Koligativna svojstva otopina

Koligativna svojstva su svojstva otopina koja ovise samo o ukupnoj koncentraciji jedinki (molekula ili iona) otopljenih tvari u nekom otapalu, a ne o njihovoj vrsti i kemijskim svojstvima. Koligativna svojstva su:

• sniženje tlaka pare otapala,
• sniženje ledišta,
• povišenje vrelišta,
• osmotski tlak.

Sniženje tlaka para otapala

Tekućine isparavanjem prelaze u plinovitu fazu. Tekućina koja se nalazi u otvorenoj posudi isparava postupno, čak i pri temperaturama nižim od temperature vrenja, sve dok sva tekuća faza ne prijeđe u plinovitu fazu. U zatvorenoj posudi tekućina također isparava, no ne prelazi sva tekuća faza u plinovitu. Isparavanjem parcijalni tlak plinovite faze iznad tekućine raste dok se ne ustali. Isparavanje je proces prelaska iz tekućega u plinovito agregacijsko stanje, a do isparavanja dolazi na površini tekućine. Vrenje je isparavanje pri temperaturi vrenja.

Sniženje tlaka para možemo objasniti na primjeru metanolne otopine natrijeva klorida.
Plinoviti se metanol nalazi u ravnoteži s tekućim metanolom pri tlaku p, koji nazivamo tlak pare metanola. Ravnotežni tlak pare iznad čistog metanola označit ćemo zvjezdicom p*.
U otopini natrijeva klorida u metanolu dolazi do isparavanja tekućeg metanola i istodobne kondenzacije plinovitog metanola. U ravnoteži s otopinom nalazi se para metanola. Dodatkom natrijeva klorida smanjila se količina plinovitog otapala u ravnoteži. Tlak pare iznad otopine natrijeva klorida u metanolu niži od tlaka pare čistog metanola.

Tlak para otapala (p_A) ovisi o množinskom udjelu otapala (x_A) u otopini, a možemo ga izraziti sljedećom jednadžbom koju nazivamo i Raultov zakon:

Množinski udio otapala u nekoj otopini uvijek je manji od 1 (x_A < 1)

Tlak pare iznad otopine manji je od tlaka pare iznad čistog otapala, tj. p_A < p_A*.

Povišenje vrelišta

Otapanjem tvari u tekućinama povećava se vrelište u odnosu prema čistom otapalu.

Vrelište otopine nehlapljive tvari uvijek je više od vrelišta otapala. Za koliko stupnjeva će se promjeniti vrelište otopine u odnosu na čisto otapalo proučava ebulioskopija, a samo povišenje vrelišta moguće je izračunati prema formuli:

gdje je ΔT_v promjena vrelišta, T_v vrelište otopine, T_v* vrelište čistog otapala, i broj čestica na koje tvar disocira, K_b ebulioskopska konstanta (koja je različita za svako otapalo), b molalnost.

Sniženje ledišta

Otapanjem tvari u tekućinama snižava se ledište u odnosu prema čistom otapalu.

Kako bi se zimi spriječilo stvaranje poledice na cestama i kolnicima, oni se posipaju solju. Također, U sustave za hlađenje motora automobila ulijeva se etilen-glikol (antifriz) kako bi se spriječilo zaleđivanje tekućine za hlađenje.

Ledište otopine uvijek je niže od ledišta otapala. To se lako može vizualizirati na prikazu faznih dijagrama čiste vode i vodene otopine natrijeva klorida.

Za koliko stupnjeva će se promjeniti ledište otopine u odnosu na čisto otapalo proučava krioskopija, a može se izračunati prema formuli:

gdje je ΔT_t promjena tališta, T_t talište otopine, T_t* talište čistog otapala, i broj čestica na koje tvar disocira, K_f krioskopska konstanta (koja je različita za svako otapalo), b molalnost.

Osmotski tlak

Osmoza je spontan proces pri kojemu molekule otapala prolaze kroz polupropusnu membranu iz razrjeđenije u koncentriraniju otopinu.

Osmotski tlak javlja se kao posljedica osmoze. Naime, ukoliko u oba kraka U-cijevi imamo čistu vodu te su ti krakovi odijeljeni polupropusnom membranom, u oba kraka imamo izotonične otopine tj. otopine istih koncentracija. Dodatkom NaCl u jedan krak, taj kraj postaje zasićeniji solju i takva otopina je hipertonična u odnosu na onu u drugom kraku, koja je hipotonična. Molekule vode iz hipotonične otopine kreću se kroz poluporpusnu membranu u hipertoničnu otopinu, pri čemu se pokušava ponovno uspostaviti stanje u kojem su obje otopine izotonične.

Osmotski tlak računa se prema formuli:

pri čemu je i broj čestica na koje tvar disocira, c množinska koncentracija otopine, R opća plinska konstanta, T termodinamička temperatura.