Skupenství a fázové přeměny
Přihlásit se
Skupenství a fázové přeměny (8/9) · 14:00

Zvýšení teploty varu a snížení teploty tání Jak se změní bod varu a bod tání kapaliny, když v ní rozpustíme nějakou látku?

Navazuje na Základy termodynamiky.
Pojďme se zamyslet, co by se stalo s teplotou varu, nebo s teplotou tání jakéhokoliv roztoku, pokud bychom do něj přidali další částice nebo rozpouštěnou látku. Pro naši představu si vzpomeňme na vodu. Nemusí to být voda. Může to být jakýkoliv roztok, ale pojďme myslet na vodu ve svém kapalném stavu. Částice jsou neuspořádané kvůli jejich kinetické energii. Přesto mají vazby vodíkovými můstky, které je drží blízko u sebe. Toto se děje v kapalném stavu, a částice mají vhodné množství kinetické energie. Jistě víte, že každá částice se pohybuje v náhodném směru, naráží a odráží se od sebe. Co se musí stát, aby se kapalina přeměnila na tuhé skupenství? Led musí vytvořit krystalovou strukturu. Musí se vhodně uspořádat tak, aby to vypadalo nějak takto. Molekuly vody mají pravidelnou strukturu, kde síla vodíkových můstků převažuje nad kinetickým pohybem, který částice chtějí konat, a proto je všechen pohyb pouze vibrační. Musí být trochu uspořádané. Přesně tak, správně. A pak se tato mřížková struktura opakuje a opakuje až skoro do nekonečna. Ale je zajímavé, že se to musí nějakým způsobem celé uspořádat. A co se stane, když do této vody začneme zavádět jiné molekuly? Uveďme jako příklad sodík. Ve skutečnosti žádný příklad neukážu. Řekněme, že bych tam zavedl nějaké libovolné molekuly. Znovu to namaluji. Využiji to stejné, co už tu mám. Zavedu nějaké docela velké molekuly, aby všechnu vodu odtlačily z cesty. Nyní jsou molekuly vody kolem této molekuly. Vezměme si další, která se nachází tady. Je relativně velká oproti molekule vody, protože molekuly vody nejsou ve skutečnosti tak velké. Myslíte si, že bude jednodušší nebo těžší nechat toto zmrznout? Budete muset odebrat více nebo méně energie, aby zmrzla? Tyto molekuly se nestanou součástí mřížkové struktury, protože tam zkrátka nezapadají. Ve skutečnosti ztěžují uspořádání molekul vody, protože molekuly vody potřebují ke svému uspořádání správnou vzdálenost pro vodíkové můstky. Když začnete v tomto případě odebírat teplo ze systému, částice, které nejsou blízko přidané molekuly, se začnou vzájemně uspořádávat. Když pak zavedeme částice rozpouštěné látky, řekněme, že se nachází zde, bude velmi obtížné se uspořádat pro tuto molekulu a dostat se dostatečně blízko sebe, aby mohl vodíkový můstek vzniknout. Tato vzdálenost to velmi ztěžuje. A proto si myslím, že tyto částice činí strukturu nepravidelnou a tvoří nepořádek. Nakonec budeme mluvit o entropii a podobných věcech. Částice tvoří systém více nepravidelným, a je proto těžší ho vrátit do běžného stavu. Tušíme tedy, že by to mělo způsobit snížení teploty varu... Omlouvám se... Mělo by to snížit teplotu tání. Takže rozpouštěná látka snižuje teplotu varu. Pokud se bavíme o vodě za normální teploty a tlaku nebo tlaku jedné atmosféry, voda nebude tát při nula stupních, ale při minus jedna až minus dvou stupních. Dále o tom budeme mluvit trochu více. Co se stane, pokud to budete chtít vařit a přeměnit do plynného skupenství? Částice jsou již v neuspořádaném stavu, který je k plynu blíže, než stav uspořádaný. Není tedy jednodušší dojít k varu? Ale ukáže se, že je těžší přejít k varu. Takhle o tom přemýšlím. Pamatujte, vše spojené s varem se vypořádává s tím, co se děje na povrchu. O tom jsme již mluvili v našem videu „Tlak par". Pokud máme na povrchu hodně vody, která je v kapalném stavu, víme, že přestože je průměrná teplota vody na vypařování nízká, probíhá v ní přenos kinetické energie. Některé molekuly vody, které jsou na povrchu mohou být tak rychlé, že uniknou. Pokud molekuly takto uniknou do páry, vytvoří nad vodou tlak par. Pokud je tento tlak par dostatečně velký, můžeme téměř vidět, jak molekuly blokují cestu pro ostatní, které je chtějí následovat. Blokují je tak, že obsadí všechen okolní vzduch nad kapalinou. Pokud je jich tu dostatek a mají dost energie, mohou ostatní zatlačit zpět, nebo naopak vytlačit ven, aby je následovalo více molekul. Doufám, že jste se v této teorii úplně neztratili. Co se stane teď, pokud do naší vody zavedeme rozpouštěnou látku? Některé částice mohou být tady dole. Tady dole to asi nemá takový účinek, ale některé budou narážet na povrch, a tím zaberou určité místo na povrchu. Já nad tím přemýšlím tak, když zabírají hodně povrchové plochy, zůstává méně plochy pro rozpouštědlo, roztok, zkrátka to, co se ve skutečnosti vypařuje. A proto budeme mít nižší tlak par. A proto budeme mít nižší tlak par. Vzpomeňte si, že teplota varu nastává, když mají částice dostatek kinetické energie, aby mohly tlačit proti atmosferickému tlaku. Když se tlak par rovná atmosferickému tlaku, začíná var. Kvůli těmto částicím máme však nižší tlak par. Proto musíme dodat více kinetické energie, více tepla systému, abychom získali větší tlak par, a ten tak tlačil proti tlaku atmosferickému. Takže rozpouštěná látka zvyšuje teplotu varu rozpouštědla. Můžete o tom přemýšlet tak, že když přidáte něco do roztoku, začne chtít být déle v kapalném stavu. Pokud snížíte teplotu, bude chtít zůstat spíše v kapalném stavu, než v tuhém. Zvýšíme-li teplotu, bude chtít zůstat jako kapalina, a ne pára. Přijde mi to šikovné. Snad se to hezky ukáže na tomto videu. Musím uvést zdroj, je to ze stránky chem.purdue.edu/gchelp/solutions/eboil.html Přijde mi, že je zde pěkná grafika, nebo přinejmenším vizualizace... Toto je pouze povrch roztoku. ...která nám ukazuje, jak se látky vypařují. Některé částice na povrchu prostě hopsají sem a tam. A tady vidíte, jak zobrazili chlorid sodný na povrchu. A protože chlorid sodný tak nějak plave na povrchu mezi molekulami vody, má méně z těch molekul prostor utéct, takže teplota varu se zvýší. Teď nastává otázka: Jak moc se zvýší? A teď přichází jedna z krásných věcí v životě: odpověď je celkem jednoduchá. Změna teploty varu nebo teploty tání, tedy změna teploty, při které se voda vypařuje (nebo tuhne), je rovna nějaké konstantě krát počet molů, nebo spíš molární koncentrace, molalita, látky, kterou přidáváte do roztoku. Takže, například, řekněme, že máme jeden kilogram rozpouštědla, což bude voda. Vyměním barvy, jeden kilogram vody, při atmosférickém tlaku. Pak tu máme chlorid sodný, NaCl. Toho vezmeme dva moly. Budeme mít dva moly NaCl. Otázkou zůstává, jak moc se zvýší teplota varu tohoto vodného roztoku? Napřed budete muset spočítat molalitu, která se rovná počtu molů rozpouštěné látky v roztoku, tedy dva moly, děleno hmotností rozpouštědla. Máme jeden kilogram rozpouštědla. Toto jsou moly, a molalita tedy bude dva moly na kilogram. Takže zbývá zjistit, jaká je konstanta, a budeme znát změnu teploty varu. Skvělé je, že na té samé stránce mají i tabulky. Ty experimenty jsem sám neověřoval, ale mají tu pěkné grafy. Čistá voda má teplotu varu sto stupňů Celsia, za normálního atmosferického tlaku. A dál nám říkají, že konstanta je 0,512 stupňů Celsia na mol. Zaokrouhlíme na nulá celá pět. Bude se to rovnat nula celá pět. A teď chci, abyste dávali dobrý pozor, protože nastává velmi zajímavý okamžik. Řekl jsem, že je tu molalita dva... Udělal jsem tu chybu. Řekl jsem, že molalita NaCl je dva. Dva moly na kilogram, jenže to je NaCl v pevném stavu, kdyby zůstal v tomto molekulárním stavu. Dohromady. Jenže, stane se něco jiného, chlorid sodný disociuje, a o tom jsme se učili minule. Každá molekula, každá dvojice NaCl disociuje na dvě molekuly, sodný kationt a chloridový aniont. A právě proto, že disociuje na dvě molekuly, bude molalita dvakrát větší, než je počet molů chloridu sodného, který mám. Bude to tedy dva krát dva. Molalita bude čtyři, a teď zajímavost, kdybych rozpouštěl... Radši to napíšu. Takže, toto je glukóza a toto NaCl, totiž, NaCl v krystalické struktuře. Jedna molekula, jak asi vidíte, je jeden z těch párů tady. Ale zvláštní je, že byste mohli mít stejný počet molů NaCl, a glukózy. Jenže glukóza, kterou hodíme do vody, prostě zůstane molekulou glukózy. Takže 1 mol glukózy disociuje na 1 mol glukózy ve vodě. Prostě nedisociuje. A zůstane jedním molem, zatímco NaCl se změní ve dva moly, protože ten disociuje. Změní se ve dvě odlišné částice. V našem příkladě, pokud začneme s molem NaCl, poté, co se rozpustí ve vodě, dostaneme molalitu čtyři moly na kilogram, protože se změní ve dvě částice. Takže molalita je čtyři moly na kilogram. Dva moly Na⁺, dva moly Cl⁻ na kilogram. Použil jsem na to konstantu ze stránky Purdue, a dostanu změnu teploty, která je rovna konstantě nula celá pět krát čtyři, což jsou dva stupně Celsia. Takže teplota varu se zvýší o dva stupně. Kdybych měl stejný počet molů glukózy, rozpuštěné ve vodě, zvýšila by se jen o polovinu. Protože molalita by byla poloviční - proč? Protože disociuje na dvě částice. V učebnicích to tak bude napsané. Najdete tam ten samý vzoreček pro změnu teploty varu, teploty tání, nebo čehokoli, tedy K krát M krát „i", kde M je molalita sloučeniny, kterou přidáváme do vody, v tomto případě tedy číslo dva, „i" je počet částic, na které se tato molekula rozpadne, disociuje. V tomto případě by bylo rovno dvěma. A tak dostaneme čtyři krát K, což je čtyři krát nula celá pět, tedy dva. Pokud bychom přidávali vodu... Pardon, glukózu, pořád by byla molalita dva, ale glukóza zůstává jednou částicí i ve vodě, takže „i" bude jedna. Pak by se teplota varu zvýšila jen o jeden stupeň. Teplota tuhnutí (tání) je úplně to samé. Změna teploty tuhnutí je také přímo úměrná molalitě. A můžeme použít stejnou molalitu NaCl mimo vodu, krát počet částic, do kterých disociuje, ale K bude odlišné pro tuhnutí a pro var. Toto K se mění podle tlaku, a podle látky. To nejdůležitější, co byste si z dneška vážně měli odnést, je uvědomit si, že i když máte mol tohoto a mol tamtoho, a ty se disociují ve stejném množství vody, tento se rozpadne na dvě částice a tato bude jen jedna, NaCl disociuje na dva moly z každého molu, který máte; glukóza nedisociuje, prostě zůstane jedna molekula, takže NaCl bude mít dvojnásobný efekt na změnu teploty tuhnutí či teploty varu, než glukóza.
video