Παραδείγματα συλλογικών ιδιοτήτων

Ο Friedrich Wilhelm Ostwald, ένας χημικός και φιλόσοφος, επινόησε τον όρο «συλλογικές ιδιότητες» το 1891.

Μπορούμε να προσδιορίσουμε ότι η συλλογική ιδιότητα είναι μια ποιότητα μιας ουσίας από την ποσότητα των σωματιδίων (μόρια ή άτομα) που υπάρχουν αλλά όχι από τη φύση των σωματιδίων. Τα δύο παραδείγματα συλλογικών ιδιοτήτων είναι η πίεση ενός ιδανικού αερίου και η μείωση του σημείου πήξης ενός διαλύτη λόγω των διαλυμένων σωματιδίων.

Η λέξη «colligative» προέρχεται από τη λατινική λέξη «colligatus», που σημαίνει «δένομαι μαζί ή δένομαι μεταξύ τους». Οι συλλογικές ιδιότητες είναι χρήσιμες κατά τον ορισμό ενός διαλύματος, καθώς δείχνουν πώς οι ιδιότητες του διαλύματος σχετίζονται με τη συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας στο διάλυμα.

Έννοια συλλογικών ιδιοτήτων

Τα χημικά διαλύματα έχουν συλλογικές ιδιότητες που καθορίζονται από τα σωματίδια της διαλυμένης ουσίας και του διαλύτη παρά από τη χημική ταυτότητα των σωματιδίων της διαλυμένης ουσίας. Από την άλλη πλευρά, οι συλλογικές ιδιότητες εξαρτώνται από τον τύπο του διαλύτη.

Οι τέσσερις συλλογικές ιδιότητες είναι η κατάθλιψη του σημείου πήξης, η ανύψωση του σημείου βρασμού, η μείωση της τάσης ατμών και η οσμωτική πίεση.

Οι συλλογικές ιδιότητες ισχύουν για όλες τις λύσεις. Ωστόσο, οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό τους ισχύουν μόνο για ιδανικά ή ασθενή μη πτητικά διαλύματα διαλυμένα σε πτητικό διαλύτη. Ο υπολογισμός των συλλογικών χαρακτηριστικών για πτητικές διαλυμένες ουσίες απαιτεί πιο προηγμένους τύπους. Το μέγεθος μιας συλλογικής ιδιότητας σχετίζεται αντιστρόφως με τη μοριακή μάζα της διαλυμένης ουσίας.

Παραδείγματα συλλογικών ιδιοτήτων

Όταν προσθέτουμε μια πρέζα αλάτι σε ένα φλιτζάνι νερό, παγώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία, βράζει σε υψηλότερη θερμοκρασία, έχει χαμηλότερη τάση ατμών και αλλάζει την ωσμωτική του πίεση. Ενώ οι συλλογικές ιδιότητες συνδέονται συνήθως με μη πτητικές διαλυμένες ουσίες, μπορούμε επίσης να παρατηρήσουμε την επίδρασή τους στις πτητικές ουσίες.

Όταν αναμιγνύουμε αλκοόλ (πτητικό υγρό) με νερό, το σημείο πήξης πέφτει κάτω από την αναμενόμενη τιμή για καθαρό οινόπνευμα ή καθαρό νερό. Ως αποτέλεσμα, τα αλκοολούχα ποτά σπάνια παγώνουν σε οικιακό καταψύκτη.

Λειτουργία συλλογικών ιδιοτήτων

Τα διαλυμένα σωματίδια εκτοπίζουν μέρος του διαλύτη υγρής φάσης όταν εισάγουμε μια διαλυμένη ουσία για να παραχθεί ένα διάλυμα. Αυτή η συμπεριφορά μειώνει τη συγκέντρωση του διαλύτη ανά μονάδα όγκου.

Ο αριθμός των σωματιδίων και όχι το είδος έχει σημασία σε ένα αραιό διάλυμα. Για παράδειγμα, η πλήρης διάλυση CaCl2 δίνει σωματίδια ασβεστίου και χλωρίου, ενώ η πλήρης διάλυση του NaCl δίνει μόνο δύο σωματίδια (ένα ιόν νατρίου και ένα ιόν χλωρίου).

Το επιτραπέζιο αλάτι θα είχε ισχυρότερη επίδραση στα συλλογικά χαρακτηριστικά από το χλωριούχο ασβέστιο. Ως εκ τούτου, το χλωριούχο ασβέστιο είναι πιο αποτελεσματικό αποπαγωτικό σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από το κοινό αλάτι.

Συλλογικές ιδιότητες

Οι διαφορετικοί τύποι συλλογικών ιδιοτήτων είναι οι εξής: 

• Πτώση σημείου παγώματος

Τα σημεία πήξης του διαλύματος είναι χαμηλότερα από τα σημεία πήξης των καθαρών διαλυτών. Η μείωση του σημείου πήξης σχετίζεται με τη μοριακότητα της διαλυμένης ουσίας.

Το σημείο πήξης του νερού μειώνεται όταν διαλύουμε ζάχαρη, αλάτι, αλκοόλ ή οποιαδήποτε άλλη ουσία σε αυτό. Εκτός από το νερό, το αποτέλεσμα λειτουργεί, αν και η ποσότητα της αλλαγής θερμοκρασίας ποικίλλει ανάλογα με τον διαλύτη.

• Υψόμετρο σημείου βρασμού

Ο συντελεστής βρασμού ενός υγρού είναι η θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμού ισούται με την παραμόρφωση περιβάλλοντος.

Γνωρίζουμε ότι η προσθήκη ενός μη πτητικού υγρού σε έναν φυσικό διαλύτη μειώνει την τάση ατμών του διαλύματος. Πρέπει να ανεβάσουμε τη θερμοκρασία του διαλύματος για να γίνει η τάση ατμού ίση με την παραμόρφωση περιβάλλοντος.

Η ανύψωση του συντελεστή βρασμού υποδηλώνει τη διαφορά μεταξύ των συντελεστών βρασμού του διαλύματος και του φυσικού διαλύτη.

• Μείωση πίεσης ατμών: 

Σε έναν φυσικό διαλύτη, τα μόρια του διαλύτη καταλαμβάνουν ολόκληρο το δάπεδο. Όταν προσθέτουμε μια μη πτητική διαλυμένη ουσία σε έναν διαλύτη, το δάπεδο περιέχει τώρα τόσο τη διαλυμένη ουσία όσο και τα μόρια του διαλύτη, μειώνοντας τον αριθμό των μορίων του διαλύτη που καλύπτουν το πάτωμα.

Η τάση ατμών του διαλύματος είναι μικρότερη από αυτή του φυσικού διαλύτη στην ίδια θερμοκρασία, καθώς η τάση ατμών της απόκρισης οφείλεται αποκλειστικά στον διαλύτη.

• Οσμωτική πίεση: 

Όταν τοποθετούμε μια ημιπερατή μεμβράνη μεταξύ ενός διαλύματος και ενός διαλύτη, μόρια διαλύτη περνούν από τη μεμβράνη και εισέρχονται στο διάλυμα αυξάνοντας τον όγκο του. Τα πιο αποτελεσματικά μόρια διαλύτη μπορούν να περάσουν από αυτό το ημιπερατό φράγμα, ενώ μεγαλύτερα μόρια όπως η διαλυμένη ουσία δεν μπορούν.

Η οσμωτική πίεση ενός διαλύματος είναι ανάλογη με τη μοριακή συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας. Ως αποτέλεσμα, όσο μεγαλύτερη είναι η οσμωτική πίεση του διαλύματος, τόσο περισσότερη διαλυμένη ουσία διαλύεται στον διαλύτη.

Η εξίσωση Van’t Hoff περιγράφει τη σχέση μεταξύ της οσμωτικής πίεσης και της συγκέντρωσης διαλυμένης ουσίας.

Συμπέρασμα

Ο Ostwald υπέθεσε τρεις διαφορετικούς τύπους ιδιοτήτων διαλυμένης ουσίας:

• Οι συλλογικές ιδιότητες εξαρτώνται αποκλειστικά από τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία μιας διαλυμένης ουσίας. Δεν επηρεάζονται από τη φύση του σωματιδίου της διαλυμένης ουσίας.
• Οι συνολικές ποιότητες των συστατικών σωματιδίων καθορίζουν τις πρόσθετες ιδιότητες, οι οποίες εξαρτώνται από τη χημική σύνθεση της διαλυμένης ουσίας. Η μάζα είναι μια προσθετική ιδιότητα, για παράδειγμα.
• Η μοριακή δομή μιας διαλυμένης ουσίας καθορίζει τις συνταγματικές της ιδιότητες.