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Boiling Point Elevation and Freezing Point Supression : Raising or lowering the boiling or freezing point of a solution by adding solute.
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- 現在我們來研究一下如果往任意溶液中
- 加入一些粒子
- 或者說加入一些溶質
- 會對其熔沸點有什麽影響
- 爲了便於我們將其形象化
- 我們還是以水作爲例子
- 這不一定非要是水
- 它可以是任何溶劑
- 但我們還是就以
- 液態水爲例吧
- 溶質顆粒是相當無序的
- 因爲它們具有一定的動能
- 但它們之間還是有氫鍵
- 讓它們彼此互相靠近
- 所以這是液態
- 它們擁有一定量的動能
- 你知道的
- 每一個這些粒子會朝著某個方向移動
- 相互摩擦
- 相互碰撞
- 現在要把它變成固態
- 或者說凝固
- 會發生些什麽呢？
- 冰會形成一種晶體結構
- 變得非常整齊有序
- 比方說 看起來像是這個樣子
- 這些水分子排成了一種有規律的結構
- 這種結構下 氫鍵主宰了
- 它們一切可能發生的運動
- 所有的運動
- 使它們只能在原地振動
- 所以你要把它畫得更整齊一點
- 像這樣 對吧？
- 顯然 接下來許許多多的水分子都會
- 形成這種晶格結構
- 但有趣的是這些分子
- 會以某種方式變得整齊
- 那假如我們在水裏引進一些分子
- 會怎樣呢？
- 比方說以氯化鈉爲例…
- 算了 我們不舉例子了
- 我們就說任意的分子
- 如果我把它引進這裡
- 如果我加入一些東西
- 讓我重新畫一下
- 我會繼續使用這個顏色…
- 現在引進一些分子
- 假設他們體積很大
- 它們會把所有這些水分子擠開
- 所以現在水分子在外圍
- 這裡又有另一個分子
- 一些相對於水分子來說
- 較大的溶質分子
- 而這是因爲水分子實際上沒那麽大
- 那麽 現在你認爲它是更容易結冰
- 還是更難結冰呢？
- 要變爲凝固的狀態是需要給出
- 更多還是更少能量呢？
- 嗯 因爲這些分子
- 它們不會成爲這個晶格結構的一部分
- 因爲坦白說
- 它們不合適這個晶格
- 它們實際上是障礙了
- 水分子變得整齊有序的過程
- 因爲爲了變得整齊
- 它們需要到達一個合適的距離
- 以便氫鍵的形成
- 但是在這個例子中
- 盡管你開始從體係中移出熱量
- 或許這些離溶質體子不是很近的水分子
- 彼此之間會有序化
- 但當一個溶質體子被引進時
- 比方說有個溶質體子在這裡
- 那麽水分子想跟它有序化
- 就變得非常困難
- 想靠得足夠接近來讓氫鍵hold住場面
- 也變得很困難
- 這個距離來說的話是很困難的
- 我對這個的看法是
- 這些溶質體子的存在使得結構不規則
- 或者說它們添了很多亂
- 關於這點我們最後將會討論到 熵和與之相關的東西
- 但是它們把結構變得更加不規則
- 也使得要達到一個規則的形式更加困難
- 所以直觀的感受就是
- 這應該會降低沸點以及…
- 哦 抱歉 是降低熔點
- 所以溶質體子會降低液體的熔點
- 現在我們要討論
- 標準狀況下的水
- 或者說是壓力爲1atm 溫度不是0℃
- 而是-1℃或者-2℃
- 我們將要討論一下 這個情況
- 現在 當你想要使它變爲氣態或者沸騰
- 你對這些粒子的作用的
- 直覺是什麽？
- 我的第一反應是 嘿
- 我已經在一個無序的狀態了
- 這跟氣體的狀態比較接近
- 這不就是會更容易沸騰嗎？
- 但事實上是溶質分子使它更難沸騰
- 這是我的想法
- 記著 所有與沸騰有關的
- 都會牽涉到表面發生的變化
- 這一點我們曾經討論過 在介紹汽壓時
- 那麽來看表面 假設
- 有一大群液態水分子
- 我們知道盡管水的平均溫度
- 可能並不足夠
- 使水分子蒸發
- 但是這有一定的動能分布
- 在液體表面會有一些這樣的水分子
- 因爲表面的分子很可能
- 運動得足夠快而脫離液體
- 當它們逃脫進入蒸氣
- 就在這上面産生了一個汽壓
- 如果這個汽壓足夠大
- 你幾乎能把它們看作是擋住後面
- 沖過來的分子的前線工人
- 因爲它們擋住了它們上方的
- 外界空氣壓力
- 如果這些分子足夠多而且能量足夠大
- 就會把氣相分子往回拉
- 或是把液相分子往外拉
- 這是我對它的想法
- 這樣更多的分子能跟隨著它們的腳步
- 我希望這個前線工人的比喻不會讓你迷惑
- 那麽 引進溶質後會有什麽變化？
- 一些溶質體子可能在這下面
- 這麽低的話可能不會産生很大影響
- 但是其中的一些會在表面豎鍛
- 它們準備接管表面的某些區域
- 而因爲 至少我是這麽認爲的
- 因爲它們準備接管
- 表面某些區域
- 所以就只有較少的區域
- 是暴露於溶劑粒子之下
- 或是溶液
- 又或者說是實際能蒸發的東西
- 這樣就會産生較低的汽壓
- 要記得 液體的沸點是
- 當汽壓…
- 當表面有足夠能量的粒子
- 足夠多的時候
- 它們開始和大氣壓力
- 進行對抗
- 當汽壓等於
- 大氣壓時 就會沸騰了
- 但是因爲這些家夥的存在
- 使得汽壓降低了
- 所以不得不向體係增加更多的動能
- 或更多的熱量
- 使這裡汽壓足夠大
- 從而抵抗大氣壓力
- 所以加入溶質也會提高沸點
- 你可以這樣子認爲
- 當你向溶液裏加入一些溶質
- 就會使溶液更傾向於
- 保持在液態
- 無論你是降低溫度
- 它會比冰更傾向於 保持在液態
- 亦或是升高溫度
- 它也會比水氣更傾向於 保持在液態
- 我找到了這個整潔的…
- 還好它能在影片裏正常顯示
- 我要標明一下它的出處
- 它來自chem.purdue.edu/gchelp/solutions/eboil.html
- 但是我覺得這是個非常簡潔的圖
- 至少非常形象化
- 這就是水分子的表面
- 同時它也讓你感知到
- 物質是怎樣蒸發的
- 這裡表面有一些東西跳落
- 而這邊是形象化了以氯化鈉爲例的
- 液體表面的情況
- 因爲氯化鈉
- 會在表面到處豎鍛
- 水分子也會
- 但就只有較少的水分子
- 有空間脫離液體
- 所以液體的沸點就升高了
- 那麽現在的問題就是沸點升高了多少？
- 而這是生活中簡而有力的事物之一
- 它的答案實際上也很簡單
- 沸點和溶點的改變
- 蒸發溫度的改變
- 是等於某個常數乘以物質的量
- 或者至少是莫耳濃度
- 克分子溶度
- 乘以你加入溶液中的溶質的
- 克分子溶度
- 比方說 假設現在有1kg的…
- 假設溶劑是水
- 我換個顏色
- 有1kg的水
- 再假設壓力是標準大氣壓
- 假設溶質是氯化鈉 NaCl
- 比方說現在有2mol的NaCl
- 問題是這會使
- 水的沸點升高多少？
- 首先
- 我們要計算出克分子溶度
- 它等於溶質的莫耳數
- 2mol 除以
- 除以溶劑的質量
- 現在假設是1kg的溶劑
- 當然 這是 mol
- 所以我們的濃度是2mol/kg
- 然後我們要計算出這個常數是多少
- 然後我們就能得出溫度的增量
- 實際上 普杜大學的同一個網頁
- 給出了一個表格
- 我自己並沒有做過實驗測定
- 它們有個整齊的列表
- 我們研究的是水
- 正常的沸點是100℃
- 在標準大氣壓下
- 他們說這個常數是
- 我們就當做是0.5吧
- 所以它等於0.5
- k等於0.5
- 我希望你們能清楚理解這裡
- 因爲這是一個非常…
- 不能說非常微妙的點
- 也是個值得關注的點
- 我剛剛說濃度是2mol/kg…
- 啊 克分子溶度
- 我才意識到我犯了個錯誤
- 之前說氯化鈉的濃度是2
- 但這是在
- 氯化鈉仍保持分子狀態的情況下
- 如果它們還待在一起 對吧？
- 但實際上
- 氯化鈉是會遊離的
- 這點我們在之前的影片中
- 已經講過了
- 每個分子或者說每一對氯和鈉會
- 遊離成2個分子\N【譯者注：應該是離子】
- 變成一個鈉離子和一個氯離子
- 而因此
- 因爲它遊離成2個離子
- 溶質克分子溶度實際上就是
- 氯化鈉莫耳數的兩倍
- 所以就是2乘以這個
- 我的克分子溶度實際上是4
- 這是一個值得注意的地方
- 如果我們的溶質是
- 我寫在這兒了
- 這個東西是葡萄糖\N【譯者注：這是溶液中的葡萄糖結構式】
- 這個是氯化鈉
- 或者說是氯化鈉晶體
- 我想你能看成 一分子
- 或者說是一粒
- 我想你應該能把它想象成
- 這樣子的一些小原子對
- 但有趣的是 當你把氯化鈉看成是
- 一個完整化合物的時候
- 它的物質的量和葡萄糖一樣
- 但是當葡萄糖加到水裏
- 它仍是一分子的葡萄糖
- 所以1mol的葡萄糖在水裏“分解”
- 成1mol的葡萄糖
- 好吧 它是不會分解的
- 它仍是1mol
- 但是1mol的氯化鈉就會變成2mol
- 因爲它能遊離
- 它變成兩種單獨的粒子
- 所以在這個例子中
- 當我以2mol這個開始
- 最終會 實際上是當我一開始溶解的時候
- 會得到克分子溶度是4mol/kg
- 因爲它變成兩個粒子
- 所以得出濃度是4mol/kg
- 2mol/kg的鈉 2mol/kg的氯
- 用這個剛剛從網上查到的
- 常數的值
- 最終算出溫度的改變值是等於
- 常數 0.5 乘以4
- 等於2°C
- 所以我的沸點會升高2度
- 那麽如果是相同物質的量的
- 2mol的葡萄糖溶解到水裏
- 我也就只有一半
- 這個的一半的增量
- 因爲克分子溶度是這個的一半
- 因爲它不會變成2個粒子
- 在某些書裏 你會看到 它寫成這樣
- 實際上是同一條公式
- 寫成了沸騰溫度的改變量
- 或是蒸發溫度
- 或者隨意你怎麽說
- 等於k乘以m乘以i
- 在這裡
- 這個（m）是所討論的化合物的 克分子溶度
- 在這裡 這個數就是2
- 而i是分子數量
- 也就是溶質會
- 分解成的粒子數量
- 在這裡 它是2
- 這樣我們也得到4乘以k
- 也就是0.5 結果是2
- 以水爲例的話 這個會是… 噢 抱歉
- 是以葡萄糖爲例的話是2
- 但是當它溶解時
- 還是1個粒子 所以是1
- 所以最終得到水的沸點
- 只擧升1度
- 現在 熔點也是一樣
- 熔點的改變值
- 也和克分子溶度成比例
- 你可以說是未溶於水的原始的
- 化合物的克分子溶度
- 乘以化合物解離成的粒子數
- 盡管k的數值
- 在凝固時是不同的
- 當然 k的值也會隨著不同壓力
- 不同元素而改變
- 但真正的多重點是要意識到
- 即使你有1mol這個 1mol那個
- 而它們是溶解在
- 相同量的水裏的
- 因爲這個會解離成2個粒子
- 而這個只解離成1個粒子
- 應該說每莫耳的這個晶體會
- 會解離成2mol
- 而這個不會解離 它還是1
- 這就會使它相對於葡萄糖而言對
- 凝點的改變
- 或是沸點的改變
- 改變值是兩倍