12.12
전해질의 집합적 성질
용액의 집합적 성질은 용해된 용질 종의 동일성이 아닌 수에만 의존합니다. 다양한 총괄 특성(어는점 내림, 끓는점 오름, 삼투압)에 대한 방정식의 농도 항은 용액에 존재하는 모든 용질 종과 관련됩니다. 비전해질은 해리나 기타 수반되는 과정 없이 물리…
용액의 총괄성은 실제로 용해된 용질 입자의 개수에 따라 달라집니다. 비전해질 용액의 경우 용해되는 각 용질 분자는 하나의 용해된 용질 분자를 생성합니다 그러나 염화나트륨과 같은 이온 전해질은 용해될 때 이온과 분리되지만 공유 전해질인 암모니아 기체는 물과 반응하여 용액에서 암모늄과 수산화이온을 방출합니다. 따라서 전해질의 경우 용해되는 각 용질 분자는 하나 이상의 용해된 용질 입자를 생성합니다.
그러므로 덱스트로스 같은 비전해질의 1 몰 용액은 1리터 용액에 1몰의 덱스트로스 분자를 가지고 있게 되지만 염화칼륨과 같은 전해질 1몰은 거의 1몰의 칼륨 이온과 1몰의 염화 이온으로 분리되며 이로부터 1리터 용액에서 총 2몰의 이온이 분리됩니다. 두배의 용질 입자 수를 가진 1몰의 염화칼륨 용액의 삼투압은 1 몰 덱스트로스 용액의 두 배가 될 것입니다. 용해되는 용질이 용액에서 형성하는 입자의 몰과 용액을 만들기 위해 첨가된 용질의 몰 사이의 비율을 반트 호프 계수라고 하며 i로 나타냅니다.
이 값은 측정한 총괄성 값을 공식에서 계산한 값으로 나눈 값입니다. 염화칼륨 용액의 어는점 내림을 고려해봅시다. 어는점 내림 델타TF은 염화칼륨에 대한 반트 호프 계수에 몰 어는점 내림 상수와 용액의 몰랄 농도를 곱하여 계산합니다.
i가 2이고 물의 어는점 내림 상수가 몰랄 당 1.86 도 씨이면 0.100 몰랄 염화칼륨 용액의 어는점 내림은 0.372 도 씨로 계산됩니다. 그러나 0.100 몰랄 염화칼륨 용액에 대해 측정한 어는점 내림은 0.344 도 씨입니다. 이 차이는 전해질이 용액에서 이온으로 해리될 때 양이온과 음이온의 일부가 재결합하기 때문에 존재합니다.
이 현상을 이온 쌍이라고 합니다. 염화 철(III)과 황산마그네슘과 같이 대전량이 높은 이온을 가진 강한 전해질은 강한 정전기 상호작용을 형성할 수 있으므로 이온 쌍을 형성하는 경향이 더 큽니다. 수산화 암모늄과 같은 약한 전해질 용액의 경우 이온으로의 해리가 불완전합니다.
따라서 강한 전해질과 약한 전해질은 모두 반트 호프 계수가 예상보다 적습니다.
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Q1: Why do electrolytes produce different colligative properties than non-electrolytes?
Electrolytes dissociate into multiple ions when dissolved, while non-electrolytes remain as single molecules. A 1 M potassium chloride solution produces approximately 2 moles of ions per liter, compared to 1 mole of dextrose molecules in a 1 M non-electrolyte solution. This doubling of solute particles causes electrolyte solutions to exhibit stronger colligative effects, such as twice the osmotic pressure of equivalent non-electrolyte solutions.
Q2: What is the van't Hoff factor and how is it calculated?
The van't Hoff factor (i) is the ratio of dissolved solute particles to the number of formula units added to solution. It is calculated by dividing the measured value of a colligative property by the value predicted from the formula. For ideal complete dissociation, potassium chloride would have i = 2, but measured values are typically lower due to ion pairing and incomplete dissociation in real solutions.
Q3: Why is the measured freezing point depression of potassium chloride less than predicted?
When electrolytes dissolve, some cations and anions recombine in solution through a phenomenon called ion pairing. This reduces the effective number of dissolved particles below the theoretical maximum. For a 0.100 m potassium chloride solution, the measured freezing point depression is 0.344 °C instead of the predicted 0.372 °C because ion pairing decreases the actual particle count in solution.
Q4: How do strong and weak electrolytes differ in their van't Hoff factors?
Strong electrolytes like iron(III) chloride and magnesium sulfate form strong electrostatic interactions and ion pairs, reducing their van't Hoff factors below the ideal value. Weak electrolytes like ammonium hydroxide undergo incomplete dissociation into ions. Both types yield van't Hoff factors less than expected because fewer independent particles exist in solution than the formula suggests.
Q5: How does ion concentration affect the van't Hoff factor in solutions?
As solutions become more dilute, ions separate more widely and residual interionic attractions decrease. In extremely dilute solutions, ion activities approach their actual concentrations, and the van't Hoff factor approaches its ideal value. For example, a 0.05 m sodium chloride solution has i = 1.9, closer to the ideal value of 2 than more concentrated solutions would exhibit.
Q6: What role does solvation play in reducing interionic attractions in electrolyte solutions?
Solvation of ions and the insulating action of polar water greatly reduce interionic attractions, but do not completely eliminate them. Residual attractions prevent ions from behaving as totally independent particles, allowing positive and negative ions to occasionally touch and form solvated units called ion pairs. This incomplete independence explains why strong electrolytes show lower van't Hoff factors than theoretical predictions.
Q7: How does the van't Hoff factor relate to osmotic pressure in electrolyte solutions?
Osmotic pressure depends on the total number of dissolved particles. A 1 M potassium chloride solution with i ≈ 2 produces twice the osmotic pressure of a 1 M non-electrolyte solution because it contains approximately twice as many solute particles. The van't Hoff factor quantifies this particle multiplication effect, allowing accurate calculation of osmotic pressure and other colligative properties for electrolyte solutions.