理論化学

希薄溶液の性質

投稿日:9月 11, 2020 更新日:

今回は蒸気圧降下、沸点上昇、凝固点降下、浸透圧について解説していくにゃ。

・蒸気圧降下とは?

溶媒にグルコースやスクロース、塩化ナトリウムといった不揮発性の物質を溶かすと水溶液の蒸気圧が純粋な溶媒(水など)よりも低くなる現象を蒸気圧降下といいます。例えば水にスクロースを溶かして溶液にするとスクロース分子が水分子の蒸発をスクロースがとけていないときと比較して水分子が蒸発しにくくなります。よって密閉した容器内の機体部分にある水分子が少なくなり、グルコース水溶液の蒸気圧は水の蒸気圧と比較して小さくなっていきます。

蒸気圧は溶質や溶質分子イオンの濃度が大きいほど蒸気圧は下がります。要するに水にとけているものの濃度がこいとその分、水が蒸発しにくくなるということです。蒸気圧と温度の関係を表した蒸気圧曲線というものがありますが、蒸気圧曲線は濃度が大きいほど右側に移動していきます。

・沸点上昇とは?

まず少しだけ沸点から復習しましょう。沸点は沸騰するときの温度のことですが、沸騰は液体の蒸気圧と液面にかかる圧力が等しくなったときにおこるという現象でした。ということは圧力に着目する必要があります。さきほど蒸気圧降下について説明しましたが。同じ圧力のときの純粋な溶媒(水など)と不揮発性の溶質がとけた液体の同じ圧力での温度を比較すると、不揮発性の溶質がとけた液体の方が水に比べて高くなることがわかります。この現象を溶液の沸点上昇といい、溶媒の沸点と溶液の沸点の差を沸点上昇度(Δt)といいます。

沸点上昇度はある公式で求めることができます。以下の式です。

Δt=Kbm [Kb:モル沸点上昇度(K・kg/mol)、m:質量モル濃度(mol/kg)]

・凝固点降下とは?

溶媒が凝固しはじめる温度(凝固点)は純溶媒より溶液の方が低くなります。わかりやすい例として水は0℃で凍るけど、海水は-1.8℃まで下がらないと凝固しません。純溶媒と溶液の凝固点の差を凝固点降下度(Δt)といい、これも以下の式で求めることができます。

Δt=Kfm [Kb:モル凝固点降下(K・kg/mol)、m:質量モル濃度(mol/kg)]

Kは溶媒によって固有の値をとるにゃ。

・浸透とは?

セロハン膜は水のように小さい分子は通過できますがデンプンのように大きい分子は通過できません。溶液中のある特定の成分は通すがほかの成分は通過させない膜を半透膜といいます。

 水と水溶液を半透膜で仕切り放置すると水分子が半透膜を通って水溶液側に移動しこの現象を浸透といいます。浸透すると水の液面は下がり水溶液側にの液面は上がります。この差をもとの同じ高さに戻すには圧力を加えなけらばなりません。この圧力を溶液の浸透圧といいます。

浸透圧は公式を使って求める事が出来ます。浸透圧の大きさは溶媒が浸透しきったあとの溶液中の分子やイオンのモル濃度、絶対温度に比例します。

Π = cRT [Π:浸透圧[Pa]、c:モル濃度[mol/L]、T:絶対温度[K]、R:気体定数=8.3×103[Pa・L/(mol・K)]

・まとめ

  • 蒸気圧降下 不揮発性物質が溶けた溶液の蒸気圧は、溶媒の蒸気圧より低い
  • 沸点上昇  溶液の沸点は溶媒の沸点より高い
  • 凝固点降下 溶液の凝固点は溶媒の凝固点より低い
  • 浸透圧 半透膜を境界に溶媒の浸透を阻止するのに溶液に加えた圧力

・演習問題

問題1.下記の溶液について、大気圧下での沸点が高い物から順番に並べるとどのようになるか答えよ。

A: 0.08mol/kg 塩化カリウム水溶液

B:0.10mol/kg スクロース水溶液

C:0.05mol/kg 硫酸ナトリウム水溶液

電離する物質かどうかまず確認するにゃ!

解答. 電離したあとの質量モル濃度が大きいほど沸点上昇度が大きくなり沸点が高くなるのがポイント。

A:KCl → K+Clと電離するので0.08×2→0.16mol/kg

B: スクロースが電離しないのでそのまま0.10mol/kg

C:Na2SO4→2Na+SO42-と電離するので0.05×3=0.15mol/kg

よってA>C>B

問題2.分子量15の非電解質3.0gが水0.1kgに溶解したときの水溶液の凝固点を求めよ。ただし水のモル凝固点降下は1.9K・kg/molとする。

Δt=Kfm [Kb:モル凝固点降下(K・kg/mol)、m:質量モル濃度(mol/kg)]よろ質量モル濃度をまずもとめることが大事だにゃ!

解答.まず質量モル濃度を求める。

m=(3.0÷15)/0.1=2.0mol/kg

Δt=Kfmより Δt=1.9×0.50=0.95K

よって求める凝固点は0 – 0.95 = -0.95℃

Δtはあくまで基準値からの差を求めていることに注意しましょう。

問題3. 27℃においてある非電解質5.0gを溶解した水溶液100.0mlの浸透圧は8.3×105であった。この物質の分子量を整数値で求めよ。ただし気体定数は8.3×103Pa・L(mol・K)とする。

Π = cRTのc(mol/L)はモル濃度なのでc=n/V(nは物質量、Vは体積)とおける。さらにnは物質量なのでn=w/M(wは重さ、Mは分子量)と変化できるにゃ!まとめると
Π = (w/M)RT÷V

解答.Π = (w/M)RT÷Vより

8.3×105=(5.0/M)8.3×103×300÷0.1

M=1500

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