Back to chapter

12.10:

Vriespuntverlaging en Kookpuntverhoging

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Freezing Point Depression and Boiling Point Elevation

Languages

Share

De temperatuur waarbij de dampspanning van een vloeistof gelijk is aan de atmosferische druk staat bekend als het kookpunt. Omdat het toevoegen van een niet-vluchtige opgeloste stof de dampspanning van een oplosmiddel verlaagt, vereist een oplossing een hogere temperatuur om de dampspanning te verhogen tot een punt dat gelijk is aan de atmosferische druk. Het kookpunt van een oplossing is dus hoger dan dat van een puur oplosmiddel.Deze veranderingen in verdamping kunnen met een fasendiagram over een reeks van temperaturen en druk worden onderzocht. Een oplossing heeft bij alle temperaturen een lagere dampspanning dan het zuivere oplosmiddel. De verdampingscurve van de oplossing zou dus onder die van het oplosmiddel liggen.Bij 1 atmosfeer komt de curve overeen met een temperatuur die hoger is dan het kookpunt van het zuivere oplosmiddel. De stijging van het kookpunt van de oplossing in vergelijking met die van het zuivere oplosmiddel staat bekend als kookpuntverhoging. Het kookpunt van een oplossing is een colligatief verschijnsel.De temperatuurstijging, of ΔTb, is rechtevenredig met de concentratie van de opgeloste stof en kan worden berekend door de molaliteit van de opgeloste stof en de constante van de molale kookpuntverhoging te vermenigvuldigen. De kookpuntverhogingsconstante heeft de eenheden graden Celsius per molaliteit en verschilt voor elk oplosmiddel. Voor water is de constante 0, 512 graden Celsius per molal.Dus een 2, 00 molaile waterige oplossing verhoogt het kookpunt van water met 1, 02 graden Celsius tot 101, 02 graden Celsius. De toevoeging van een niet-vluchtige opgeloste stof verlaagt ook het vriespunt van de oplossing in vergelijking met dat van een puur oplosmiddel. Op het tripelpunt zijn de dampspanningen van de vaste, vloeibare en gasvormige toestanden gelijk.Omdat een niet-vluchtige opgeloste stof de dampspanning van de oplossing verlaagt, verschuift de gehele vriescurve, die zich naar boven uitstrekt vanaf het tripelpunt, zodanig dat de oplossing bij een lagere temperatuur bevriest. Deze verlaging van de vriestemperatuur van een oplossing in vergelijking met die van een puur oplosmiddel staat bekend als vriespuntverlaging. Net als het kookpunt is ook het vriespunt van een oplossing een colligatieve eigenschap.De temperatuurdaling of ΔTf is rechtevenredig met de concentratie opgeloste stof en kan worden berekend door de molaliteit van de opgeloste stof en de molale vriespuntverlagingsconstante te vermenigvuldigen. De vriespuntverlagingsconstante is ook afhankelijk van het oplosmiddel en heeft de eenheden graden Celsius/meter. Voor water is de vriespuntverlagingsconstante 1, 86 graden Celsius per molal.Zo verlaagt een 0, 5 molaile glycoloplossing het vriespunt van water met 0, 93 graden Celsius tot min 0, 93 graden Celsius.

12.10:

Vriespuntverlaging en Kookpuntverhoging

Boiling Point Elevation

The boiling point of a liquid is the temperature at which its vapor pressure is equal to ambient atmospheric pressure. Since the vapor pressure of a solution is lowered due to the presence of nonvolatile solutes, it stands to reason that the solution’s boiling point will subsequently be increased. Vapor pressure increases with temperature, and so a solution will require a higher temperature than will pure solvent to achieve any given vapor pressure, including one equivalent to that of the surrounding atmosphere. The increase in boiling point observed when a non-volatile solute is dissolved in a solvent, ΔTb, is called boiling point elevation and is directly proportional to the molal concentration of solute species:

Eq1

where Kb is the boiling point elevation constant, or the ebullioscopic constant and m is the molal concentration (molality) of all solute species. Boiling point elevation constants are characteristic properties that depend on the identity of the solvent.

Freezing Point Depression

Solutions freeze at lower temperatures than pure liquids. This phenomenon is exploited in “de-icing” schemes that use salt, calcium chloride, or urea to melt ice on roads and sidewalks, and in the use of ethylene glycol as an “antifreeze” in automobile radiators. Seawater freezes at a lower temperature than freshwater, and so the Arctic and Antarctic oceans remain unfrozen even at temperatures below 0 °C (as do the body fluids of fish and other cold-blooded sea animals that live in these oceans).

The decrease in freezing point of a dilute solution compared to that of the pure solvent, ΔTf, is called the freezing point depression and is directly proportional to the molal concentration of the solute

Eq2

where m is the molal concentration of the solute and Kf is called the freezing point depression constant (or cryoscopic constant). Just as for boiling point elevation constants, these are characteristic properties whose values depend on the chemical identity of the solvent.

Determination of Molar Masses

Osmotic pressure and changes in freezing point, boiling point, and vapor pressure are directly proportional to the number of solute species present in a given amount of solution. Consequently, measuring one of these properties for a solution prepared using a known mass of solute permits determination of the solute’s molar mass.

For example, a solution of 4.00 g of a nonelectrolyte dissolved in 55.0 g of benzene is found to freeze at 2.32 °C. Assuming ideal solution behavior, what is the molar mass of this compound?

To solve this problem, first, the change in freezing point from the observed freezing point and the freezing point of pure benzene is calculated:

Eq3

Then, the molal concentration is determined from Kf, the freezing point depression constant for benzene, and ΔTf:

Eq4

Next, the number of moles of the compound in the solution is found from the molal concentration and the mass of solvent that was used to make the solution.

Eq5

And, finally, the molar mass from the mass of the solute and the number of moles in that mass is determined.

Eq6

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 11.4: Colligative Properties.

Suggested Reading

  1. Steffel, Margaret J. "Raoult's law: A general chemistry experiment." Journal of Chemical Education 60, no. 6 (1983): 500.
  2. Berka, Ladislav H., and Nicholas Kildahl. "Experiments for Modern Introductory Chemistry: Intermolecular Forces and Raoult's Law." Journal of chemical education 71, no. 7 (1994): 613.