Jakie są właściwości koligatywne?
Właściwość koligatywna jest cechą opisową stosowaną w chemii roztworów. Najprościej mówiąc, właściwości koligatywne to te właściwości roztworu, które zależą od liczby cząsteczek substancji rozpuszczonej w danym roztworze, ale nie od tożsamości tych cząsteczek substancji rozpuszczonej. Istnieje tylko kilka właściwości koligatywnych roztworu: prężność pary, podwyższenie temperatury wrzenia, obniżenie temperatury krzepnięcia i ciśnienie osmotyczne. Właściwości koligatywne są zdefiniowane tylko dla idealnych rozwiązań.
W chemii roztwory są zdefiniowane jako składające się z substancji rozpuszczonej lub substancji rozpuszczonej oraz rozpuszczalnika lub substancji rozpuszczającej. Na przykład, jeśli odrobinę soli kuchennej rozpuszcza się w wodzie, sól jest substancją rozpuszczoną, a woda jest rozpuszczalnikiem. Koligatywne właściwości tego roztworu to właściwości zależne tylko od liczby cząsteczek soli lub stosunku liczby cząsteczek soli do liczby lub cząsteczek rozpuszczalnika. Koligatywne właściwości roztworu nie zależą od faktu, że substancja rozpuszczona jest solą, ani od którejkolwiek z cech soli. Właściwość koligatywna to właściwość, która w przypadku każdego rozwiązania będzie zachowywać się w ten sam sposób, niezależnie od tego, czy roztwór zawiera sól, cukier, czy inną możliwą substancję rozpuszczoną.
Z czterech koligatywnych właściwości roztworu, ciśnienie pary, podwyższenie temperatury wrzenia i obniżenie temperatury krzepnięcia są ściśle powiązane. Prężność par jako właściwość koligatywna jest opisana przez prawo Raoulta. Prawo Raoulta w zasadzie stwierdza, że dla idealnego rozwiązania prężność pary całego roztworu zależy od prężności pary każdego ze składników chemicznych, a także od udziału molowego każdego ze składników chemicznych w roztworze. W praktyce związek ten oznacza, że gdy do roztworu dodaje się substancję rozpuszczoną, zmiana prężności pary zależy tylko od stosunku cząsteczek substancji rozpuszczonej do cząsteczki rozpuszczalnika. Ponownie, ponieważ jest to właściwość koligatywna, zmiana prężności pary nie zależy od tożsamości dodawanej substancji rozpuszczonej.
Podwyższenie temperatury wrzenia i obniżenie temperatury krzepnięcia są właściwościami koligatywnymi, z których każda zmienia się w tandemie ze zmianami ciśnienia pary. Po dodaniu substancji rozpuszczonej do roztworu substancje rozpuszczone obniżają prężność pary rozpuszczalnika. Zmiana ciśnienia powoduje odpowiedni wzrost temperatury wrzenia i spadek temperatury krzepnięcia roztworu. Innymi słowy, po dodaniu substancji rozpuszczonej do roztworu, roztwór będzie się gotował w wyższej temperaturze i zamarzł w niższej temperaturze.
Ciśnienie osmotyczne jest czwartą koligatywną właściwością roztworu. Osmoza jest definiowana jako ruch cząsteczek rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę do obszaru, który zawiera większą liczbę cząsteczek substancji rozpuszczonej. Ciśnienie osmotyczne to ciśnienie, które należy przyłożyć do jednej strony półprzepuszczalnej membrany, aby zapobiec przepływowi rozpuszczalnika. Ciśnienie osmotyczne idealnego roztworu w stałej temperaturze jest proporcjonalne do stężenia substancji rozpuszczonej lub, inaczej mówiąc, zależy tylko od liczby cząsteczek substancji rozpuszczonej.
Koligatywne właściwości rozwiązania mogą wydawać się skomplikowane, jednak można je intuicyjnie zrozumieć na podstawie kilku typowych przykładów. Wielu kucharzy dodaje sól do garnka pełnego wody podczas gotowania makaronu, co powoduje szybsze gotowanie makaronu. Ta akcja korzysta z właściwości koligatywnej. Dodatek soli zwiększa temperaturę wrzenia wody, co pozwala makaronowi gotować się szybciej przy wyższej temperaturze wody.
Depresja w punkcie zamarzania jest często wykorzystywana przez szefów kuchni. Zarówno cukier, jak i sól jako substancje rozpuszczone pomagają zamrozić lody. Cukier w lodach wpływa na temperaturę, w której lody zamarzają, a słona woda wokół naczynia na lody tworzy chłodniejsze środowisko, w którym lody zamarzają szybciej.