usando un diagramma di fase. Una soluzione ha una pressione di vapore inferiore a quella del solvente puro a tutte le temperature. Quindi, la curva di vaporizzazione della soluzione sarebbe inferiore a quella del solvente.

Ad 1 atm, la curva corrisponde ad una temperatura superiore al punto di ebollizione del solvente puro. L'aumento del punto di ebollizione della soluzione rispetto a quello del solvente puro è noto come elevazione del punto di ebollizione. Il punto di ebollizione di una soluzione è una proprietà colligativa.

L'aumento della temperatura, o ΔTb, è direttamente proporzionale alla concentrazione di soluto e può essere calcolato moltiplicando la molalità del soluto e la costante di elevazione del punto di ebollizione molale. La costante di elevazione del punto di ebollizione ha le unità di misura del C per la molalità ed è diversa per ciascun solvente. Per l'acqua, la costante è 0, 512°C per molale.

Quindi, una soluzione acquosa di 2, 00 molali eleverà il punto di ebollizione dell'acqua da 1, 02°C a 101, 02°C. L'aggiunta di un soluto non volatile abbassa anche il punto di congelamento della soluzione paragonato a quello di un solvente puro. Al punto triplo, le pressioni del vapore degli stati solido, liquido e gassoso sono uguali.

Poiché un soluto non volatile abbassa la tensione del vapore della soluzione, l'intera curva di congelamento, che si estende verso l'alto dal punto triplo, si sposta in modo tale che la soluzione si congeli a una temperatura inferiore. Questa diminuzione della temperatura di congelamento di una soluzione rispetto a quella di un solvente puro è nota come depressione del punto di congelamento. Come il punto di ebollizione, anche quello di congelamento di una soluzione è una proprietà colligativa.

La diminuzione della temperatura o ΔTf è direttamente proporzionale alla concentrazione di soluto e può essere calcolata moltiplicando la molalità del soluto e la costante di depressione del punto di congelamento molale. La costante di depressione del punto di congelamento dipende anche dal solvente e ha le unità C/m. Per l'acqua, la costante di depressione del punto di congelamento, è di 1, 86°C per molale.

Pertanto, una soluzione di glicole 0, 5 molale abbasserà il punto di congelamento dell'acqua da 0, 93°C a 0, 93°C negativo.