Eksempel på problem med frysepunktdepresjon

Beregn frysepunktets depresjonstemperatur

Frysepunktdepresjon: Vann vil danne is ved lavere temperatur når et oppløst stoff tilsettes vannet. nikamata/Getty Images

Dette eksempeloppgaven viser hvordan man beregner frysepunktsdepresjon ved å bruke en løsning av salt i vann.

Viktige ting: Beregn frysepunktdepresjon

• Frysepunktdepresjon er en egenskap ved løsninger der det oppløste stoffet senker det normale frysepunktet til løsningsmidlet.
• Frysepunktdepresjon avhenger bare av konsentrasjonen av oppløste stoffer, ikke dens masse eller kjemiske identitet.
• Et vanlig eksempel på frysepunktdepresjon er salt som senker frysepunktet til vann for å forhindre at is fryser på veier i kalde temperaturer.
• Beregningen bruker en ligning kalt Blagdens lov, som kombinerer Raoults lov og Clausius-Clapeyron-ligningen.

Rask gjennomgang av frysepunktdepresjon

Frysepunktdepresjon er en av de kolligative egenskaper av materie , som betyr at den påvirkes av antall partikler, ikke den kjemiske identiteten til partiklene eller deres masse. Når et oppløst stoff tilsettes til et løsemiddel, senkes dets frysepunkt fra den opprinnelige verdien til det rene løsningsmidlet. Det spiller ingen rolle om det oppløste stoffet er en væske, gass eller fast stoff. For eksempel oppstår frysepunktdepresjon når enten salt eller alkohol tilsettes vann. Faktisk kan løsningsmidlet også være hvilken som helst fase. Frysepunktsnedsettelser forekommer også i faststoffblandinger.

Frysepunktdepresjon beregnes ved å bruke Raoults lov og Clausius-Clapeyron-ligningen for å skrive en ligning kalt Blagdens lov. I en ideell løsning avhenger frysepunktdepresjon kun av konsentrasjonen av oppløste stoffer.

Problem med frysepunktdepresjon

31,65 g natriumklorid tilsettes til 220,0 ml vann ved 34 °C. Hvordan vil dette påvirke vannets frysepunkt ?
Anta at natriumklorid dissosieres fullstendig i vannet.
Gitt: tetthet av vann ved 35 °C = 0,994 g/mL
K_fvann = 1,86 °C kg/mol

Løsning

For å finne temperaturforandring av et løsningsmiddel med et løst stoff, bruk frysepunktsdepresjonsligningen:
ΔT = iK_fm
hvor
ΔT = Endring i temperatur i °C
i = van 't Hoff faktor
K_f= molal frysepunkt depresjon konstant eller kryoskopisk konstant i °C kg/mol
m = molaliteten til det oppløste stoffet i mol løst stoff/kg løsemiddel.

Trinn 1: Beregn molaliteten til NaCl

molalitet (m) av NaCl = mol NaCl/kg vann
Fra periodiske tabell , finn atommassene til elementene:
atommasse Det = 22,99
atommasse Cl = 35,45
mol NaCl = 31,65 g x 1 mol/(22,99 + 35,45)
mol NaCl = 31,65 g x 1 mol/58,44 g
mol NaCl = 0,542 mol
kg vann = tetthet x volum
kg vann = 0,994 g/mL x 220 mL x 1 kg/1000 g
kg vann = 0,219 kg
m_NaCl= mol NaCl/kg vann
m_NaCl= 0,542 mol/0,219 kg
m_NaCl= 2,477 mol/kg

Trinn 2: Bestem van 't Hoff-faktoren

Van 't Hoff-faktoren, i, er en konstant assosiert med mengden av dissosiasjon av det oppløste stoffet i løsningsmidlet. For stoffer som ikke dissosieres i vann, for eksempel sukker, er i = 1. For oppløste stoffer som dissosieres fullstendig i to ioner , i = 2. For dette eksempelet dissosieres NaCl fullstendig i de to ionene, Na⁺og Cl^-. Derfor er i = 2 for dette eksemplet.

Trinn 3: Finn ΔT

ΔT = iK_fm
ΔT = 2 x 1,86 °C kg/mol x 2,477 mol/kg
ΔT = 9,21 °C
Svar:
Tilsetning av 31,65 g NaCl til 220,0 mL vann vil senke frysepunktet med 9,21 °C.

Begrensninger for beregninger av frysepunktdepresjon

Å beregne frysepunktsdepresjon har praktiske anvendelser, som å lage iskrem og narkotika og avising av veier. Imidlertid er ligningene bare gyldige i visse situasjoner.

• Det oppløste stoffet må være tilstede i mye lavere mengder enn løsningsmidlet. Frysepunktdepresjonsberegninger gjelder for fortynnede løsninger.
• Det oppløste stoffet må være ikke-flyktig. Årsaken er at frysepunktet oppstår når damptrykket til væsken og det faste løsningsmidlet er i likevekt.

Kilder

• Atkins, Peter (2006). Atkins' fysiske kjemi . Oxford University Press. s. 150–153. ISBN 0198700725.
• Aylward, Gordon; Findlay, Tristan (2002). SI Kjemiske data (5. utgave). Sverige: John Wiley & Sons. s. 202. ISBN 0-470-80044-5.
• Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). 'Estimering av frysepunktsdepresjon, kokepunkthøyde og fordampningsentalpier av elektrolyttløsninger'. Industriell og ingeniørkjemiforskning . 48 (10): 5123. doi:10.1021/ie900434h
• Mellor, Joseph William (1912). 'Blagdens lov'. Moderne uorganisk kjemi . New York: Longmans, Green og Company.
• Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). Generell kjemi (8. utgave). Prentice-Hall. s. 557–558. ISBN 0-13-014329-4.